Нужна ли философам квантовая теория?

Классическая физика — в полном согласии со здравым смыслом — рассматривает объективный мир, который существует «там, вовне». Этот мир эволюционирует ясным и детерминистским образом, управляемый точно сформулированными математическими уравнениями. Это также верно для теорий Максвелла и Эйнштейна, как и для исходной ньютоновской схемы. При этом считается, что физическая реальность существует независимо от нас самих, и как бы мы ни смотрели на классический мир — ничего в нем от этого не изменится. Кроме того, наше тело и наш головной мозг сами являются частью этого мира — а значит, эволюционируют в соответствии с теми же точными и детерминистскими классическими уравнениями. Все наши действия должны строго описываться этими уравнениями независимо от наших представлений о свободной сознательной воле, которой мы обладаем и которая может оказывать влияние на наше поведение.

Такая картина лежит, по-видимому, в основе самых серьезныхфилософских рассуждений по поводу природы реальности, нашего чувственного восприятия и нашей кажущейся свободы воли. Однако у некоторых возникает ощущение, что определенная роль должна быть отведена и квантовой теории — фундаментальной, но вызывающей смятение в умах картины мира, возникшей в первой четверти XX века, когда были обнаружены тончайшие расхождения между наблюдаемыми явлениями и их описаниями, которые предлагала классическая физика. У многих термин «квантовая теория» вызывает лишь смутные ассоциации с «принципом неопределенности», который говорит о невозможности точного описания системы на уровне частиц, атомов или молекул, позволяя использовать здесь лишь вероятностный подход. Как мы увидим в дальнейшем, квантовое описание является точным, хотя и радикально отличающимся от классического. Кроме того, мы обнаружим, что несмотря на общепринятое убеждение, вероятности не возникают на микроскопическом уровне (движение частиц, молекул и атомов происходит детерминистично), а появляются в результате некоторого загадочного крупномасштабного действия, ответственного за существование классического макромира, доступного нашим ощущениям. Мы должны попытаться понять это и выяснить, как квантовая теория изменяет наши взгляды на физическую реальность.

Можно было бы подумать, что квантовая теория вносит лишь незначительные поправки в описание физических явлений по сравнению с классической физикой. Но в действительности лишь благодаря этим поправкам могут существовать многие явления, происходящие в обычных масштабах. Само существование твердых тел, упругость и другие свойства материалов, химические свойства, цвет вещества, явления замерзания и кипения, устойчивость наследственности — эти и многие другие знакомые нам явления невозможно объяснить без привлечения квантовой теории. Возможно, что и феномен сознания есть нечто, что нельзя объяснить, оставаясь в рамках классических представлений. Не исключено, что наш разум есть не просто элемент в игре так называемых «объектов» классической структуры, а скорее представляет собой качество, сущность которого коренится в необычных и удивительных особенностях физических законов, управляющих нашим миром. Пожалуй, что мы, как разумные существа, скорее должны были бы жить в квантовом, нежели в классическом мире, несмотря на все его богатство, разнообразие и удивительность. Возможно, что квантовый мир необходим, чтобы из обычного вещества можно было бы создать нас — чувствующих и мыслящих существ. Это — вопрос скорее к Богу, вознамерившемуся сотворить обитаемую вселенную, чем к нам! Но все это имеет непосредственное отношение и к нам. Если классический мир не есть нечто, частью чего могло бы быть наше сознание, то различия между классической и квантовой физикой должны каким-то образом влиять и на наш разум. К рассмотрению этой проблемы я еще вернусь позже.

Для того, чтобы основательно углубиться в философские вопросы и понять, как ведет себя наш мир и каково строение «разума», т. е. «нас самих», мы должны ближе познакомиться с квантовой теорией — самой точной и загадочной из физических теорий. Настанет время, когда наука достигнет более глубокого понимания природы, чем то, которое предлагает нам квантовая теория. Лично я склонен полагать, что квантовая механика есть лишь промежуточный и во многом еще неадекватный шаг на пути построения полной картины реального мира. Но это не освобождает нас от необходимости включения представлений квантовой теории в философскую картину реальности.

К сожалению, многие физики-теоретики придерживаются различных (но равноправных с точки зрения эксперимента) точек зрения относительно актуальности такой картины. Последователи Нильса Бора утверждают, что объективной картины реального мира не существует. С точки зрения квантовой теории «там, вовне» ничего не существует . Реальность же каким-то образом возникает только в связи с результатами «измерений». Согласно этой точке зрения квантовая теория представляет собой лишь вычислительную процедуру и не пытается описывать мир таким, каков он есть в действительности. Такое отношение к теории, на мой взгляд, является пораженческим, и я буду следовать позитивистскому способу рассмотрения, согласно которому объективная физическая реальность может быть описана квантовыми терминами: квантовым состоянием .

Существует точное уравнение — уравнение Шредингера , которое описывает полностью причинно обусловленную временну́ю эволюцию этого состояния. Но взаимоотношение между изменяющимся во времени квантовым состоянием и наблюдаемым реальным миром происходит довольно странным образом. Время от времени — всякий раз, как только мы делаем заключение, что «измерение» уже произведено, мы вынуждены отказываться от того самого квантового состояния, за эволюцией которого мы наблюдали и использовать его только для вычисления вероятности, что оно скачком «перейдет» в одно из возможных новых состояний. В дополнение к странности этих «квантовых скачков» существует проблема того, какой должна быть физическая установка, позволяющая утверждать, что «измерение» действительно произведено. Измерительный прибор, в конечном счете, состоит из квантовых составляющих и поэтому должен эволюционировать в соответствии с уравнением Шредингера. Можно предположить, что и сами наблюдатели также построены из крохотных квантовых частиц. Является ли сознание необходимой составной частью процесса измерения? Думаю, что найдется немного физиков, готовых ответить положительно на этот вопрос.

Далее в этой главе мы рассмотрим некоторые необычные следствия этих «скачков» квантового состояния. Например, каким образом «измерение», производимое в одном месте, может вызвать «скачок» в другом удаленном месте! Но прежде нам необходимо познакомиться с еще одним необычным явлением. Допустим, что у объекта есть два различных, но совершенно равноправных маршрута движения. Если эти маршруты предоставлять ему по очереди, то он движется по ним одинаково хорошо. Но если открыть для него оба пути, то объект не может пройти ни по одному из них! Мы также рассмотрим более подробно, как реально описываются квантовые состояния, и увидим, насколько сильно это описание отличается от описания классических состояний. Например, частицы могут находиться сразу в двух местах! Мы обнаружим, насколько сложным становится квантовое описание системы многих частиц. Оказывается, что отдельная частица в такой системе не имеет определенного состояния. Только все вместе они обладают квантовым состоянием в виде сложной суперпозиции различных комбинаций друг друга. Мы увидим, как получается, что различные частицы одного типа не могут находиться в одинаковом квантовом состоянии. Мы подробно изучим необычное и сугубо квантовое свойство спин . Мы обсудим проблемы, возникающие в парадоксальном мысленном эксперименте с «кошкой Шредингера», и способы решения этой ключевой головоломки, предлагаемые разными теоретиками.

Возможно, что материал этой главы покажется читателю более сложным для восприятия и слишком специальным по сравнению с предыдущими и последующими главами. Но я не пытаюсь упростить изложение и вводить читателя в заблуждение, поэтому нам с вами предстоит поработать более серьезно, чем обычно. Это позволит нам приблизиться к подлинному пониманию квантового мира. В тех же случаях, когда изложение будет казаться вам непонятным, я советую проявить настойчивость и попытаться осознать картину в целом. Не следует отчаиваться, если вам так и не удастся достичь полного понимания, ибо трудности коренятся в самой природе излагаемого предмета!

 

Проблемы с классической теорией

Каким же образом выяснилось, что классическая физика не дает истинного описания нашего мира? Основной источник таких сведений — эксперимент. Квантовая теория не была всего лишь выдумкой теоретиков. Несмотря на огромное внутреннее сопротивление, они были вынуждены прийти к этому странному и во многом философски неудовлетворительному взгляду на окружающий нас мир. А произошло это потому, что классическая теория, несмотря на свое величие, столкнулась с серьезными трудностями. Главной из них было сосуществование физических объектов двух видов: частиц , описывающихся конечным числом параметров (шестью — тремя координатами и тремя компонентами импульсов), и полей , имеющих бесконечно большое число параметров. Такое деление в действительности оказывается физически непоследовательным. Для того, чтобы система частиц и полей пришла в состояние равновесия (или «полного покоя»), вся ее энергия должна перейти от частиц к полю. Это — проявление так называемого принципа «равномерного распределения энергии»: в равновесном состоянии вся энергия поровну распределяется между всеми степенями свободы системы. Так как поля обладают бесконечно большим числом степеней свободы, то на долю несчастных частиц вообще ничего не остается!

