Квантовый дуализм и реальность на языке информации
Представьте себе тёмную комнату и тонкий луч света, который падает на экран с двумя узкими щелями. За экраном – ещё один, регистрирующий свет. Классика: опыт Юнга с двумя щелями. Если обе щели открыты, на втором экране возникает чередование светлых и тёмных полос – интерференционная картина. Свет ведёт себя как волна. Но вот парадокс: если выпускать по одному фотону (квант света) – они всё равно со временем нарисуют те же полосы. То есть каждый фотон как будто проходит через обе щели сразу и интерферирует сам с собой. Однако, когда фотон прилетает, он проявляет себя как частица – оставляет одну единственную точку на экране. Волна при пролёте, частица при попадании. Этот эксперимент Ричард Фейнман называл «единственной загадкой квантовой механики» – в нём сконцентрирован весь её дух. Так открылся корпускулярно-волновой дуализм: свет (да и материя – электроны, атомы и даже молекулы) одновременно и волна, и частица.
Куда же деваются кванты света в тёмных полосах интерференции? Неужели фотон иногда «аннигилирует» сам с собой? Нет, никакого исчезновения энергии не происходит – она просто перераспределяется. Там, где волны гасят друг друга, фотонов не прилетает вовсе, зато в соседних светлых полосах их скапливается больше, чем если бы интерференции не было. В квантовой теории это объясняется сложением амплитуд вероятности: у фотона есть амплитуда дойти до каждой точки экрана через каждую щель. В одних точках амплитуды складываются в мощный «залп» – и тогда вероятность (квадрат амплитуды) высока, фотоны прилетают часто. В других – амплитуды частично или полностью противоположны и гасят друг друга, давая нулевую вероятность попадания фотона. Но суммарная энергия распределяется так же, как в волновой картине: ничего не теряется, просто «гребни» и «провалы». Как пошутил однажды Поль Дирак, каждый фотон интерферирует только с самим собой – два разных фотона не устроят совместную интерференцию. Это подчёркивает, что квант – это не классическая «частица в каком-то месте», а особый объект, описываемый волновой функцией. Пока мы не взглянули – он повсюду и нигде, как бы «расплывается» через обе щели сразу.
Конечно, можно попытаться схитрить: поставить у щелей детекторы и выяснить, через какую щель пролетает фотон (или электрон). Но стоит проделать это – и интерференция исчезает! Картина на экране сразу становится однородной, без полос. Получается, сам факт наблюдения пути разрушает волновое поведение. Это иллюстрирует принцип, который Нильс Бор назвал комплементарностью: квантовый объект проявляет либо волновые свойства, либо корпускулярные (частичные), в зависимости от того, что именно вы пытаетесь обнаружить. Оба «образа» взаимно исключают друг друга, но дополняют полное описание. Свет – и волна, и частица, но одновременно наблюдать оба аспекта нельзя. Природа как будто спрашивает: «Какой эксперимент ставим – на волны или на частицы?», – и отвечает соответственно. Если вы пытаетесь узнать, куда летит фотон, он «выберет» быть частицей и не даст интерференции. Если же не знать путь – проявятся волны и интерференция.
Здесь ключевое слово – знание (информация). Казалось бы, детектор у щели – это же просто прибор, почему он так влияет? Но с точки зрения квантовой теории сам прибор становится частью системы. Если его показания могут сообщить, через какую щель прошёл фотон, то в микромире произошло следующее: состояние фотона запуталось с состоянием детектора. После этого о чистой «самоинтерференции» речи уже нет – система «фотон+детектор» изменилась. Даже если вы лично не смотрите на показания, информация о пути существует в окружающем мире (в памяти прибора, в сигналах и т.д.), а это достаточно, чтобы картина на экране перестала быть интерференционной. Проще говоря, любой намёк на возможность узнать путь уничтожает картину волн. Природа не обманывает: либо фотоны идут как волны (но тогда путь неразличим), либо как частицы (тогда мы различаем путь, а интерференции нет).
