В последнее время наметился интерес к информационной трактовке квантовой механики. Одна из причин – технологические достижения квантовой информатики. Вторая причина в том, что многие исследователи надеются с помощью информационной интерпретации квантовой механики разрешить трудности стандартной интерпретации.
Несмотря на то, что квантовая механика считается универсальной теорией, приложенная к макромиру, она порождает парадоксы. Наиболее известные из них – парадокс «кота Шрёдингера» и парадокс «друга Вигнера».
Суть мысленного эксперимента «кота Шрёдингера» в следующем. В закрытом ящике находится кот, счётчик Гейгера, ионизирующая частица и баллон с ядовитым газом. Если микрочастица проявит себя как корпускула, счётчик сработает, включит баллончик с ядовитым газом, и животное умрёт. Если частица поведёт себя как волна, кот будет живым.
Что можно сказать о коте, глядя на закрытый ящик? С бытовой точки зрения вероятность, что кот жив или мёртв 0,5:0,5. С позиций квантовой механики кот одновременно и жив, и мёртв и находится в суперпозиции двух состояний: живого и мёртвого кота. Это странное состояние будет продолжаться до тех пор, пока наблюдатель не проведёт измерение (заглянет в ящик) и таким образом снимет неопределённость.
Но кот не может быть одновременно и жив, и мёртв. По утверждению Шрёдингера реальность не может быть «размазана» в соответствии с волновой функцией.
Новая теория не должна противоречить существующим теориям и вступать с ними в конфликт. Допуская применимость квантовой механики к макрообъектам, мы должны признать существование стороннего наблюдателя, от которого зависит состояние живого существа в ящике. Распространив применимость квантовой механики на Вселенную в целом, можно утверждать, что в ней существует Наблюдатель, от которого зависит состояние всех объектов во Вселенной.
Парадокс «друга Вигнера» – усложнённый парадокс «кота Шрёдингера». Его сформулировал один из создателей квантовой механики, лауреат Нобелевской премии по физике Юджин Вигнер. Суть парадокса в следующем. Друг Вигнера находится в лаборатории, там, где расположен ящик с котом. Сам Вигнер остаётся за дверью лаборатории. Когда друг Вигнера открывает ящик, он видит или не распавшуюся радиоактивную частицу и живого кота, или включённый баллончик с ядовитым газом и мёртвого кота.
До того момента, пока друг Вигнера не открыл ящик, кот для Вигнера находится в суперпозиции состояний. После открытия ящика кот переходит в одно из собственных состояний, но для Вигнера, который находится вне лаборатории, кот по-прежнему остаётся в суперпозиции состояний: он жив и мёртв одновременно. Следовательно, для самого Вигнера и его друга одновременно существуют два противоположных состояний кота, описываемые двумя разными волновыми функциями.
Приверженцы копенгагенской интерпретации утверждают, что парадокс с котом возникает потому, что его авторы и сторонники придерживаются реалистической трактовки квантовой механики, согласно которой она описывает происходящие события в реальном мире, где нет суперпозиции состояний. Поэтому кот не может быть как в одном из собственных состояний (быть либо живым, либо мёртвым), так и в суперпозиции состояний (быть живым и мёртвым одновременно).
Как видим, утверждение о том, что квантовая механика универсальна, противоречит утверждению, что в действительности она неприменима к макромиру.
Если для объяснения эксперимента с котом Шрёдингера применить информационную интерпретацию, можно сказать: пока кот находится в закрытом ящике, у нас имеется суперпозиция состояний – неопределённая информация о том, что кот и жив, и мёртв одновременно. После того как мы откроем ящик, наша информация изменится, и с вероятностью, равной единице, мы будем знать, жив кот или мёртв. До и после измерения в реальном мире никаких изменений не произошло. Для нас изменилась только информация, касающаяся состояния кота.
Следует отметить, что, по словам американского философа науки Кристофера Фукса, «квантовая механика всегда была об информации, просто сообщество физиков забыло об этом». Имеются все основания полагать, что развитие квантовой информатики и квантовых технологий приведут к построению информационной интерпретации квантовой механики. Поэтому не вызывает сомнений, что квантовая механика со временем трансформируется в информационную теорию микромира.
Основываясь на всем известном эксперименте с двумя щелями, польский физик-теоретик, ведущий специалист в области квантовой теории и декогеренции Войцех Зурек, в 2001 году представил информационную интерпретацию квантовой механики. Главная особенность интерпретации состоит в том, что в роли «наблюдателя» может выступать не только человек, но и объекты окружающего мира.
В результате обмена информацией между квантовой системой и окружающей средой нарушается когерентность суперпозиционного состояния и происходит декогеренция. Окружение «запутывает» две части системы и распределяет квантовую когерентность среди огромного числа степеней свободы, что делает её практически ненаблюдаемой. По словам Зурека, «декогеренция и переход от квантовой области к классической (обычно рассматриваемый как нечто эзотерическое) является неизбежным следствием растворения системы в её окружении»[48].
В 2004 году в Венском университете группа учёных под руководством Антона Цайлингера провела прекрасный двухщелевой опыт по рассеянию фуллерена C70 (одной из аллотропных форм углерода, молекула которого состоит из 70 атомов) на дифракционной решётке. Экспериментаторы контролируемо нагревали аргоновым лазером молекулы и таким образом изменяли их внутреннюю температуру (среднюю энергию колебаний атомов углерода внутри молекул).
Любое нагретое тело испускает тепловые фотоны, спектр которых отражает среднюю энергию переходов между возможными состояниями системы. По нескольким таким фотонам с точностью до длины волны испускаемого кванта можно определить траекторию молекулы. Чем выше температура, тем меньше длина волны кванта, и тем точнее можно определить положение молекулы в пространстве. При некоторой критической температуре точность станет достаточной для определения на какой конкретно щели произошло рассеяние.
Эксперимент показал, что в отсутствии лазерного нагрева наблюдается интерференционная картина, аналогичная картине, полученной в двухщелевом опыте с электронами. Лазерный нагрев приводил сначала к ослаблению интерференционного контраста, а затем, по мере роста мощности нагрева, к полному исчезновению эффектов интерференции.
Было установлено, что при температурах T<1000°K молекулы ведут себя как квантовые частицы, а при T>3000°K, – как классические тела.
Никаких детекторов в районе проведения эксперимента установлено не было. Роль детектора, выделяющего компоненты суперпозиции, выполняла окружающая среда. В ней при взаимодействии с тепловыми фотонами записывалась информация о траектории и состоянии молекулы фуллерена.
Учёные выяснили, что совершенно не важно, через что идёт обмен информацией: через специально поставленный детектор, окружающую среду или человека. Для разрушения когерентности состояний и исчезновения интерференционной картины имеет значение только принципиальное наличие информации, через какую из щелей прошла частица, а кто её получит – неважно. Фиксация или «проявление» суперпозиционных состояний вызывается обменом информацией между подсистемой (в данном случае частицей фуллерена) и окружением.
Выполненные в рамках теории декогеренции расчёты полностью согласуются с экспериментальными данными.
Эксперимент подтвердил выводы теории декогеренции о том, что в основе наблюдаемой реальности лежит нелокализованная и «невидимая» квантовая реальность, которая становится локализованной и «видимой» в ходе происходящего при взаимодействии обмена информацией и сопутствующей этому процессу фиксацией состояний[49].