В этом случае классический атом был бы нестабилен, ибо движение его частиц полностью трансформировалось бы в волновые моды поля. Напомню, что в 1911 году британский физик-экспериментатор новозеландского происхождения Эрнест Резерфорд предложил модель атома, напоминающую солнечную систему. В центре такого атома подобно маленькому солнцу располагалось ядро, а вокруг него подобно планетам обращались электроны, удерживаемые на своих орбитах электромагнитными силами вместо гравитации. Фундаментальная и на первый взгляд неразрешимая проблема состояла в том, что в соответствии с уравнениями Максвелла электрон должен был за долю секунды упасть на ядро по спиральной траектории, непрерывно излучая при этом электромагнитные волны, интенсивность которых за такое малое время достигала бы бесконечной величины. Но ничего подобного не наблюдалось! То, что происходило в действительности, было необъяснимо с точки зрения классической теории. Атомы могли излучать электромагнитные волны (свет) только определенного набора частот, в виде четких спектральных линий (рис. 6.1). Более того, эти частоты удовлетворяли «безумным» правилам, не имеющим под собой никакого основания в классической теории.

Рис. 6.2. Расхождение между интенсивностью излучения нагретого тела («абсолютно черного тела»), вычисленной в рамках классической теории, и наблюдаемой интенсивностью привели Планка к началам квантовой теории

Одним из проявлений такой нестабильности системы полей и частиц стало явление, известное как «излучение абсолютно черного тела». Представьте себе объект, нагретый до определенной температуры, в котором электромагнитное излучение находится в тепловом равновесии с частицами. В 1900 году Рэлей и Джинс теоретически показали, что в этом случае вся энергия частиц должна быть без остатка «высосана» полем! Этот физически абсурдный результат получил название «ультрафиолетовой катастрофы», когда энергия безостановочно перетекает во все более и более высокочастотные колебания поля, в то время как в действительности природа никогда не ведет себя столь расточительно. Наблюдения показали, что энергия низкочастотных колебаний поля действительно соответствует предсказанию Рэлея и Джинса, но в высокочастотной части спектра (где ими была предсказана «ультрафиолетовая катастрофа») она не возрастает бесконечно, а спадает до нуля. Максимальное значение энергии при данной температуре приходится на определенную частоту или цвет (см. рис. 6.2). Хорошо знакомыми примерами этого могут служить красный цвет нагретой кочерги или желтобелый цвет раскаленного Солнца.

Рис. 6.1. Атомы нагретого вещества испускают свет, который обычно имеет лишь очень определенные частоты. С помощью призмы различные частоты можно разделить и получить характерные для атомов спектральные линии

 

Начало квантовой теории

Как же разрешить все эти загадки? Очевидно, что исходную ньютоновскую схему частиц-корпускул необходимо дополнить максвелловским полем. Можно ли встать на противоположную точку зрения и предположить, что мир построен только из полей, а частицы представляют собой не что иное, как небольшие «сгустки» поля определенного вида? Этот подход имеет свои трудности, ибо такие частицы могли бы непрерывно изменять свою форму, извиваться и совершать колебания бесконечно большим числом способов. Но ничего подобного в действительности не наблюдается. В реальном мире все частицы одного вида, по-видимому, идентичны. Например, любые два электрона тождественны. Даже атомы и молекулы могут изменять свои конфигурации только дискретно. Если частицы — это всего лишь поля, то необходимо ввести в теорию нечто новое, что заставило бы их иметь дискретные характеристики.

В 1990 году блестящий, но осторожный немецкий физик Макс Планк выдвинул революционную идею для подавления высокочастотных мод излучения «абсолютно черного тела». Идея состояла в том, что излучение и поглощение электромагнитного поля может происходить только «квантами», энергия Е которых связана с частотой v следующим соотношением:

E = hv

где h — новая фундаментальная постоянная природы, известная как постоянная Планка. Самое удивительное, что эта «бунтарская» идея позволила Планку достичь теоретического согласия с наблюдаемой зависимостью интенсивности излучения «абсолютно черного тела» от частоты (закон излучения Планка ). (По современным данным постоянная Планка очень мала и составляет около 6,6 х 10-34 Дж/с.) Смелая гипотеза Планка стала первым проблеском квантовой теории, но это событие не привлекло к себе внимания физиков до тех пор, пока Эйнштейн не выдвинул еще одну поразительную идею о том, что электромагнитное поле не только излучается, но и существует в виде таких дискретных порций. Таким образом, согласно Эйнштейну (и Ньютону, который высказывал аналогичное утверждение за два столетия раньше) свет представляет собой поток частиц! Вспомним, что в начале XIX века блестящий теоретик и экспериментатор Томас Юнг наглядно продемонстрировал волновую природу света, а Максвелл и Герц теоретически показали, что свет представляет собой колебания электромагнитного поля.

Каким образом свет может быть одновременно и частицами, и волнами? Ведь корпускулярная и волновая концепции представляются полностью противоположными. Тем не менее, одни экспериментальные факты явно указывают на то, что свет — это поток частиц, а другие на то, что свет — это волны. В 1923 году французский аристократ и проницательный физик маркиз Луи де Бройль продвинулся в этом вопросе еще дальше, высказав в своей докторской диссертации (которая снискала одобрение Эйнштейна!) идею о том, что частицы материи иногда ведут себя как волны! Частота v волны де Бройля любой частицы с массой m также удовлетворяет соотношению Планка. Комбинируя это с формулой Эйнштейна Е = m c 2 , можно найти связь частоты v с массой m :

hv = Е = mс 2 .

Таким образом, согласно идее де Бройля, раздельное существование частиц и полей, бывшее в почете у классической теории, отвергается природой! Действительно, все, что осциллирует с частотой v , может существовать только в виде дискретных порций с массой hv /c 2 . Природа каким-то образом «умудряется» построить непротиворечивый мир, в котором частицы и осцилляции поля суть одно и то же! Или, точнее, мир природы состоит из каких-то более тонких составляющих, а представления о «частице» и «волне» лишь частично отражают реальность.

Еще один яркий пример проявления соотношения Планка нашел в 1913 году Нильс Бор — датский физик и выдающийся мыслитель XX века. Правила Бора требовали, чтобы угловой момент (гл.6 «Уравнение Шредингера; уравнение Дирака») электрона на ядерной орбите мог принимать только значения, кратные величине h /2π , для которой Дирак ввел более удобное обозначение ħ :

ħ = h /2π

Таким образом, разрешены только следующие значения углового момента (относительно любой оси),

0 , ħ , 2ħ , 3ħ , 4ħ …

С учетом этого нововведения «планетарная» модель атома позволила с большой точностью вычислить частоты энергетических уровней и объяснить те «безумные» правила, которым в действительности следует природа.

Несмотря на поразительный успех, блестящая гипотеза Бора была только временной схемой, своего рода «новой заплатой на старые меха» и получила название «старой квантовой теории». Сегодняшняя квантовая физика произошла из двух независимых схем, предложенных позже немцем Вернером Гейзенбергом и австрийцем Эрвином Шредингером («матричной механики» в 1925 году и «волновой механики» в 1926 году, соответственно). Сначала две эти две схемы казались совершенно различными, но вскоре они были включены в более общую теорию как ее эквивалентные представления. Это было сделано главным образом британским физиком-теоретиком Полем Адриеном Морисом Дираком. В последующих главах мы попытаемся окинуть беглым взглядом квантовую теорию и ее необычные следствия.

 

Эксперимент с двумя щелями

Рассмотрим «архетипичный» квантовомеханический эксперимент, в котором пучок электронов, света или любых других «волн-частиц» направляется сквозь две узкие щели на расположенный позади них экран (рис. 6.3).

Рис. 6.З. Эксперимент с двумя щелями и монохроматическим светом (Обозначения на рисунке: S (англ. sourse ) — источник, t (англ. top ) — верхняя [щель], b (англ. bottom ) — нижняя [щель]. — Прим. ред .)

Для большей конкретности выберем свет и условимся называть квант света «фотоном» согласно принятой терминологии. Наиболее очевидное проявление света как потока частиц (фотонов) наблюдается на экране. Свет достигает экрана в виде дискретных точечных порций энергии, которые всегда связаны с частотой света формулой Планка: Е = hv . Энергия никогда не передается в виде «половинки» (или иной доли) фотона. Регистрация фотонов представляет собой явление типа «все или ничего». Всегда наблюдается только целое число фотонов.

Но при прохождении через две щели фотоны обнаруживают волновое поведение. Предположим, что сначала открыта только одна щель (а вторая — наглухо закрыта). Пройдя через эту щель, пучок света «рассеивается» (это явление называется дифракцией и является характерным для распространения волн). Пока еще можно придерживаться корпускулярной точки зрения и считать, что расширение пучка обусловлено влиянием краев щели, заставляющем фотоны отклоняться на случайную величину в обе стороны. Когда свет, проходящий через щель, обладает достаточной интенсивностью (число фотонов велико), то освещенность экрана кажется равномерной. Но если интенсивность света уменьшить, то можно с уверенностью утверждать, что освещенность экрана распадется на отдельные пятна — в согласии с корпускулярной теорией. Яркие пятна располагаются там, где отдельные фотоны достигают экрана. Кажущееся равномерным распределение освещенности представляет собой статистический эффект, обусловленный очень большим числом участвующих в явлении фотонов (рис. 6.4).

Рис. 6.4. Картина распределения интенсивности на экране, когда открыта только одна щель: наблюдается распределение дискретных крохотных пятнышек

(Для сравнения, 60-ваттная электрическая лампа излучает около 100 000 000 000 000 000 000 фотонов в секунду!) При прохождении через щель фотоны действительно отклоняются случайным образом. Причем отклонения на различные углы имеют различные вероятности, что и порождает наблюдаемое распределение освещенности на экране.