Теперь самый остроумный вариант: а что если сохранить волновую картину, но всё же получить знание о пути после эксперимента? Звучит как магия. Именно такое изящное расширение придумали учёные – так возник так называемый эксперимент с квантовым ластиком. Его суть: устроить измерение пути, но таким образом, чтобы результат не «утек» безвозвратно в окружающую среду, а остался контролируемым квантовым образом. Например, вместе с фотоном пустить через щели ещё один спаренный квант (пусть другой фотон или электрон), который условно помечает путь первого. Скажем, если первый идёт через левую щель, второй квант получает метку «Левый», а если через правую – метку «Правый». Такая пара частиц находится в запутанном состоянии: пути первого и состояние второго связаны. Мы как бы измерили путь, но «честного» макроскопического прибора нет – информацию о пути хранит второй, вспомогательный квант, выступающий в роли квантового детектора. Что же покажет экран? Интуиция подсказывает, что раз путь отмечен, интерференции не будет – так и есть, на экране снова сглаженное распределение. Даже без классического наблюдателя сам факт запутанности с меткой делает пути различимыми, и интерференция пропала. Замечательный урок: важен не наблюдатель как человек, важна физическая различимость маршрутов. Любая запутанность, делающая два пути отличимыми, убивает интерференционные fringes.
Теперь – фокус с «ластиком». Предположим, после экрана мы поймаем вспомогательные кванты с метками и… сотрем эту информацию! То есть проведём такой квантовый измерительный цикл, который уничтожит данные о том, откуда пришёл фотон, не глядя на них. Звучит странно: ведь фотоны-то уже попали на экран, что сделано – то сделано. Однако квантовая механика позволяет более хитрые сценарии. В экспериментах типа «квантовый ластик с отложенным выбором» (первые реализованы М. Скалли и др., 1980-е; затем Юн-Хо Ким и др., 1999) вспомогательные частицы измеряются не напрямую «лево/право», а в другом базисе – фактически, мы смешиваем и запутываем их состояния так, чтобы уничтожить знание о пройденном пути. И вот что обнаруживается: если сгруппировать результаты попаданий фотонов по исходам этих поздних измерений вспомогательных квантов, в каждой такой группе вдруг проявляется интерференционная картина! Тем самым мы восстановили интерференцию – как бы стёрли «отметки» и вернули волновое поведение. Причём этот выбор – стереть или не стереть информацию – можно сделать после того, как фотон уже ударился в экран. Получается, что наше позднее решение определило, была ли интерференция раньше… Мистификация?
Некоторые популярные описания поспешили окрестить это явление ретрокаузальностью – мол, будущее действие влияет на прошедшее событие. Особенно красочно идею обыгрывал Джон Уилер, предложивший мысленный вариант такого эксперимента: свет от далёкого квазара, проходящий гравитационную линзу (две альтернативные траектории вокруг галактики – космический аналог двух щелей), можно анализировать по-разному. И в зависимости от нашего выбора сейчас мы либо наблюдаем интерференцию, либо определяем «через какую щель пролетел фотон» миллиарды лет назад! На первый взгляд, дух захватывает: выбор в настоящем меняет прошлое. Но давайте разберёмся без мистики. В действительности никакой сигнал в прошлое не отправляется. Фотон при пролёте не «знал» нашего будущего решения и не менял поведение задним числом – он вообще не выбрал конкретный путь. До измерения у нас не было факта «прошёл через левую щель» или «через правую» – был квантовый суперпозиционный вариант «через обе сразу». Когда мы позже уничтожаем или раскрываем информацию о пути, мы просто отбираем нужные подмножества событий. Если мы стёрли метки и тем самым не различаем путь, то берём те случаи, где фотон по сути шёл через обе щели – и получаем интерференцию. Если же не стёрли (или сразу измерили путь) – мы рассматриваем случаи, где фотон определённо прошёл только через одну щель, и тогда интерференции не будет. Но ни один отдельно взятый фотон не меняет уже оставленный на экране след. «Ластик» работает статистически: складывая данные по многим частицам с учётом позднего выбора, мы обнаруживаем скрытую интерференцию там, где без группировки всё казалось хаотичным. Если же смешать все случаи вместе (не зная или не учитывая, стёрта информация или нет) – никакого полосатого узора не увидим. Итого: причина и следствие остаются в порядке, просто квант не обязан «решать наперёд», вести ему себя как волна или как частица. Он сохраняет оба варианта до последнего, а наши действия уже определяют, какой аспект проявится для нас. Никакой мистики – но какое элегантное подтверждение, что информация правит бал в квантовом мире!
