10 мифов о квантовой Вселенной

На фундаментальном уровне даже абсолютно пустое пространство заполнено квантовыми полями, которые влияют на значение энергии нулевых колебаний вакуума. Пока мы не узнаем, как выполнять эти вычисления, мы должны либо сделать некие предположения о значениях, которые мы получаем, либо признать, что все же не знаем, как выполнить такие вычисления. (Иллюстрация: NASA/CXC/M.WEISS)

Автор: Итан Сигел

Опубликовано: Форбс, 11 июля 2020

На протяжении веков считалось, что законы физики полностью детерминированны. Если бы мы знали, где находится каждая частица, как быстро она движется и каковы силы взаимодействия между частицами в некоторый момент времени, мы могли бы точно сказать, где все частицы будут находиться и что с ними будет происходить в любой момент времени в будущем. От Ньютона и до Максвелла в законах, управляющих Вселенной, не было никакой встроенной, неотъемлемой неопределенности. Все наши вычислительные ограничения были лишь следствием ограниченности наших знаний, объема и точности измерений, а также вычислительных мощностей.

Но все изменилось чуть более 100 лет назад. Начиная с изучения радиоактивности до фотоэффекта и поведения света при прохождении через двойную щель мы начали осознавать, что обычно можем предсказать лишь вероятность различных исходов, возникающих вследствие квантовой природы нашей Вселенной. Но вместе с этой новой, неинтуитивной картиной реальности возникло множество мифов и заблуждений.

Вот научный разбор 10 из них.

Сделаем трек, в котором внешние магнитные рельсы направлены в одну сторону, а внутренние — в другую. Объект из сверхпроводника II типа будет левитировать, оставаясь над или под треком, и двигаться вдоль него. В принципе, этот механизм можно было бы масштабировать, чтобы реализовать движение без сопротивления на больших масштабах, если будут созданы сверхпроводники, работающие при комнатной температуре. (Фото: Генри Мюльпфордт/ TU Dresden)

1.) Квантовые эффекты происходят только на малых масштабах

Когда мы думаем о квантовых эффектах, мы обычно представляем себе отдельные частицы (или волны) и все те странные свойства, которые они проявляют. Но существуют крупномасштабные, макроскопические эффекты, которые по своей природе являются квантовыми.

Проводящие металлы, охлажденные ниже определенной температуры, становятся сверхпроводниками: их электрическое сопротивление падает до нуля. Создание сверхпроводящих треков, над которыми левитируют и перемещаются по кругу магниты, никогда не замедляясь, сегодня является рутинным студенческим научным проектом, основанным на сугубо квантовых эффектах.

Сверхтекучие жидкости могут создаваться в макроскопических масштабах, как и «квантовые барабаны», которые одновременно вибрируют и не вибрируют. За последние 25 лет было присуждено 6 Нобелевских премий за различные макроскопические квантовые явления.

Уровни энергии в атоме лютеция-177. Обратите внимание, что существуют только определенные, дискретные уровни энергии, которые являются допустимыми. Хотя уровни энергии дискретны, положения электронов — нет. (Иллюстрация: М.С. Литц и Г. Меркель, Армейская исследовательская лаборатория)

2.) «Квантовый» всегда означает «дискретный»

Идея о том, что материю (или энергию) можно разбить на отдельные порции, или кванты, является важной концепцией в современной физике. Но эта идея не полностью описывает то, что значит быть «квантовым» по своей природе. Например, рассмотрим атом. Атомы состоят из атомных ядер, с которыми связаны электроны.

Теперь подумайте над таким вопросом: где находится электрон в любой момент времени?

Несмотря на то, что электрон является квантовым объектом, его положение не определено, пока вы его не измерите. Возьмите множество атомов и свяжите их вместе (например, в проводнике), и вы часто обнаружите, что, хотя существуют дискретные энергетические уровни, которые занимают электроны, их положение внутри проводника может оказаться буквально где угодно. Многие квантовые эффекты имеют непрерывную природу, и вполне возможно, что пространство-время на фундаментальном, квантовом уровне также непрерывно.

Создав два запутанных фотона из уже существующей системы и разделяя их на огромные расстояния, мы можем «телепортировать» информацию о состоянии одного из них, измеряя состояние другого, из абсолютно разных локаций. Интерпретации квантовой физики, требующие как локальности, так и реализма, не могут объяснить массу наблюдений, при этом множество таких интерпретаций кажутся одинаково хорошими. (Иллюстрация: Мелисса Майстер)

3.) Квантовая запутанность позволяет информации перемещаться быстрее скорости света

Вот эксперимент, который мы можем провести:

• создаем две запутанные частицы,

• разделяем их на большое расстояние,

• измеряем определенные квантовые свойства (например, спин) одной частицы на нашем конце,

• и мы можем мгновенно узнать некоторую информацию о квантовом состоянии другой частицы, то есть быстрее скорости света.