Но главная трудность для корпускулярной картины возникает, когда мы открываем вторую щель! Предположим, что свет излучается желтой натриевой лампой, это значит, что он имеет чистый цвет без примеси, или, если воспользоваться физическим термином, свет монохроматический, т. е. имеет одну определенную частоту, или, на языке корпускулярной картины, все фотоны имеют одну и ту же энергию. Длина волны в данном случае составляет около 5 х 10-7 м. Предположим, что щели имеют в ширину около 0,001 мм и отстоят друг от друга на расстояние около 0,15 мм, а экран находится от них на расстоянии около 1 м. При достаточно большой интенсивности света распределение освещенности все еще выглядит равномерным, но теперь в нем имеется некое подобие волнообразности, называемое интерференционной картиной — на экране примерно в 3 мм от центра наблюдаются полосы (рис. 6.5).

Рис. 6.5. Картина распределения интенсивности, когда открыты обе щели: наблюдается волнообразное распределение дискретных пятнышек

Открывая вторую щель, мы надеялись увидеть вдвое бо́льшую освещенность экрана (и это, действительно, было бы верно, если рассматривать полную освещенность экрана). Но оказалось, что теперь детальная картина освещенности полностью отлична от той, которая имела место при одной открытой щели. В тех точках экрана, где освещенность максимальна, его интенсивность оказывается не в два, а в четыре раза больше той, что была прежде. В других же точках, где освещенность минимальна, — интенсивность падает до нуля. Точки с нулевой интенсивностью, возможно, и представляют наибольшую загадку для корпускулярной точки зрения. Это те точки, которых фотон мог бы благополучно достичь, если бы открыта была только одна щель. Теперь же, когда мы открыли и вторую щель, неожиданно оказалось, что нечто помешало фотону попасть туда, куда он мог бы попасть прежде. Как могло случиться, что, предоставив фотону альтернативный маршрут, мы в действительности воспрепятствовали его прохождению по любому из маршрутов?

Если в качестве «размера» фотона принять длину его волны, то в масштабе фотона вторая щель находится от первой на расстоянии около 300 «размеров фотона» (а ширина каждой щели составляет около двух длин волн фотона) (рис. 6.6).

Рис. 6.6. Щели «с точки зрения» фотона! Разве может быть важно фотону, открыта или закрыта вторая щель, находящаяся на расстоянии около 300 «размеров фотона»?

Каким образом фотон, проходя через одну из щелей, «узнает» о том, открыта или закрыта другая щель? На самом деле, в принципе не существует предела для расстояния, на которое могут быть разнесены щели, для того, чтобы произошло явление «гашения или усиления».

Создается впечатление, что когда свет проходит через одну или две щели, он ведет себя как волна , а не как корпускула (частица)! Такое гашение — деструктивная интерференция — хорошо известное свойство обычных волн. Если каждый из двух маршрутов порознь может быть пройден волной, то когда для нее открыты оба маршрута, может оказаться, что они взаимно погасят друг друга. На рис. 6.7 показано, как это происходит.

Рис. 6.7. Чисто волновая картина позволяет нам осмыслить распределение светлых и темных полос на экране (но не дискретность) на языке интерференции волн

Когда какая-то часть волны, пройдя через одну из щелей, встречает часть волны, прошедшую через другую щель, то они усиливают друг друга, если находятся «в фазе» (т. е. если встречаются два гребня или две впадины), или гасят друг друга, если они находятся «в противофазе» (т. е. гребень одной части встречается с впадиной другой). В эксперименте с двумя щелями яркие места на экране возникают там, где расстояния до щелей отличаются на целое число длин волн так, что гребни приходятся на гребни, а впадины — на впадины, а темные места возникают там, где разность этих расстояний равна полуцелому числу длин волн так, что гребни встречаются с впадинами, а впадины — с гребнями.

Нет ничего загадочного в поведении обычной макроскопической классической волны, проходящей одновременно через две щели. Волна в конечном счете представляет собой всего лишь «возмущение» либо некоторой непрерывной среды (поля), либо некоторого вещества, состоящего из мириад крохотных точечных частиц. Возмущение может частично пройти через одну щель, частично через другую щель. Но в корпускулярной картине ситуация иная: каждый отдельный фотон сам по себе ведет себя, как волна! В некотором смысле каждая частица проходит сразу через обе щели и интерферирует сама с собой ! Ибо, если значительно уменьшить полную интенсивность света, то можно гарантировать, что вблизи щелей будет находиться не более одного фотона одновременно. Явление деструктивной интерференции, когда два альтернативных маршрута каким-то образом «ухитряются» исключить друг друга из числа реализованных возможностей, есть нечто, применимое к одному фотону. Если для фотона открыт только один из двух маршрутов, то фотон может пройти по нему. Если открыт другой маршрут, то фотон может пройти второй вместо первого маршрута. Но если перед фотоном открыты оба маршрута, то эти две возможности чудесным образом исключают друг друга, и оказывается, что фотон не может пройти ни по одному из маршрутов!

Настоятельно советую читателю остановиться и вдуматься в смысл этого необычного факта. Дело не в том, что свет ведет себя в одних случаях как волны, а в других как частицы. Каждая частица в отдельности сама по себе ведет себя, как волна; и различные альтернативные возможности, открывающиеся перед частицей, иногда могут полностью уничтожать друг друга!

Действительно ли фотон расщепляется на два и частично проходит через одну щель, а частично — через другую? Большинство физиков будут возражать против такой постановки вопроса. По их мнению оба маршрута, открытых перед частицей, должны вносить вклад в конечный результат, они — всего лишь дополнительные способы движения, и не следует думать, будто частица должна расщепиться на две, чтобы пройти через щели. В подтверждение той точки зрения, что частица не проходит частично через одну щель и частично — через другую, можно рассмотреть видоизмененную ситуацию, в которой около одной из щелей помещен детектор частиц. В этом случае фотон (или любая другая частица) всегда появляется как единое целое, а не как некоторая доля целого: ведь наш детектор регистрирует либо целый фотон, либо полное отсутствие фотонов. Однако, если детектор расположен достаточно близко к одной из щелей, чтобы наблюдатель мог различить, через какую из них прошел фотон, то интерференционная картина на экране исчезает. Для того, чтобы имела место интерференция, по-видимому, необходимо «отсутствие знания» относительно того, через какую из щелей «действительно» прошла частица.

Чтобы получить интерференцию, обе альтернативы должны дать свой вклад, иногда «суммируясь», усиливая друг друга в два раза больше, чем можно было бы ожидать, а иногда «вычитаясь», чтобы загадочным образом погасить друг друга. Фактически же согласно правилам квантовой механики в действительности происходит нечто еще более загадочное! Конечно, альтернативы могут суммироваться (самые яркие точки на экране), альтернативы могут вычитаться (темные точки), но они также могут образовывать и такие странные комбинации, как:

альтернатива А + i х альтернатива В ,

где i — «квадратный корень из минус единицы» (i = √ - 1 ), с которым мы уже встречались в главе 3 (в точках на экране с промежуточной интенсивностью освещенности). В сущности любое комплексное число может играть роль коэффициента в «комбинации альтернатив»!

Возможно, читатель уже вспомнил высказанное мной в главе 3 предупреждение о том, что комплексные числа играют «абсолютно фундаментальную роль в структуре квантовой механики». Комплексные числа — не просто математические диковинки. Физиков вынудили обратить на них внимание убедительные и неожиданные экспериментальные факты. Чтобы понять квантовую механику, мы должны поближе познакомиться с языком комплекснозначных весовых коэффициентов. Давайте же рассмотрим, к каким это приводит последствиям.

 

Амплитуды вероятностей

Выбор фотона в приведенных выше рассуждениях не был продиктован ничем особенным. С тем же успехом для этого подошли бы электроны, любые другие частицы или даже целые атомы. Правила квантовой механики, насколько можно судить, утверждают, что и крикетные шары, и слоны должны вести себя описанным выше странным образом, где различные альтернативные возможности могут каким-то образом образовывать «суммы» состояний с комплексными весами! Однако нам никогда не приходилось реально видеть крикетные шары или слонов в виде столь странных «сумм». Почему? Это трудная и к тому же противоречивая тема, которую я не хотел бы сейчас затрагивать. А пока же мы просто допустим в качестве рабочего правила, что существуют два различных возможных уровня описания физической реальности, которые мы называем квантовым уровнем и классическим уровнем . Мы будем использовать эти странные комбинации состояний с комплекснозначными весами только на квантовом уровне. Крикетные же шары и слоны будут у нас объектами классического уровня.

Квантовый уровень — это уровень молекул, атомов и других субатомных частиц. Обычно считается, что это уровень явлений очень «малого масштаба», но эта «малость» не относится к физическим размерам. Мы увидим, что квантовые эффекты могут происходить на расстояниях многих метров или даже световых лет. Правильнее было бы считать, что нечто принадлежит «квантовому уровню», если это связано лишь с очень малыми изменениями энергии. (В дальнейшем я попытаюсь уточнить, о чем идет речь, главным образом в главе 8,) Классический уровень — это «макроскопический» уровень, о котором мы имеем более непосредственные знания. Это — тот уровень, для которого верны наши обыденные представления о «происходящем», и где можно использовать наше обычное понятие вероятности. Мы увидим, что комплексные числа, которые нам приходится использовать на квантовом уровне, тесно связаны с классическими вероятностями. Но они не тождественны друг другу, и поэтому чтобы освоиться с этими комплексными числа, было бы очень полезно вспомнить для начала, как ведут себя классические вероятности.