Получается, квантовая механика заставляет нас пересмотреть саму концепцию реальности. Частица не имеет определённых свойств, пока мы их не измерили – до этого это скорее набор возможностей. И что именно проявится, зависит от контекста эксперимента. Эйнштейна такая «игра в прятки» не устраивала – он протестовал: «Луна ведь существует, когда на неё никто не смотрит!» Бору же приходилось терпеливо объяснять: квантовые объекты не похожи на привычные нам крупные тела. Мы не можем сказать что сделал фотон на самом деле, мы можем говорить лишь о полном эксперименте – о взаимодействии измерителя и объекта. Как сформулировал Бор, «физика касается не того, что есть, а того, что мы можем сказать о том, что есть». Когда нет наблюдения, говорить «фотон прошёл тут или там» просто неправильно – он прошёл и там и тут в виде волнового облака возможностей. Пока информация о пути никуда не просочилась, эти возможности суперпозиционно сосуществуют и дают интерференцию. Но стоит произвести акт наблюдения – и возможности редуцируются до одного реализованного факта. В старой «копенгагенской интерпретации» это явление называют коллапсом волновой функции. Квантовая теория предсказывает лишь вероятности разных исходов – где конкретно вспыхнет точка, мы заранее не знаем, хотя все вероятности вычисляются точно (проверено экспериментами). Такой пробел в определённости смущал даже великих физиков. Эйнштейн, Подольский и Розен в 1935 году указали: если теория не определяет результатов однозначно, может, у частиц есть «скрытые переменные» – неучтённые параметры, которые на самом деле и решают, как всё выйдет, просто мы их не видим. Тогда уж Вселенная была бы детерминирована, а загадочная вероятностность – лишь наше незнание.
За этой дискуссией последовали невероятные эксперименты с квантовой запутанностью. Если подготовить пару частиц (например, два фотона) в едином квантовом состоянии, а затем разнести их далеко друг от друга и измерить по отдельности, оказывается, результаты измерений коррелируют очень хитрым образом. Например, можем создать два фотона с противоположными поляризациями (один «вверх», другой «вниз», но заранее неизвестно, кто какой). Разлетевшись на километры, каждый полетит в свою лабораторию, где экспериментаторы случайным образом измерят поляризацию – скажем, под разными углами. Классическая интуиция подсказывает, что результаты двух далёких измерений не должны связаны – ведь фотоны не находятся в причинной связи друг с другом в момент измерения. Однако квантовая механика предсказывает согласованные корреляции, выходящие за пределы любых классических объяснений. Джон Белл в 1964 г. сформулировал неравенства – условия, которым обязана удовлетворять любая теория локальных скрытых параметров. Квантовая же теория эти неравенства нарушает. Эксперименты Аспекта и других (1980-е и далее) подтвердили: природа не удовлетворяет неравенствам Белла – значит, идея локальных «тайных сигналов» или предопределённости не верна. Из двух посылок – или у частиц нет определённых значений до измерения, или происходит мгновенная координация между далёкими событиями – верна первая (а может, в каком-то смысле и обе, но тогда «мгновенная связь» выходит за пределы классического пространства-времени). Альберт Эйнштейн пренебрежительно называл квантовую запутанность «жутким дальнодействием», но теперь это дальнодействие экспериментально доказано и легло в основу новой техники – квантовой криптографии, квантовых вычислений. Кстати, в 2022 году за исследования запутанных фотонов и тесты неравенств Белла Ален Аспект, Джон Клаузер и Антон Цайлингер получили Нобелевскую премию по физике. Спор Эйнштейна и Бора разрешился: в квантовом мире царит нелокальность – запутанные частицы ведут себя как единое целое, даже будучи на разных концах вселенной. При этом прямой передачей информации на сверхсветовой скорости такое явление не является – вы не можете с помощью запутанных фотонов отправить осмысленное сообщение быстрее света, результаты проявятся случайно. Но сам факт, что измерение здесь и сейчас мгновенно меняет наше знание о состоянии удалённой частицы, поражает. Реальность оказывается глубоко нелокальной и связанной: корни происходящего скрыто сплетены между собой, хотя на поверхности кажется, что объекты независимы.