Вот в чем суть этого эксперимента: никакая информация не передается быстрее скорости света. Все, что здесь происходит, это то, что измеряя состояние одной частицы, вы ограничиваете вероятные исходы для другой частицы. Если кто-то на другом конце пойдет и измерит другую частицу, он никак не узнает, что первая частица была измерена и запутанность разрушена. Единственный способ определить, была ли нарушена запутанность или нет, — это снова свести результаты обоих измерений вместе, но этот процесс может происходить только со скоростью света или медленнее. Никакая информация не может передаваться быстрее света; это было доказано в теореме 1993 года.

В традиционном мысленном эксперименте с котом Шрёдингера вы не знаете, произошел ли квантовый распад, приведший к гибели кота, или нет. Внутри коробки кот будет либо жив, либо мертв, в зависимости от того, распалась радиоактивная частица или нет. Если бы кот был истинной квантовой системой, он не был бы ни жив и ни мертв, а находился бы в суперпозиции обоих состояний до момента наблюдения. Однако вы никогда не сможете наблюдать кота одновременно и мертвым, и живым. (Иллюстрация: Dhatfield / Wikimedia Commons)

4.) Суперпозиция фундаментальна для квантовой физики

Представим, что у нас есть несколько возможных квантовых состояний, в которых может находиться система. Она может находиться в состоянии «А» с вероятностью 55%, в состоянии «B» с вероятностью 30% и в состоянии «C» с вероятностью 15%. Однако, когда вы проводите измерение, вы никогда не видите смеси этих возможных состояний; вы получаете только один исход: либо «А», либо «B», либо «C».

Суперпозиции невероятно полезны в качестве промежуточных вычислительных шагов для определения возможных исходов (и их вероятностей), но мы никогда не можем измерить их напрямую. Кроме того, суперпозиции применяются не ко всем измеряемым величинам одинаково: у вас может быть суперпозиция импульсов, но не положений, или наоборот. В отличие от запутанности, которая является фундаментальным квантовым явлением, суперпозиция не является количественно измеряемой.

Различные квантовые интерпретации и соответствующие им параметры различных квантовых свойств для каждой интерпретации. Несмотря на их различия, не существует известных на сегодняшний день экспериментов, которые могли бы отличить эти различные интерпретации друг от друга, хотя некоторые интерпретации (например, те, что включают локальные, реальные, детерминированные скрытые переменные) могут быть исключены. (Изображение: Wikipedia)

Дополнение от avshkol: Информация с изображения об интерпретациях квантовой физики, переведенная на русский, в табличном формате:

В таблице переведены термины:

• Agnostic означает, что конкретная интерпретация квантовой механики не делает однозначного утверждения о данном свойстве системы. То есть интерпретация не принимает позицию “да” или “нет”, оставляя вопрос открытым. В таблице обозначено как «Не определено»

• Ill-posed (Некорректно поставленный вопрос или «Неприменимо»). Вопрос не имеет смысла в рамках данной интерпретации. Например, в многомировой интерпретации вопрос о «контрфактуальной определённости» некорректен, так как все возможности реализуются.

• Phenomenological (Феноменологический). Коллапс волновой функции рассматривается как описание наблюдаемых явлений, без утверждения о его физической реальности (как в теории де Бройля-Бома).

• Causal (Причинный). Наблюдатель активно, своим действием вызывает коллапс волновой функции (как в копенгагенской интерпретации).

• Interpretational, «Зависит от интерпретации». Роль наблюдателя определяется выбранной интерпретацией, а не является фундаментальным свойством.

• Intrinsic, «Внутренний» или «Присущий системе». Наблюдение является неотъемлемым свойством самой квантовой системы, не требующим внешнего наблюдателя (как в QBism).