Рассмотрим некую неопределенную классическую систему, то есть систему, о которой мы не знаем, в каком из двух альтернативных состояний А или В она находится. Такую систему можно было бы рассматривать как «взвешенную» комбинацию альтернатив А и В :

р х альтернатива А + q х альтернатива В ,

где р — вероятность события A , a q — вероятность события В . (Напомним, что вероятность — действительное число, принимающее значение от 0 до 1 . Вероятность 1 означает, что событие «заведомо произойдет», а вероятность 0 означает, что событие «заведомо не произойдет».) Если А и В — единственно возможные альтернативы, то сумма их вероятностей должна быть равна 1 :

p + q = 1 .

Если же существуют и другие возможности, то эта сумма должна быть меньше 1 . В этом случае выражение р: q дает отношение вероятности события А к вероятности события В . А сами вероятности событий А и В (при условии, что имеются только эти две альтернативы) были бы равна, соответственно, p /(p + q ) и q /(p + q ) — Мы можем использовать такую интерпретацию и в том случае, когда сумма р + q больше 1 . (Такой способ вычисления вероятностей мог бы быть полезным, например, если бы мы многократно повторяли эксперимент, а р было бы количеством событий A , a q — количеством событий В ). Мы будем говорить, что числа р и q нормированы, если р + q = 1 , в этом случае они дают сами вероятности, а не только отношения вероятностей.

Подобным образом мы поступаем и в квантовой физике, с тем лишь исключением, что в квантовой физике р и q — комплексные числа, в силу чего я предпочитаю их обозначить ω и z , соответственно:

ω х альтернатива А + z х альтернатива В .

Как же теперь нам истолковать ω и z ? Несомненно, что они не являются обычными вероятностями (или отношениями вероятностей), так как каждое из чисел ω и z может по отдельности быть отрицательным или комплексным. Но во многих отношениях они ведут себя подобно вероятностям. Числа той z (при соответствующей нормировке — см. далее) принято называть амплитудами вероятности, или просто амплитудами. Более того, часто используют терминологию, которая наводит на мысль о вероятностях, например: «Существует амплитуда ω того, что произойдет событие А , и амплитуда z того, что произойдет событие В». Амплитуды еще не вероятности, но на миг попытаемся сделать вид, будто они являются вероятностями или, точнее, аналогами вероятностей на квантовом уровне.

Как проявляются обычные вероятности? Полезно представить себе какой-нибудь макроскопический объект, например, шарик, прошедший сквозь одну из двух щелей к стоящему позади экрану (как в описанном выше эксперименте с двумя щелями (см. рис. 6.3), но вместо прежнего фотона теперь фигурирует классический макроскопический шарик). Должна существовать некоторая вероятность P (s , t ) того, что отправившись из точки s шарик достигнет верхнего отверстия t , и некоторая вероятность P (s , t ) того, что шарик достигнет нижнего отверстия b . Кроме того, если мы выберем некоторую точку р на экране, то должна существовать некоторая вероятность P (t , р ) того, что шарик достигнет точки р на экране, пройдя через t , и некоторая вероятность Р (b , р ) того, что он что шарик достигнет точки р , пройдя через b . Если открыто только отверстие t , то для того, чтобы найти вероятность того, что шарик действительно достигает точки р , пройдя через отверстие t , мы умножаем вероятность того, что он попадает из точки s в t , на вероятность того, что он попадает из t в точку р :

P (s , t ) х P (t , p ).

Аналогично, если открыто только нижнее отверстие, то вероятность того, что шарик попадает из s в р , равна

P (s , b) х Р (b , р ).

Если открыты оба отверстия, то вероятность того, что шарик попадает из s в точку р через t , по-прежнему равна первому произведению P(s , t ) х P (t , р ) (так, как если бы было открыто только отверстие t ), и вероятность того, что шарик попадает из точки s в точку р через b , по-прежнему равна P (s , b ) х Р (b , р ). Поэтому полная вероятность P (s , р ) того, что шарик, побывав в точке р , попадет в точку s , равна сумме двух приведенных выше вероятностей:

P (s , р ) = P (s , t ) х P (t , р ) + P (s , b ) x P (b , p ).

На квантовом уровне эти правила остаются в точности такими же, с тем лишь исключением, что теперь роль вероятностей, с которыми мы имели дело в классическом случае, должны играть эти странные комплексные амплитуды. Например, в рассмотренном выше эксперименте с двумя щелями мы имеем амплитуду A (s , t ) того, что фотон достигнет верхней щели t из источника s , и амплитуду A (t , р ) того, что фотон достигнет точки р на экране из щели t , и, перемножив эти амплитуды, мы получим амплитуду

A (s , t ) х A (t , p )

того, что фотон достигнет точки р на экране через щель t . Как и в случае вероятностей, это — правильная амплитуда в предположении, что верхняя щель открыта независимо от того, открыта или не открыта нижняя щель b . Аналогично, в предположении, что открыта нижняя щель b , мы получаем амплитуду

A (x , b ) х А (b , р )

того, что фотон достигнет точки р на экране через щель b (независимо от того, открыта или не открыта верхняя щель t ). Если же открыты обе щели, то мы получаем полную амплитуду

A (s , р ) = A (s , t ) х A (t , р ) + A (s , b ) х A (b , р )

того, что фотон попадает в точку р из точки s .

Все это очень мило, но совершенно бесполезно, пока мы не знаем, как интерпретировать амплитуды, когда квантовый эффект увеличивается до классического уровня. Мы могли бы, например, поместить детектор фотонов, или фотоячейку в точке р , что дало бы нам способ увеличения события, происходящего на квантовом уровне, — прибытия фотона в точку р — до события, различимого на классическом уровне, скажем, громкого «щелчка». (С таким же успехом можно было бы взять в качестве экрана фотопластинку, на которой фотон оставляет видимое пятнышко, но для большей доходчивости мы все же воспользуемся фотоячейкой, издающей при срабатывании звуковой сигнал.) Должна существовать реальная вероятность того, что произойдет восприятие звукового «щелчка», а не одной из этих загадочных «амплитуд»! Как нам перейти от амплитуд к вероятностям, когда мы переходим с квантового уровня на классический? Оказывается, что для этого существует очень красивое, но удивительное правило.

Правило это состоит в том, что для получения классической вероятности, необходимо взять квадрат модуля квантовой комплексной амплитуды. Что такое «квадрат модуля»? Напомним как изображаются комплексные числа на плоскости Аргана (глава 3, с. 84). Модуль |z | комплексного числа z есть просто расстояние от начала координат (т. е. от точки 0 ) до точки, изображающей число z . Квадрат модуля |z |2 — просто квадрат этого числа. Таким образом, если

z = х + iy ,

где x и у — действительные числа, то (по теореме Пифагора, так как отрезок прямой, соединяющий точки 0 и z , служит гипотенузой прямоугольного треугольника с катетами х и у ) квадрат модуля равен

|z |2 = х 2 + у 2 .

Заметим, что для того, чтобы это выражение было настоящей «нормированной» вероятностью, значение |z |2 должно быть заключено между 0 и 1 . Это означает, что для того, чтобы быть надлежащим образом нормированной амплитудой, точка z на плоскости Аргана должна лежать где-то внутри единичной окружности (рис. 6.8).

Рис. 6.8. Амплитуда вероятности представлена как точка z внутри единичной окружности на плоскости Аргана. Квадрат расстояния | z | 2 от центра может стать действительной вероятностью, если эффекты увеличены до классического уровня

Однако иногда возникает необходимость рассматривать комбинации

ω х альтернатива А + z х альтернатива В ,

где ω и z — всего лишь пропорциональны амплитудам вероятностей и поэтому не должны лежать внутри единичной окружности. Условие их нормированности (и, следовательно, того, что они дают настоящие амплитуды вероятностей) заключается в том, что сумма квадратов их модулей должна быть равна единице:

|ω |2 + |z |2 = 1 .

Если числа ω и z не удовлетворяют этому условию нормировки, то настоящими амплитудами вероятностей альтернатив А и В , соответственно, служат величины

которые лежат внутри единичной окружности.

Теперь мы видим, что амплитуда вероятности в конечном счете представляет собой аналог не настоящей вероятности, а скорее «комплексного квадратного корня» из вероятности. Что происходит с ней, когда эффекты квантового уровня увеличиваются настолько, что достигают классического уровня? Напомним, что, манипулируя с вероятностями и амплитудами, мы иногда сталкивались с необходимостью производить их умножение и сложение. Прежде всего заметим, что операция умножения не сопряжена с какими-либо проблемами при переходе от квантовых правил к классическим. Происходит это вследствие замечательного математического факта: квадрат модуля произведения двух комплексных чисел равен произведению квадратов модулей каждого из чисел:

|zω |2 = |z |2   |ω |2 .

(Это свойство непосредственно следует из геометрического смысла произведения двух комплексных чисел, приведенного в главе 3, но на языке действительной и мнимой частей z = х + iу , ω = u +iv ; это — прекрасное маленькое чудо. Проверьте сами!)