Как же объединить все эти странности в целостную картину? Одна из самых смелых идей – это многомировая интерпретация квантовой механики, предложенная Хью Эвереттом в 1957 году. В ней постулируется, что коллапса волновой функции не происходит вовсе. Все возможные исходы квантового процесса равноправно реализуются, просто каждый – в своей «ветви» вселенной. Когда вы ставите эксперимент с двумя щелями и пытаетесь узнать путь фотона, Вселенная ветвится: появляется ветвь, где фотон прошёл через левую щель и детектор это зафиксировал, и ветвь, где он прошёл через правую. В каждой из них вы, наблюдатель, увидите частицу, прошедшую через конкретную щель, и никакой интерференции. А если путь не определять, ветвление не происходит (точнее, происходит, но более тривиально – обе траектории остаются в рамках одной общей волновой функции), и вы видите интерференцию, как будто фотон прошёл сразу через обе щели. В этой интерпретации никакой загадки нет: электрон всегда проходит через обе щели, но если он запутывается с детектором, то общая волновая функция распадается на две непересекающиеся ветви – в каждой электрон прошёл только через одну из щелей. Почему тогда нет интерференции? Потому что интерферировать могут только альтернативы внутри одной волновой функции. А когда произошла декогеренция – по сути, разделение миров – «соседние» варианты больше не взаимодействуют. Каждый живёт своей жизнью, и наблюдатели из каждой ветви даже не подозревают о существовании другой. То есть многомировая интерпретация утверждает: интерференция исчезает не из-за таинственного коллапса при наблюдении, а из-за расщепления единой реальности на несколько самостоятельных. При этом глобально никакая информация не теряется – в совокупности всех ветвей интерференция есть, просто нам, оказавшимся внутри одной ветви, она уже не видна.
Welcome to the Many Worlds! – шутят приверженцы этой теории. В самом деле, получается поразительный образ реальности: она подобна бесконечно ветвящемуся дереву. Каждый акт квантового «измерения» – на самом деле просто взаимодействие, запутывающее кванты с окружающей средой – раздваивает вселенную на версии, соответствующие всем возможным результатам. Мы субъективно ощущаем лишь одну из них, не видя параллельных. В такой картине никакого коллапса и объективной случайности нет – всё эволюционирует вполне детерминированно по уравнению Шрёдингера, просто состояние дел усложняется, распутываясь в гигантское древо альтернатив. Зато нет и необходимости в ретрокаузальности: ничего не пришлось изменять задним числом – все исходы и так существуют, не надо «исправлять прошлое». И фундаментальные законы остаются симметричны во времени: квантовая динамика обратима, никаких привилегированных направлений времени. Проблема лишь в том, что мы – часть системы, и, пройдя точку ветвления, уже не можем заглянуть в другую ветвь. Именно невозможность «склеить» декогерировавшие миры делает в каждой из них событие необратимым для местных жителей. Но глобально, с «вненаучной» точки зрения, ничего не теряется и не нарушается.
Многомировая интерпретация наглядно объясняет и квантовый ластик: когда фотоны запутались с метками, система начала ветвиться – фактически появилось два мира: «фотон прошёл слева, метка показала слева» и «фотон справа, метка справа». Без ластика они и остались бы несвязными – и интерференции бы не было. Но «стирая» метку в таком квантовом ключе, мы, грубо говоря, сводим две ветви обратно воедино – перемешиваем их так, что исходные варианты пути уже не различить. В результате квантовые альтернативы снова могут интерферировать, ведь они снова как бы внутри одной общей волновой функции. При этом никаких парадоксов: ни машина времени, ни мультивселенский гуманоид не вмешивались – просто мы грамотно воспользовались возможностями квантовой динамики, которая, если не произошла окончательная декогеренция с огромным числом степеней свободы, позволяет «разветвлять и сводить обратно» состояния. Такой эксперимент – прекрасная иллюстрация не мистики, а технических тонкостей квантовой теории. Он показывает, что важно именно окружение: если измерение пути фотона сразу записать на макроскопический прибор или человеческий глаз, то процесс вовлекает столько степеней свободы, что обратного пути нет – информация о пути расползлась по миллиардам атомов, произошла необратимая декогеренция, и никаким ластиком ее не собрать. Потому в обычной жизни квантовая неопределённость так незаметна. А в лабораторных условиях с единичными квантами – пожалуйста, можно поиграть с возможностью «заглянуть или не заглянуть» в микромир и убедиться, как тонко она управляет наблюдаемым результатом.