Интерпретация	Автор(ы)	Детерминированность?	Волновая функция реальна?	Уникальная история?	Скрытые параметры?	Коллапс волновой функции?
Статистическая (ансамблевая) интерпретация	Макс Борн, 1926	Не определено	Нет	Да	Не определено	Нет
Копенгагенская интерпретация	Нильс Бор, Вернер Гейзенберг, 1927	Нет	Нет	Да	Нет	Да
Теория де Бройля – Бома	Луи де Бройль, 1927, Дэвид Бом, 1952	Да	Да	Да	Да	Феноменологи-ческий
Квантовая логика	Гаррет Биркгоф, 1936	Не определено	Не определено	Да	Нет	Нет
Время-симметричные теории	Сатоси Ватанабэ, 1955	Да	Да	Да	Да	Нет
Многомировая интерпретация	Хью Эверетт, 1957	Да	Да	Нет	Нет	Нет
Сознание вызывает коллапс	Юджин Вигнер, 1961	Нет	Да	Да	Нет	Да
Стохастическая интерпретация	Эдвард Нельсон, 1966	Нет	Нет	Да	Да	Нет
Интерпретация многих сознаний	Х. Дитер Це, 1970	Да	Да	Нет	Нет	Нет
Согласованные истории	Роберт Б. Гриффитс, 1984	Нет	Нет	Нет	Нет	Нет
Транзакционная интерпретация	Джон Г. Крамер, 1986	Нет	Да	Да	Нет	Да
Теории объективного коллапса	Гирарди – Римини – Вебер, 1986, интерпретация Пенроуза, 1969	Нет	Да	Да	Нет	Да
Реляционная интерпретация	Карло Ровелли, 1994	Не определено	Нет	Не определено	Нет	Да
QBism, Квантовый байесизм	Кристофер Фукс, Рудигер Шак, 2010	Нет	Нет	Не определено	Нет	Да

Продолжение таблицы:

Интерпретация	Автор(ы)	Роль наблюдателя	Локальность?	Контрфактическая определённость?	Существует универсальная волновая функция?
Статистическая (ансамблевая) интерпретация	Макс Борн, 1926	Нет	Нет	Нет	Нет
Копенгагенская интерпретация	Нильс Бор, Вернер Гейзенберг, 1927	Причинная	Нет	Нет	Нет
Теория де Бройля – Бома	Луи де Бройль, 1927, Дэвид Бом, 1952	Нет	Нет	Да	Да
Квантовая логика	Гаррет Биркгоф, 1936	Интерпрета-ционная	Не определено	Нет	Нет
Время-симметричные теории	Сатоси Ватанабэ, 1955	Нет	Да	Нет	Да
Многомировая интерпретация	Хью Эверетт, 1957	Нет	Да	Некорректно поставлен	Да
Сознание вызывает коллапс	Юджин Вигнер, 1961	Причинная	Нет	Нет	Да
Стохастическая интерпретация	Эдвард Нельсон, 1966	Нет	Нет	Да	Нет
Интерпретация многих сознаний	Х. Дитер Це, 1970	Интерпрета-ционная	Да	Некорректно поставлен	Да
Согласованные истории	Роберт Б. Гриффитс, 1984	Нет	Да	Нет	Да
Транзакционная интерпретация	Джон Г. Крамер, 1986	Нет	Нет	Да	Нет
Теории объективного коллапса	Гирарди – Римини – Вебер, 1986, интерпретация Пенроуза, 1969	Нет	Нет	Нет	Нет
Реляционная интерпретация	Карло Ровелли, 1994	Внутренняя	Да	Нет	Нет
QBism, Квантовый байесизм	Кристофер Фукс, Рудигер Шак, 2010	Внутренняя	Да	Нет	Нет

5.) Нет ничего плохого в том, что мы выбираем ту квантовую интерпретацию, которая нам нравится

Физика оперирует с тем, что вы можете предсказать, наблюдать и измерить в этой Вселенной. Однако в квантовой физике существует несколько способов представить то, что происходит на квантовом уровне, и все они одинаково хорошо согласуются с экспериментами. Реальность может быть:

• серией квантовых волновых функций, которые мгновенно «коллапсируют» при проведении измерения,

• бесконечным ансамблем квантовых волн, где измерение выбирает одного члена ансамбля,

• суперпозицией движущихся вперед и назад потенциалов, которые встречаются в «квантовом рукопожатии»,

• бесконечным числом возможных миров, соответствующих возможным исходам, где мы просто занимаем один путь,…
  есть и другие интерпретации.

Однако выбор одной интерпретации вместо другой не учит нас ничему, кроме, возможно, проявления наших собственных человеческих предубеждений. Лучше изучать то, что мы можем наблюдать и измерять при различных условиях, что является физически реальным, чем предпочитать интерпретацию, которая не дает никаких экспериментальных преимуществ по сравнению с любой другой.