Из этого факта следует, что если в эксперименте с двумя щелями для частицы существует только один маршрут (открыта только одна щель, например t ), то рассуждения можно строить «классически», и вероятности получатся одними и теми же, независимо от того, наблюдаем ли мы за прохождением частицы в промежуточных точках ее пути (в щели t ). А квадраты модулей можно будет взять на любой стадии наших вычислений, например,

|A (s , t )|2 х |A (t , p )|2  = |A (s ,t ) х A (t ,p )|2 .

Ответ — результирующая вероятность — получится одним и тем же.

Но если перед частицей открыт более чем один маршрут (например, если открыты обе щели), то необходимо образовывать сумму, и здесь-то и начинают обнаруживаться характерные особенности квантовой механики. Когда мы образуем квадрат модуля суммы ω + z двух комплексных чисел ω и z , мы обычно не получаем только лишь сумму квадратов модулей этих чисел; существует дополнительный «поправочный член»:

|ω + z |2 = |ω |2 + |z |2 + 2 |ω ||z | cosθ ,

где θ — угол, образуемый направлениями на точки z и ω из начала координат на плоскости Аргана (рис. 6.9).

(Напомним, что косинус угла есть отношение «прилежащий к углу катет/гипотенуза» для прямоугольного треугольника. Пытливый читатель, незнакомый с этой формулой, может попытаться самостоятельно вывести ее, используя геометрию, изложенную в главе 3. В сущности эта формула есть не что иное, как слегка «замаскированное» хорошо известное «правило косинуса»!) Именно поправочный член 2 |ω ||z |cosθ описывает квантовую интерференцию между квантовомеханическими альтернативами. Значение cosθ заключено между -1 и 1 . При θ =0 ° мы имеем cosθ =1 , и две альтернативы усиливают друг друга так, что полная вероятность оказывается больше суммы отдельных вероятностей. При θ = 180 ° мы имеем cosθ = -1 , и две альтернативы стремятся погасить друг друга, в результате чего полная вероятность оказывается меньше суммы отдельных вероятностей (деструктивная интерференция). При θ  = 90 ° мы имеем cosθ =0 , и получается ситуация, промежуточная между двумя упомянутыми выше: две вероятности просто суммируются. Для больших или сложных систем поправочные члены обычно «усредняются», так как «среднее» значение cosθ равно нулю, и мы получаем обычные правила классической вероятности! Но на квантовом уровне эти члены описывают важные интерференционные эффекты.

Рассмотрим эксперимент с двумя щелями, когда обе щели открыты. Амплитуда того, что фотон достигает точки р , равна сумме ω + z , где

ω = A (s , t ) x A (t ,p ) и z = A (s , b ) x A (b , p ).

В самых ярких точках экрана имеем: ω = z (так что cosθ = 1 ), откуда

|ω + z |2 = |2ω |2 = 4 |ω |2 ,

что в 4 раза больше вероятности |ω |2 , когда открыта только верхняя щель, и приводит к увеличению интенсивности потока большого числа фотонов в 4 раза, в полном согласии с экспериментом. В темных точках экрана имеем ω = — z (так что cosθ = -1 ), откуда

|ω + z |2 = |ω — ω |2 = 0 ,

т. е. интенсивность равна нулю (деструктивная интерференция!) также в соответствии с наблюдением. Точно посередине между этими точками мы имеем: ω = iz или ω = — iz (так что cosθ =0 ), откуда

|ω + z |2 — |ω ± iω |2 = |ω |2 + |ω |2 = 2 |ω |2 ,

что дает вдвое бо́льшую интенсивность освещенности по сравнению с освещенностью только при одной щели (как в случае с классическими частицами). В конце следующего раздела мы узнаем, как рассчитывать, где именно расположены яркие, темные точки и точки с промежуточной интенсивностью освещенности.

И в заключение одно замечание. Когда открыты обе щели, амплитуда того, что частица достигнет точки р через щель t , в самом деле равна ω = A (s , t ) х A (t , p ), но мы не можем интерпретировать квадрат ее модуля |ω |2 как вероятность того, что частица «действительно» прошла через верхнюю щель, чтобы достигнуть точки р . Такая интерпретация привела бы нас к бессмысленным ответам, в особенности, если точка р находится в темном месте на экране. Но если мы захотим «зарегистрировать» присутствие фотона в щели t , то усиливая эффект его присутствия (или отсутствия) там до классического уровня, мы можем использовать величину |A (s , t )|2 в качестве вероятности того, что фотон действительно присутствует в щели t . Но такое наблюдение нарушило бы картину распределения волн. Для того, чтобы произошла интерференция, нам необходимо убедиться в том, что прохождение фотона через щели остается на квантовом уровне , так чтобы оба альтернативных маршрута давали свой вклад и иногда могли гасить друг друга. На квантовом уровне отдельные альтернативные маршруты обладают только амплитудами, но не вероятностями.

 

Квантовое состояние частицы

Как выглядит «физическая реальность» на квантовом уровне, где различные «альтернативные возможности», открытые перед системой, должны всегда обладать способностью сосуществовать, образуя суммы со странными комплекснозначными весами? Многие физики впадают в отчаяние при виде такой картины. Вместо этого они призывают рассматривать квантовую теорию только в качестве вычислительной процедуры для расчета вероятностей, а не объективной картины физического мира. Некоторые из них вполне серьезно заявляют, что квантовая теория проповедует невозможность получения объективной картины, по крайней мере той, которая согласуется с физическими фактами. Я же считаю такой пессимизм совершенно необоснованным. Во всяком случае было бы преждевременно на основании сказанного выше принять подобную точку зрения. Позднее мы рассмотрим некоторые из наиболее поразительных следствий квантовых эффектов, что возможно позволит нам понять причины такого отчаяния. Но пока давайте смотреть на вещи более оптимистично и мужественно встретим все, что уготовила нам квантовая теория.

Первым предстанет перед нами квантовое состояние . Попытаемся мысленно представить себе одну-единственную квантовую частицу. Классически, частица определяется своим положением в пространстве, и для того, чтобы узнать, что произойдет с частицей дальше, нам также необходимо знать ее скорость (или, что эквивалентно, ее импульс). Квантовомеханически, любое положение, которое может занимать частица, является лишь одной их возможных «альтернатив» для частицы. Мы уже видели, что все альтернативы должны каким-то образом объединяться вместе с комплекснозначными весами. Набор этих комплекснозначных весов описывает квантовое состояние частицы. Обычно в квантовой теории принято использовать греческую букву ψ (произносится: «пси») для обозначения такого набора весов. Этот набор весов, рассматриваемый как комплекснозначная функция положения частицы, называется волновой функцией частицы. Для каждого положения х волновая функция принимает вполне определенное значение ψ (х ) — амплитуду вероятности того, что частица находится в положении х . Мы можем использовать одну букву ψ для обозначения квантового состояния как единого целого. Я разделяю ту точку зрения, что квантовое состояние ψ частицы — это и есть ее физически реальное положения в пространстве.

Каким же образом можно наглядно изобразить комплексную функцию ψ  ? Сделать это сразу для всего трехмерного пространства несколько затруднительно, поэтому мы немного упростим задачу и предположим, что наложенные связи позволяют частице двигаться только вдоль одномерной линии — например, оси х обычной (декартовой) системы координат. Если бы функция ψ была вещественной, то мы могли бы представить себе ось y , перпендикулярную оси х , и построить график функции ψ (рис. 6.10а).

Рис. 6.10.а) График действительной функции действительной переменной х

Но в данном случае для изображения значения комплексной функции ψ нам требуется «комплексная ось у » — плоскость Аргана. Для этой цели вообразим, что мы можем использовать два других пространственных измерения: например, у -направление в качестве действительной оси плоскости Аргана, а z -направление — как мнимую ось. Для получения правильной картины волновой функции мы можем изобразить ψ (х ) (значение функции в точке х ) точкой на этой плоскости Аргана (т. е. на плоскости yz , проходящей через каждую точку оси х ). Когда положение точки х изменяется, то изменяется также и положение точки на плоскости Аргана. При этом точка описывает некоторую кривую в пространстве, извивающуюся вокруг оси х (рис. 6.10 b).

Рис. 6.10.б) график комплексной функции V действительной переменной х

Назовем эту кривую ψ — кривой рассматриваемой частицы. Если бы мы поместили в некоторой точке х детектор, то вероятность обнаружить частицу в данной точке можно найти, вычислив квадрат модуля амплитуды ψ (х ), т. е.

|ψ (x )|2

равный квадрату расстояния ψ -кривой от оси x .

Чтобы изобразить подобным образом волновую функцию, определенную на всем трехмерном физическом пространстве, понадобилось бы пять измерений: три — для физического пространства и два — для плоскости Аргана в каждой точке, в которой мы строим график функции ψ (х ). Однако наша упрощенная картина еще нам пригодится. Если мы захотим изучить поведение волновой функции вдоль произвольного направления в физическом пространстве, то для этого необходимо просто выбрать ось х вдоль этой линии, а два других пространственных измерения временно использовать в качестве действительной и мнимой осей на плоскости Аргана. Этот способ поможет нашему осмыслению эксперимента с двумя щелями.