Итак, мы видим, что центральное место во всех этих феноменах занимает информация. Знать или не знать – вот что меняет поведение квантового объекта. Фотон, пролетающий сквозь щели, «решает» вести себя как частица или как волна, в зависимости от того, может ли кто-то (пусть даже бездушный прибор) узнать его секрет. Невольно вспоминается вопрос: «Делает ли звук падающее дерево в лесу, если некому слышать?» Квантовая физика подталкивает к ответу: нет, не делает – до измерения не то что звука, самого события падения в определённом смысле нет. Джон Уилер, о котором мы уже вспоминали, любил говорить об участии наблюдателя в построении реальности и даже рисовал символическую букву U, у которой глаз смотрящего является частью контура – Вселенная, наблюдающая саму себя. Он ввёл афористичный принцип «It from bit» – «бит порождает объект». Иначе говоря, всё «вещное» (it) происходит из информационных битов – ответов на да/нет вопросы, которые задаёт мир. В конечном счёте, по Уилеру, «все вещи физического мира информационно-теоретичны по своей природе». Сначала кажется, что это уж слишком радикально. Но по мере развития науки становится понятно: информация – такая же физическая сущность, как материя и энергия. Роль информации проявляется не только в квантовых курьёзах, но и в основе других фундаментальных законов. Например, во второй половине XX века Рольф Ландауэр показал, что у информации есть энергетическая цена: для стирания одного бита информации требуется затратить энергию не меньше kT·ln2 (постоянная Больцмана, температура, ln2). Этот результат, известный как принцип Ландауэра, не только решил печально известный парадокс «демона Максвелла», но и утвердил идею, что обработка информации – процесс физический. Информация не эфемерна: чтобы её записать, нужен материальный носитель, чтобы удалить – нужно рассеять тепло. Фраза Ландауэра «информация физична» стала девизом новой эры, где термины из информатики вдруг проникли в термодинамику.
Ещё ярче связь информации и физической реальности проявилась в гравитации. В 1970-х Джейкоб Бекенштейн предположил, а Стивен Хокинг подтвердил расчётами, что у чёрной дыры есть энтропия – колоссальная, пропорциональная площади горизонта. Энтропия – мера информации о системе (или, точнее, меры нашей неопределённости относительно её микросостояний). Оказалось, что чёрная дыра – предельно возможный накопитель информации: на каждый квадратный сантиметр площади горизонта приходится примерно
Мы подходим к довольно ошеломляющему, но в то же время изящному мировоззрению. Реальность предстаёт как нелокальная информационная структура, эдакая гигантская квантовая сеть. Квантовая физика учит, что объекты не обладают свойствами сами по себе – только в контексте взаимодействий. Наблюдение – это извлечение информации, и именно информация составляет ткань мироздания. На фундаментальном уровне нет чёткой грани между «тем, кто смотрит» и «тем, на что смотрят» – идёт обмен квантами информации, который и рисует события. В многомировом контексте это приобретает ещё более богатый оттенок: весь мультивселенский волновой функционал можно вообразить как колоссальную волну информации, которая разветвляется, интерферирует, образует устойчивые конфигурации – в том числе те, что мы называем «материя», «энергия» и даже «пространство» с «временем». Далёкие части этой структуры могут быть связаны узлами запутанных битов – отсюда нелокальность. Но все эти связи не нарушают причинности, если правильно понимать время как ещё одну координату в единой системе. Мы привыкли мыслить объектами: вот частица, вот волна. А природа на самом глубоком уровне может быть вовсе не объектной, а реляционной – то есть состоящей из связей, отношений, корреляций. Что такое электрон? Набор квантовых чисел, набор возможных взаимодействий с другими частицами, иначе говоря – пучок информации о взаимосвязях. Реальность в таком представлении напоминает огромное вычисление, квантовый компьютер, непрерывно порождающий новые ветви реальности. Это сравнение недалеко от истины: уравнения квантовой теории близки к вычислительным алгоритмам, а законы сохранения – к сохранению информации.