Квантовая телепортация — эффект (ошибочно) рекламируемый как путешествие быстрее света. В действительности, никакой обмен информацией не происходит быстрее света. Однако это явление реально и соответствует предсказаниям всех жизнеспособных интерпретаций квантовой механики. (Изображение: Американское физическое общество)

Дополнение от avshkol: Объяснение приведенной выше схемы квантовой телепортации

1. Создание запутанных фотонов
   UV-импульс (ультрафиолетовый луч) создает пару запутанных фотонов (A и B). Эти фотоны квантово связаны: что происходит с одним, мгновенно отражается на другом. Фотон A направляется к Алисе, фотон B — к Бобу

2. Подготовка сообщения
   У Алисы есть фотон M с поляризацией 45° — это «сообщение», которое нужно телепортировать. Поляризация — это направление колебаний света, как ориентация волны.

3. Измерение у Алисы
   Алиса смешивает фотон M с фотоном A на сплиттере (устройство, разделяющее свет). Она измеряет результат на детекторах 1 и 2. Это измерение разрушает исходное состояние фотона M, но дает Алисе информацию о его поляризации.

4. Передача информации
   Алиса отправляет Бобу результаты своих измерений обычным способом (по телефону, интернету, т.е. со скоростью света или медленнее) Это важный момент: без такой классически переданной информации Боб не сможет восстановить телепортированное состояние

5. Восстановление у Боба
   Боб получает фотоны от своих детекторов поляризации (45° и 135°) Используя информацию от Алисы, он применяет нужное преобразование к фотону B. Фотон B принимает точно такое же состояние, которое было у фотона M.

Почему здесь ничего не происходит быстрее света? Хотя запутанные фотоны связаны мгновенно, Боб не может использовать фотон B без информации от Алисы. А эта информация передается обычным способом, со скоростью света или медленнее. Поэтому никакой полезной информации не передается быстрее света. Что имеем в итоге: квантовая телепортация — это передача квантового состояния частицы на расстояние, но не передача материи и не передача информации быстрее скорости света.

6.) Телепортация возможна благодаря квантовой механике

На самом деле существует реальное явление, известное как квантовая телепортация, но оно определенно не означает, что физически возможно телепортировать материальный объект из одного места в другое. Если вы возьмете две запутанные частицы и оставите одну рядом, а другую отправите в желаемое место назначения, вы можете телепортировать информацию из неизвестного квантового состояния на одном конце в другой.

Однако этот способ имеет большие ограничения: это работает только для отдельных частиц, а телепортироваться может только информация о неопределенном квантовом состоянии, а не какая-либо физическая материя. Даже если бы вы могли масштабировать это для передачи квантовой информации, кодирующей целого человека, нужно понимать, что передача информации — это не то же самое, что передача материи: вы никогда не сможете телепортировать человека с помощью квантовой телепортации.

Эта диаграмма иллюстрирует соотношение неопределенностей между положением и импульсом. Когда один из них известен более точно, другой по своей квантовой сути менее поддается точному определению. (Иллюстрация: Maschen / Wikimedia Commons)

7.) В квантовой Вселенной всё неопределенно

В квантовой Вселенной некоторые параметры неопределенны, но многие чрезвычайно четко определены и хорошо известны. Если взять, к примеру, электрон, то вы не можете ни при каких обстоятельствах одновременно и точно знать:

• его положение и его импульс,

• или его момент импульса в нескольких взаимно перпендикулярных направлениях.

Но некоторую информацию об электроне можно знать точно! Мы можем знать его массу покоя, электрический заряд или время жизни (которое представляется бесконечным) с абсолютной точностью.

Единственные вещи, которые являются неопределенными в квантовой физике, — это пары физических величин, между которыми существует определенная связь, или пары сопряженных переменных. Вот почему существуют соотношения неопределенностей между энергией и временем, напряжением и свободным зарядом, или моментом импульса и угловым положением. Хотя многие пары величин имеют неотъемлемую неопределенность между собой, некоторые величины по-прежнему известны точно.

Собственная ширина, или половина ширины пика на приведенном выше изображении, когда вы находитесь на полпути к вершине, измерена как 2,5 ГэВ: неотъемлемая неопределенность около +/- 3% от общей массы. (Данные: Коллаборация ATLAS)

Подробнее о приведенной диаграмме (комментарий avshkol)

На графике показано, как часто рождаются Z-бозоны с разной массой. Пик на 91 ГэВ — большинство Z-бозонов имеют массу около 91 ГэВ (гигаэлектронвольт). Не все Z-бозоны имеют точно 91 ГэВ. Некоторые легче (70-85 ГэВ), некоторые тяжелее (95-100 ГэВ). Это видно по “колоколу” вокруг пика.