Как я упоминал выше, в классической физике для того, чтобы определить, что будет происходить дальше, необходимо знать скорость (или импульс) частицы. В квантовой механике нам представляется значительная экономия. Волновая функция ψ уже содержит различные амплитуды для различных возможных импульсов! (Кое-кто из недовольных читателей может возразить, что «самое время» говорить об экономии, если принять во внимание, как сильно нам пришлось усложнить простую классическую картину точечной частицы. Хотя я во многом согласен с таким читателем, я все же советую не отвергать те лакомые кусочки, которые ему преподносят, ибо худшее еще впереди!) Каким образом амплитуды скоростей определяются волновой функцией ψ ? На самом же деле лучше думать в терминах амплитуд импульсов. (Напомним, что импульс, или количество движения, равен скорости, умноженной на массу частицы, см. гл.6 «Уравнение Шредингера; уравнение Дирака») Для этого следует применить к волновой функции ψ так называемый гармонический анализ. Подробно объяснять здесь, что это такое, было бы неуместно, скажу только, что он тесно связан с тем, что происходит с музыкальными звуками. Волну любой формы можно разложить в сумму различных «гармоник» (отсюда и термин «гармонический анализ»), которые представляют собой чистые тона различной высоты (т. е. с различными частотами). В случае волновой функции ψ «чистые тона» соответствуют различным возможным значениям импульса, которые может иметь частица, а величина вклада каждого «чистого тона» в ψ определяет амплитуду соответствующего значения импульса. Сами «чистые тона» называются импульсными состояниями.

Как выглядит импульсное состояние, представленное ψ — функцией? Оно похоже на кривую, напоминающую по форме штопор, официальное математическое название которой — винтовая линия (рис. 6.11).

Рис. 6.11. Импульсное состояние имеет ψ -кривую в форме штопора

Штопоры с частыми витками соответствуют большим импульсам, а штопоры, которые едва вращаются, — очень малым импульсам. Существует предельный случай, когда ψ -кривая вообще не делает витков и вырождается в прямую в случае нулевого импульса. В поведении винтовой линии неявно скрыто знаменитое соотношение Планка . Так как энергия Е всегда пропорциональна частоте v (Е  = hv ), то частые витки означают короткую длину волны, большую частоту и, следовательно, большой импульс и высокую энергию, а редкие витки означают малую частоту и низкую энергию. Если плоскости Аргана ориентированы обычным способом (т. е. когда оси х , у , z образуют, как описано выше, правую тройку), то импульсы, направленные в положительном направлении оси х , соответствуют правым штопорам (которые обычно и используются).

Иногда квантовые состояния полезно описывать не в терминах обычных волновых функций, как это было сделано выше, а в терминах волновых функций импульсов. Это сводится к рассмотрению разложения волновой функции ψ по различным импульсным состояниям и построению новой функции ψ′ , зависящей на этот раз не от положения х , а от импульса р ; значение ψ′ (p ) при любом р задает величину вклада состояния с импульсом р в ψ -функцию. (Пространство величин р называется импульсным пространством.) Смысл ψ′ состоит в том, что при каждом конкретном выборе р комплексное число ψ′ (р ) задает амплитуду того, что частица имеет импульс р .

Существует математическое название для соотношения между функциями ψ и ψ′ . Каждая из этих функций называется преобразованием Фурье другой — в честь французского инженера и математика Жозефа Фурье (1768–1830). Я ограничусь здесь лишь несколькими замечаниями по поводу преобразования Фурье. Первое замечание: между ψ и ψ′ существует замечательная симметрия. Чтобы перейти от ψ  назад к ψ′ , мы по существу прибегаем к той же процедуре, которую использовали при переходе от ψ  к ψ′ . Теперь ψ′ становится объектом гармонического анализа. «Чистые тона» (т. е. штопоры в пространстве импульсов) на этот раз называются конфигурационными состояниями. Каждое положение х определяет такой «чистый тон» в пространстве импульсов, а величина такого вклада «чистого тона» в ψ дает значение ψ (x ).

Конфигурационное состояние соответствует (в терминах обычного пространства) некоторой функции ψ , имеющей острый пик в рассматриваемой точке х , а это значит, что все амплитуды равны нулю, за исключением амплитуды в данной точке. Такая функция называется дельта-функцией (Дирака), хотя, строго говоря, это — не совсем «функция» в обычном смысле, так как ее значение в точке х бесконечно велико. Аналогичным образом импульсные состояния (винтовые линии в конфигурационном пространстве) порождают дельта-функции в пространстве импульсов (рис. 6.12). Таким образом, оказывается, что преобразование Фурье винтовой линии есть дельта-функция и наоборот!

Рис. 6.12. Дельта-функция в конфигурационном пространстве переходит в штопор в импульсном пространстве и наоборот

Описание в терминах конфигурационного пространства полезно всякий раз, когда требуется произвести измерение возможного положения частицы в пространстве, которое сводится к увеличению до классического уровня эффектов различных возможных положений частицы. (Грубо говоря, фотоэлементы и фотографические пластинки осуществляют измерение положения фотонов в пространстве.) Описание на языке импульсного пространства полезно, когда требуется измерить импульс частицы, т. е. увеличить до классического уровня эффекты различных возможных импульсов. (Эффекты отдачи или дифракции на кристаллах могут быть использованы для измерений импульса.) В каждом случае квадрат модуля соответствующей волновой функции (ψ или ψ′ ) дает искомую вероятность результата производимого измерения.

В заключение этого раздела обратимся еще раз к эксперименту с двумя щелями. Мы узнали, что согласно квантовой механике даже одна частица сама по себе должна обладать волновым поведением. Такая волна описывается волновой функцией ψ . Более всего похожи на волны волновые функции импульсных состояний. В эксперименте с двумя щелями мы рассматривали фотоны с определенной частотой; так что волновая функция фотона состояла из импульсных состояний различных направлений, в которых расстояние между соседними витками штопора — длина волны — было одно и то же на протяжении всей винтовой линии. (Длина волны определяется частотой.)

Волновая функция каждого фотона распространяется первоначально из источника в точке S и (если мы не следим за прохождением фотона через щели) проходит к экрану через обе щели. Однако только небольшая часть волновой функции проходит через щели, поэтому мы можем мысленно рассматривать щели как новые источники, каждый из которых по отдельности испускает волновую функцию. Эти две части волновой функции интерферируют одна с другой так, что когда они доходят до экрана, в одних его точках они суммируются, а в других погашают друг друга. Чтобы выяснить, где волны суммируются и где гасят друг друга, выберем на экране некоторую точку р и рассмотрим прямые, проведенные к точке р от каждой из щелей t u b . Вдоль отрезка tp мы имеем одну винтовую линию, а вдоль отрезка bр — другую винтовую линию. (Мы также имеем винтовые линии вдоль линий st и sb , но если предположить, что источник находится на одном и том же расстоянии от обеих щелей, то на пути к щелям винтовые линии успеют совершить одинаковое число витков.) Число витков, которые винтовые линии совершат к тому моменту, когда они достигнут экран в точке р , зависит от длины отрезков tp и bр . Если эти длины отличаются на целое число длин волн, то в точке р винтовые линии окажутся совмещенными в одном направлении относительно своих осей (т. е. θ = 0°, где θ определено в предыдущем разделе), так что соответствующие амплитуды сложатся и дадут яркое пятно. Если же эти линии отличаются по длине на целое число длин волн плюс половина длины волны, то в точке р винтовые линии окажутся совмещенными в противоположных направлениях относительно своих осей (θ = 180°), поэтому соответствующие амплитуды погасят друг друга, и мы получим темное пятно. Во всех остальных случаях между смещениями винтовых линий в точке р образуется некоторый угол, поэтому соответствующие амплитуды будут суммироваться некоторым промежуточным образом, и мы получим пятно с промежуточной интенсивностью освещенности (рис. 6.13).

Рис. 6.13. Анализ эксперимента с двумя щелями в терминах штопорообразного представления импульсных состояний фотона

 

Принцип неопределенности

Большинству читателей приходилось слышать о принципе неопределенности Гейзенберга . Согласно этому принципу невозможно одновременно точно измерить (т. е. увеличить до классического уровня) положение и импульс частицы. Хуже того, существует абсолютный предел произведения погрешностей, с которыми могут быть измерены положение и импульс частицы, например, ∆x и ∆р , определяемый неравенством

∆x ∆р ≥ ħ .

Эта формула говорит нам, что чем точнее измерено положение х , тем менее точно может быть определен импульс р , и наоборот. Если бы положение было измерено с бесконечной точностью, то импульс стал бы совершенно неопределенным; с другой стороны, если импульс измерен точно, то положение частицы становится полностью неопределенным. Чтобы получить некоторое представление о величине предела, установленного неравенством Гейзенберга, предположим, что положение электрона измерено с погрешностью до нанометра (10-9 м), тогда его импульс стал бы настолько неопределенным, что уже через секунду после измерения бесполезно было бы искать электрон на расстоянии меньше 100 км от того места, где он находился в момент измерения!