Конечно, многое здесь – рамки гипотез и интерпретаций. Но они невероятно элегантно вписываются в уже известные факты. Нет нужды призывать мистику или загонять странности под ковер – наоборот, каждая загадка (будь то дуализм или «жуткое дальнодействие») становится естественной чертой информационной Вселенной. Волна или частица? – это просто два языка описания единой квантовой информации. Локальные или нет взаимодействия? – на фундаментальном уровне вся Вселенная нелокальна, потому что есть единая волновая функция на всех, просто нам привычен приближённый «локальный» мир классических сигналов. Где граница между квантовым и классическим? – там, где информация безнадёжно рассеивается в окружении (декогеренция); но принципиальной черты нет, просто сложность системы. Почему математические законы такие вероятностные? – потому что, как говорил Бор, речь идёт о нашем знании. Вероятность – это мера информации, а квантовые амплитуды – способ её обновления при получении новых данных (тот самый да/нет – бит – ответ на поставленный экспериментом вопрос). В пределе, возможно, удастся понять и сами пространство с временем как производные понятия от квантовых связей (есть намёки через голографию, через энтропийную гравитацию). Тогда картина замкнётся: it from bit, бытие из информации.
Мы начали с простого луча света через две щели, а пришли к идее, что реальность – не механизм из шариков, а развёрнутый во времени процесс получения ответов на бесконечное число «да/нет» вопросов, формирующих бытие. Возможно, конечный ответ на вопрос Уилера «How come existence?» – «Существование есть потому, что есть информация». Каждая частица – регистрация ответа (факт события!) на некий вопрос. Нет вопроса – нет и частицы, только поле потенциальных возможностей. И мы с вами – тоже участники этой великой игры двадцать вопросов, где Вселенная спрашивает саму себя. Что ж, по крайней мере теперь мы знаем, как задать хорошие вопросы – у нас есть квантовая теория, и, как показывает опыт, она никогда не врёт о результатах. Просто иногда отвечает загадками… Но в этих загадках всё меньше мистики и всё больше понимания: шаг за шагом физика строит неудивительно стройный, хотя и немыслимо странный образ мира. Мир, который одновременно и материальный, и нематериальный; локальный и целостный; простой в уравнениях и бесконечно богатый в проявлениях. И информация выступает тем общим знаменателем, который связывает воедино эти кажущиеся противоположности. Недаром еще Нильс Бор отмечал: противоположность глубокой истины – тоже глубокая истина. Квантовая революция научила нас принимать дуализм и комплементарность. Теперь она учит нас тому, что знание и бытие – две стороны одной реальности. Разгадка, похоже, в том, что всё есть информация, а мы – всего лишь её носители и хранители, наблюдатели и участники одновременно.
Источники:
R.P. Feynman, R.B. Leighton, M. Sands. The Feynman Lectures on Physics, Vol. III, Chapter 1 (1965) – Пример опыта с двумя щелями и обсуждение дуализма.
Шон Кэрролл (пер. Shkaff). «Назад в будущее? Квантовый ластик с отложенным выбором», Хабр (2019) – Разбор эксперимента квантового ластика и его интерпретации без ретрокаузальности.
Shkaff. «Многомировая интерпретация квантовой механики», Хабр (2019) – Популярное введение в основы многомировой интерпретации и декогеренцию.
tmaxx. «Неравенства Белла — физика и математика», Хабр (2021) – Детальное популярное объяснение парадокса ЭПР и экспериментов Аспекта на запутанных частицах.
Lee Billings. Explorers of Quantum Entanglement Win 2022 Nobel Prize in Physics, Scientific American (04.10.2022) – Обзор работ А. Аспекта, Дж. Клаузера и А. Цайлингера по проверке неравенств Белла.
marks. «Изменённая теория гравитации по-своему объясняет структуру Вселенной», Хабр (09.11.2016) – Описание идеи энтропийной (эмерджентной) гравитации Эрика Верлинде и связь гравитации с информацией.
Rachel Thomas. It from bit?, Plus Magazine (Dec 2015) – Очерк о концепции «It from bit», Дж. А. Уилер и информационной природе реальности.