Сто лет недосказанности: Квантовая механика для всех в 25 эссе

Такое положение дел и составляет то, что мы называем объективной классической реальностью. Она, однако, должна каким-то образом «вырастать» из квантовой реальности, сидящей в глубине вещей. И это притом, что в ходе развития волновой функции во времени возникает несравненно (в убедительном математическом смысле) больше экзотических состояний, чем тех, которые пригодны для создания классической картины мира.

Бесценные для нас немногочисленные состояния, участвующие в создании классической картины мира, оказываются, однако, «избранными» благодаря среде.

Каждая относительно самостоятельная система беспрестанно взаимодействует с тем, что находится вне ее. Ни одну систему нельзя полностью изолировать от всего на свете (при недосягаемости для любого взаимодействия она перестала бы быть частью физического мира). И по отношению ко всякой более-менее автономной системе весь остальной мир – это среда; хотя разделение между ними до некоторой степени условно, факт все же состоит в том, что «системы» существуют, а значит, как-то выделяются из среды{98}.

Среду не стоит недооценивать уже по той причине, что она играет роль информационного канала: наблюдаем мы не состояния сами по себе, а их «отпечатки», свидетельства о них в среде. Например, свидетельством существования этого текста среди прочего являются фотоны, отражаемые листом бумаги или излучаемые экраном.

Роль главного распорядителя во взаимоотношениях со средой принадлежит запутанности – по той простой причине, что квантовые состояния почти всегда представляют собой какие-то комбинации, а в таком случае любое взаимодействие, как мы неоднократно видели, вовлекает участников в запутанность в соответствии с уравнением Шрёдингера. «Вовлеченные» части среды и отражают («на них отпечатывается») состояние квантовой системы; говоря более формально, между состояниями системы и среды возникают корреляции.

Среда состоит из огромного числа относительно независимых элементов, и то, что мы наблюдаем при ее посредничестве, – итог создания колоссального числа «отпечатков». Пылинка диаметром около микрона рассеивает столько полученных от Солнца фотонов, что за одну микросекунду передает через них информацию о своем положении примерно 100 млн раз. При этом квантовые состояния, представляющие собой экзотические комбинации (пылинка в комбинации состояний «здесь» и «там»), сильно отстают и оказываются в этом смысле «не приспособленными к среде». Среда обеспечивает отбор, в результате которого выживают, множатся и потому наблюдаются только наиболее приспособленные к окружающим условиям.

Идея более успешного размножения самых приспособленных знакома нам по совсем другому поводу: она восходит к Дарвину и объясняет происхождение видов, т. е. биологическую эволюцию. Если полностью отвлечься от содержания и обсуждать только формальные признаки, главные идеи дарвиновского отбора – это репродукция, наследуемая изменчивость (небольшие вариации в свежесоздаваемых экземплярах, передаваемые затем следующим копиям) и избирательное выживание наиболее подходящих из них (собственно естественный отбор). Концепция возникновения наблюдаемого классического мира из ненаблюдаемого и чуждого ему квантового получила поэтому название квантового дарвинизма{99}.

Привычные нам состояния кошек и всего остального отличаются своей успешностью в соревновании под девизом «Оставь в среде как можно больше отпечатков». Кошку, пребывающую в запутанном состоянии неясности относительно жизни и смерти, не видно в записях, оставленных в среде. Доступны только (многократно повторяющиеся) записи одной из возможностей – живая или мертвая. Фраза «контроль окружающей среды» приобретает новое актуальное звучание, и вот как это работает.

Во-первых, состояния квантовых систем, которые имеют шансы быть «заметными» в классической вселенной, должны обладать относительной устойчивостью при взаимодействии со средой: от них требуется не слишком сильно изменяться от этого взаимодействия. Во-вторых, требуется устойчивость «отпечатков» состояний в среде (устойчивость корреляций состояний со средой). Здесь обсуждается уже не то, как среда влияет на систему, а как квантовая система влияет на среду. Правда, говорят при этом, что среда наблюдает или измеряет квантовую систему, потому что «отпечатки», оставленные в среде, до некоторой степени наделяют ее ролью измерительного прибора (задача которого ведь в том и состоит, чтобы так или иначе отобразить в своем состоянии свойства измеряемой системы).