Из описаний некоторых измерительных процессов создается впечатление, что это связано с некоторой неточностью, «встроенной» в сам процесс измерения. Согласно этой точке зрения, попытка локализовать электрон в вышерассмотренном эксперименте неизбежно сообщит ему случайный «толчок» такой интенсивности, что электрон, весьма возможно, улетит прочь с огромной скоростью, величина которой оговорена принципом неопределенности Гейзенберга. Из других же описаний мы узнаем, что неопределенность — свойство самой частицы, а ее движению присуща неизбежная случайность, которая означает, что поведение частицы непредсказуемо непосредственно на квантовом уровне. Есть и такие точки зрения, согласно которым квантовая частица есть нечто непостижимое, к чему неприменимы сами понятия классического положения и классического импульса. Ни один из этих подходов мне не нравится. Первый может ввести в заблуждение, второй заведомо неправилен, а третий излишне пессимистичен.

О чем в действительности говорит нам описание в терминах волновых функций? Прежде всего напомним наше определение импульсного состояния. Это тот случай, когда импульс известен точно. Кривая ψ имеет вид винтовой линии, всюду остающейся на одном и том же расстоянии от своей оси. И поэтому в любой точке амплитуды различных положений имеют равные квадраты модулей. Таким образом, если производится измерение положения, то вероятность найти частицу в какой-нибудь одной точке такая же, как вероятность найти ее в любой другой точке. Действительно, положение частицы оказывается полностью неопределенным! А как обстоит дело с конфигурационным состоянием? В этом случае ψ -кривая представляет собой дельта-функцию Дирака. Частица точно локализована в том месте, где находится пик дельта-функции, во всех остальных точках амплитуды равны нулю. Импульсные амплитуды лучше всего определять, перейдя в импульсное пространство. В этом случае их ψ′ -кривые имеют вид винтовых линий, так что амплитуды различных импульсов все имеют равные квадраты модулей. Результат измерения импульса частицы становится теперь совершенно неопределенным!

Интересно рассмотреть промежуточный случай, когда координаты и импульсы отчасти ограничены, но только лишь в той степени, которая разрешена соотношением неопределенности Гейзенберга. Кривая ψ и соответствующая ей кривая ψ′ (являющиеся Фурье-преобразованиями друг друга) для такого случая изображены на рис. 6.14.

Рис. 6.14. Волновые пакеты, локализованные как в конфигурационном пространстве, так и в импульсном пространстве

Обратите внимание на то, что расстояние от каждой из кривых до оси существенно отлично от нуля лишь в весьма малой области. Вдали от этой области кривые очень плотно прижимаются к оси. Это означает, что квадраты модуля заметно отличны от нуля только в очень ограниченной области как в конфигурационном пространстве, так и в импульсном пространстве. В этом случае частица может быть локализована в пространстве, хотя соответствующий пик имеет некоторую ширину; аналогичным образом, импульс также достаточно хорошо определен, поэтому частица движется с достаточно хорошо определенной скоростью, а расплывание пика, характеризующего ее положение в пространстве, происходит не слишком быстро. Такое квантовое состояние принято называть волновым пакетом; обычно волновой пакет считается лучшим квантовотеоретическим приближением к классической частице. Однако из-за «размазанности» в значении импульса (т. е. скорости) следует, что волновой пакет со временем расплывается. И чем более он локализован в начальный момент времени в пространстве, тем быстрее он расплывается.

 

Эволюционные процедуры U и R

В приведенном выше описании временно́й эволюции волнового пакета неявно содержится уравнение Шредингера , которое говорит нам о том, как именно эволюционирует во времени волновой пакет. Действительно, уравнение Шредингера гласит, что каждая компонента разложения ψ по импульсным состояниям («чистым тонам») двигается со скоростью, равной величине с 2 , деленной на скорость классической частицы, имеющей импульс данной компоненты. На самом деле, уравнение Шредингера математически сформулировано гораздо более лаконично. Мы обратимся к его точной записи несколько позднее. Оно по форме несколько напоминает уравнения Гамильтона или Максвелла (будучи тесно связано с обоими) и так же, как и эти уравнения, дает полностью детерминистскую эволюцию волновой функции, если волновая функция задана в какой-либо один момент времени (см. гл.6 «Уравнение Шредингера; уравнение Дирака»)!

Полагая, что ψ описывает мир в его «реальности», мы не обнаружим никакого индетерминизма, который, как предполагают некоторые, внутренне присущ квантовой теории, — не обнаружим, пока волновая функция ψ удовлетворяет детерминистской эволюции Шредингера. Будем называть это эволюционной U-процедурой. Однако всякий раз, когда мы «производим измерения», увеличивая квантовые эффекты до классического уровня, мы изменяем правила. Теперь вместо U мы используем совершенно другую процедуру, которую я обозначу R. Она состоит в образовании квадратов модулей квантовых амплитуд для получения классических вероятностей! Именно эта и только эта R-процедура привносит неопределенности и вероятности в квантовую теорию.

Детерминистская U-процедура, по-видимому, является неотъемлемой частью той квантовой теории, на которой в основном сосредоточены помыслы активно работающих физиков; что же касается философов, то их больше интересует недетерминистская редукция R вектора состояния (или, как ее иногда называют более выразительно, коллапс волновой функции). Рассматриваем ли мы R просто как изменение «знания», которым мы располагаем о системе, или (как это делаю я) воспринимаем R как нечто «реальное», у нас имеется два совершенно различных математических подхода к описанию изменения во времени вектора состояния физической системы. В то время как U-процесс вполне детерминистский, R имеет вероятностный характер. U удовлетворяет комплексной квантовой суперпозиции состояний, a R грубо нарушает ее; U действует непрерывным образом, a R вопиющим образом разрывен. Исходя из стандартных процедур квантовой механики невозможно сделать заключение, что R-npoцесс может быть «выведен», как сложный случай U-процесса. R — это просто другая, отличная от U процедура, дающая вторую «половину» интерпретации квантового формализма. Весь индетерминизм квантовой теории происходит из R, а не из U. Но для изумительного согласия квантовой теории с наблюдательными фактами необходимы оба процесса: и U, и R.

Обратимся снова к волновой функции ψ . Предположим, что ψ описывает импульсное состояние. До тех пор, пока частица не взаимодействует с чем-нибудь, ψ благополучно остается импульсным состоянием до скончания времен. (Именно это говорит нам уравнение Шредингера.) В любой момент времени, который мы выберем для «измерения импульса», мы получим один и тот же определенный ответ. Вероятностям здесь просто нет места. Предсказуемость остается здесь такой же четкой, как и в классической теории. Предположим, однако, что на некоторой стадии мы возьмемся измерить (т. е. увеличить до классического уровня) положение частицы. В этом случае мы получим целый массив амплитуд вероятности, модули которых нам предстоит возводить в квадрат. Имея такое изобилие вероятностей, мы столкнемся с полной неопределенностью в отношении того, каким будет результат измерения. Эта неопределенность согласуется с принципом неопределенности Гейзенберга.

С другой стороны, предположим, что мы начинаем с ψ , описывающей некоторое состояние частицы в конфигурационное пространстве. В этом случае согласно уравнению Шредингера ψ не останется в том же состоянии, а будет быстро расплываться. Тем не менее уравнение Шредингера полностью определяет, как происходит такое расплывание функции ψ . В ее поведении нет ничего недетерминистского или вероятностного. В принципе можно было бы предложить эксперименты, которые мы могли бы выполнить, чтобы проверить этот факт. (Подробнее об этом см. ниже.) Но если мы вдруг захотим измерить импульс, то получим амплитуды для всех различных возможных значений импульса, имеющие равные квадраты модулей, а результат эксперимента будет полностью неопределен — опять в полном соответствии с принципом неопределенности Гейзенберга.

Аналогичным образом, если исходить из ψ как волнового пакета, то его будущая эволюция полностью определяется уравнением Шредингера, и в принципе можно было бы предложить эксперименты, позволяющие проверить этот факт. Но как только мы вознамеримся произвести измерение над частицей каким-либо другим способом, например, измерить положение или импульс частицы, то мы сразу обнаружим, что неопределенности появляются снова (в соответствии с принципом неопределенности Гейзенберга) с вероятностями, задаваемыми квадратами модулей амплитуд.

Все это, несомненно, очень странно и таинственно. Но не означает, что мир непознаваем. В нарисованной мной картине мира многое подчиняется очень ясным и точным законам. Однако пока не существует ясного указания относительно того, когда следует прибегать к вероятностному правилу R вместо детерминистского правила U. Какой смысл следует вкладывать в выражение «выполнить измерение»? Почему (и когда) квадраты модулей амплитуд «становятся вероятностями»? Можно ли квантово-механически понять «классический уровень»? Это — глубокие и трудные вопросы, рассмотрением которых мы и займемся в следующей главе.

 

Одна частица — сразу в двух местах?