Почему есть разброс? Z-бозон живет невероятно мало (около 10^-25 секунды). Из-за такой короткой жизни его масса не может быть точно фиксированной, и это фундаментальное свойство квантового мира.

На половине высоты пика его ширина составляет около 2,5 ГэВ. Это означает, что масса Z-бозона “размазана” примерно на 3% от его среднего значения. Заштрихованная область (расчет, компьютерное моделирование) совпадает с реальными данными (точки). Это подтверждает, что Стандартная модель физики частиц работает.

8.) Каждая частица одного типа имеет одинаковую массу

Если бы мы могли взять две идентичные частицы, например, два протона или два электрона, и положить их на идеально точные весы, одна из них всегда бы имела точно такую же массу, как и другая. Но это только потому, что протоны и электроны являются стабильными частицами с бесконечным временем жизни.

Если бы вместо этого вы взяли нестабильные частицы, которые распадаются через короткое время, например, два топ-кварка или два бозона Хиггса, и положили их на идеально точные весы, вы бы не получили одинаковых значений. Это происходит потому, что существует неотъемлемая квантовая неопределенность между энергией и временем: если частица живет лишь конечное количество времени, то существует неопределенность в количестве энергии (и, следовательно, согласно E = mc², массы покоя), которую имеет частица. В физике элементарных частиц мы называем это «шириной» частицы, и это может приводить к тому, что собственная масса частицы будет неопределенной вплоть до нескольких процентов.

Нильс Бор и Альберт Эйнштейн беседуют на разные темы дома у Пауля Эренфеста в 1925 году. Дебаты Бора и Эйнштейна стали одним из самых значимых событий во времена развития идей квантовой механики. Сегодня Бор наиболее известен своим вкладом в квантовую физику, а Эйнштейн больше известен вкладом в теорию относительности и эквивалентность массы и энергии. Что касается личности обоих, они, помимо научных достоинств, обладали и недостатками как в профессиональной, так и в личной жизни. (Фото: Пауль Эренфест)

9.) Сам Эйнштейн отрицал квантовую механику

Действительно, Эйнштейну принадлежит известное высказывание о том, что «Бог не играет в кости со Вселенной». Но спорить против фундаментальной случайности, присущей квантовой механике, а именно об этом был контекст приведенной цитаты, значит спорить о том, как интерпретировать квантовую механику, а не выступать против самой квантовой механики.

В действительности, суть аргумента Эйнштейна заключалась в том, что во Вселенной может быть больше законов, чем мы можем наблюдать в настоящее время, и если бы мы смогли понять правила, которые мы еще не открыли, возможно, то, что здесь и сейчас кажется нам случайностью, могло бы раскрыть более глубокую, неслучайную истину. Хотя эта позиция не дала полезных результатов, исследования основ квантовой физики продолжаются и остаются активной областью науки, успешно исключающей ряд интерпретаций, предполагающих «скрытые переменные», присутствующие во Вселенной.

Сегодня диаграммы Фейнмана используются при расчете каждого фундаментального взаимодействия, охватывающего сильное, слабое и электромагнитное взаимодействия, в том числе в условиях высоких энергий и низких температур/конденсированных состояний. Но это не может быть точной картиной. (Иллюстрация: DE CARVALHO, VANUILDO S. ET AL.)

10.) Обмены частицами в квантовой теории поля полностью описывают нашу Вселенную

Этот «маленький грязный секрет» квантовой теории поля, которому физики учатся в аспирантуре, всего лишь просто технический прием, который мы чаще всего используем для расчета взаимодействий между любыми двумя квантовыми частицами. Мы визуализируем их как частицы, которыми обмениваются два кванта, наряду со всеми возможными дальнейшими обменами, которые могут произойти в качестве промежуточных шагов.

Если бы мы могли экстраполировать это на все возможные взаимодействия, то есть на то, что ученые называют произвольными порядками петель, мы бы получили бессмыслицу. Этот метод является лишь приближением: асимптотическим, несходящимся рядом, который перестает работать после определенного количества членов. Это очень полезная картина мира, но фундаментально неполная. Идея обмена виртуальными частицами убедительна и интуитивно понятна, но вряд ли является окончательным ответом на все вопросы.