В приведенном выше описании я избрал гораздо более «реалистическую» точку зрения на волновую функцию, чем та, которая обычно принята среди квантовых физиков. Я придерживаюсь точки зрения, согласно которой «объективно реальное» состояние отдельной частицы действительно описывается ее волновой функцией ψ . Многие, видимо, находят такую позицию слишком трудной для того, чтобы ее можно было всерьез воспринимать. Одна из причин такого отношения, по-видимому, состоит в том, что эта позиция включает в себя представление об отдельных частицах как объектах, обладающих некоторой пространственной протяженностью, а не сосредоточенных в дискретных точках. Особую остроту эта ситуация приобретает для импульсного состояния, так как функция ψ распределена по всему пространству. Вместо того, чтобы представить себе частицу распределенной по всему пространству, люди предпочитают думать о ее положении как о «полностью неопределенном», так что все, что можно сказать о положении частицы, сводится к утверждению о том, что частица может находиться в каком-нибудь месте с такой же вероятностью, как и в любом другом. Однако мы видели, что волновая функция дает не только распределение вероятности различных положений, но и распределение амплитуд для различных положений. Если мы знаем распределение амплитуд (т. е. функцию ψ ), то (из уравнения Шредингера) мы также точно знаем, каким образом состояние частицы будет эволюционировать во времени. Представление о частице как об объекте, обладающем «пространственной протяженностью», необходимо нам для того, чтобы «движение» частицы (т. е. эволюция волновой функции ψ во времени) было определено таким образом. И если мы примем такое представление о частице, то движение ее станет точно определенным. «Вероятностная точка зрения» на ψ была бы уместной, если бы мы выполнили над частицей измерение ее положения, а ψ (х ) использовали бы далее только в форме квадрата ее модуля |ψ (x )|2 .

Похоже, что мы действительно должны согласиться с представлением о частице, как распределенной по обширным областям пространства и пребывающей в состоянии пространственной протяженности, пока не будет произведено следующее измерение ее положения. Даже будучи локализованной в конфигурационном пространстве, частица начинает в следующий момент времени обретать пространственную протяженность. Что касается импульсного состояния, то его, по-видимому, очень трудно принять в качестве «реальной» картины существования частицы, но еще труднее принять в качестве «реального» состояния с двумя пиками, которое имеет место, когда частица проходит через две щели (рис. 6.15).

Рис. 6.15. Так как волновая функция фотона возникает от пары щелей, она имеет пики сразу в двух местах

В вертикальном направлении форма волновой функции ψ имела бы два острых пика — по одному на каждой из щелей, являясь суммой волновой функции ψ t имеющей пик на верхней щели, и волновой функции ψ b , имеющей пик на нижней щели:

ψ (x ) = ψ t (x ) + ψ b (x ).

Если мы примем волновую функцию ψ как «реально» представляющую состояния частицы, то нам придется признать, что частица в самом деле находится в двух местах одновременно! С этой точки зрения частица реально прошла сразу через две щели.

Стандартное возражение против утверждения о том, что частица реально «проходит сразу через две щели» сводится к следующему: если мы выполним измерение на щелях, чтобы определить, через какую из них прошла частица, то всегда обнаружим, что частица целиком проходит либо через одну, либо через другую щель. Но так происходит потому, что мы производим измерение положения частицы, поэтому ψ в этом случае дает только распределение вероятности |ψ |2 для положения частицы — в соответствии с процедурой, основанной на вычислении квадрата модуля, и мы находим частицу либо в одном, либо в другом месте. Но существуют и другие типы измерений, которые можно производить на щелях, и эти измерения отличны от измерения положения. Для таких измерений нам необходимо было бы знать волновую функцию ψ с двумя пиками, а не только |ψ |2 , для различных положений x . При помощи таких измерений мы могли бы отличить состояние с двумя пиками

ψ  = ψ t + ψ b

приведенное выше, от других состояния с двумя пиками, таких, как

ψ t — ψ b

или

ψ t + iψ b

(кривые ψ для каждого из этих различных случаев представлены на рис. 6.16). Так как измерения, различающие эти возможности, действительно существуют, они должны исчерпывать все различные возможные «реальные» способы существования фотона!

Рис. 6.16. Три различных способа, как можно получить волновую функцию фотона с двумя пиками

Щели не обязательно должны располагаться поблизости друг от друга для того, чтобы фотон мог пройти сквозь них одновременно. Чтобы понять, каким образом квантовая частица может находиться «в двух местах сразу» независимо от того, как далеко друг от друга расположены эти места, рассмотрим экспериментальную установку, немного отличающуюся от эксперимента с двумя щелями. Как и прежде, у нас имеется лампа, испускающая монохроматический свет, по одному фотону за раз; но вместо того, чтобы пропускать свет через две щели, отразим его от полупосеребренного зеркала, наклоненного к пучку под углом 45°. (Полупосеребренным называется зеркало, отражающее равно половину падающего на него света, тогда как вторая половина проходит прямо сквозь зеркало.) После встречи с зеркалом волновая функция фотона разделяется на две части, одна из которых отражается в сторону, а вторая продолжает распространяться в том же направлении, в котором первоначально двигался фотон. Как и в случае фотона, возникающего из двух щелей, волновая функция имеет два пика, но теперь эти пики разнесены на большее расстояние — один пик описывает отраженный фотон, другой — фотон, прошедший сквозь зеркало (рис. 6.17).

Рис. 6.17. Максимумы волновой функции с двумя пиками могут быть разнесены на расстояние в несколько световых лет. Этого можно достичь с помощью полупосеребренного зеркала

Кроме того, со временем расстояние между пиками становится все больше и больше, увеличиваясь беспредельно. Представьте себе, что эти две части волновой функции уходят в пространство, и что мы ждем целый год. Тогда два пика волновой функции фотона окажутся на расстоянии светового года друг от друга. Каким-то образом фотон оказывается сразу в двух местах, разделенных расстоянием более чем в один световой год!

Есть ли какое-нибудь основание принимать такую картину всерьез? Разве мы не можем рассматривать фотон просто как некий объект, находящийся с вероятностью 50 % в одном месте, и с вероятностью 50 % — в другом! Нет, это невозможно! Независимо от того, как долго фотон находился в движении, всегда существует возможность того, что две части фотонного пучка могут быть отражены в обратном направлении и встретиться, в результате чего могут возникнуть интерференционные эффекты, которые не могли бы возникнуть из вероятностных весов двух альтернатив. Предположим, что каждая часть фотонного пучка встречает на своем пути полностью посеребренное зеркало, наклоненное под таким углом, чтобы свести обе части вместе, и что в точке встречи двух частей помещено еще одно полупосеребренное зеркало, наклоненное под таким же углом, как и первое зеркало. Пусть на прямых, вдоль которых распространяются части фотонного пучка, расположены два фотоэлемента (рис. 6.18). Что мы обнаружим?

Рис. 6.18. Два пика волновой функции нельзя считать просто вероятностными весами локализации фотона в одном или другом меае. Два маршрута, избираемые фотоном, можно заставить интерферировать друг с другом

Если бы было справедливо, что фотон следует с вероятностью 50 % по одному маршруту и с вероятностью 50 % — по другому, то мы обнаружили бы, что оба детектора зафиксировали бы фотон каждый с вероятностью 50 %. Однако в действительности происходит нечто иное. Если два альтернативных маршрута в точности равны по длине, то с вероятностью 100 % фотон попадет в детектор А , расположенный на прямой, вдоль которой первоначально двигался фотон, и с вероятностью 0 — в любой другой детектор В . Иными словами фотон с достоверностью попадет в детектор А ! (В этом можно убедиться, используя представление в форме винтовых линий, приведенное выше для случая эксперимента с двумя щелями.)

Разумеется, такой эксперимент никогда не был поставлен для расстояний порядка светового года, но сформулированный выше результат не вызывает серьезных сомнений (у физиков, придерживающихся традиционной квантовой механики!) Эксперименты такого типа в действительности выполнялись для расстояний порядка многих метров или около того, и результаты оказывались в полном согласии с квантово-механическими предсказаниями (см. Уилер [1983]). Что же теперь можно сказать о реальности существования фотона между первой и последней встречей с полуотражающим зеркалом? Напрашивается неизбежным вывод, согласно которому фотон должен в некотором смысле действительно пройти оба маршрута сразу! Ибо если бы на пути любого из двух маршрута был помещен поглощающий экран, то вероятности попадания фотона в детектор А или В оказались бы одинаковыми! Но если открыты оба маршрута (оба одинаковой длины), то фотон может достичь только А . Блокировка одного из маршрутов позволяет фотону достичь детектора В ! Если оба маршрута открыты, то фотон каким-то образом «знает», что попадание в детектор В не разрешается, и поэтому он вынужден следовать сразу по двум маршрутам.

Точка зрения Нильса Бора, согласно которой существованию фотона между моментами, когда производятся измерения, нельзя придать объективный «смысл», представляется мне слишком пессимистической относительно реальности состояния фотона. Квантовая механика дает нам волновую функцию для описания «реальности» положения фотона, и между полупосеребренными зеркалами волновая функция фотона как раз описывает состояние с двумя пиками, причем расстояние между пиками иногда бывает весьма значительным.

Заметим также, что утверждение «находится сразу в двух определенных местах» не полностью характеризует состояние фотона: нам необходимо отличать состояние ψ t + ψ b , например, от состояния ψ t — ψ b (или, например, от состояния ψ t + iψ b ), где ψ t и ψ b теперь относятся к положениям фотона на каждом из двух маршрутов (соответственно «прошедшем» и «отраженном»!). Именно такого рода различие определяет, достигнет ли фотон с достоверностью детектора А , пройдя до второго полупосеребренного зеркала, либо он с достоверностью достигнет детектора В (или же он попадет в детекторы А и В с некоторой промежуточной вероятностью).

Эта загадочная особенность квантовой реальности, состоящая в том, что мы всерьез должны принимать во внимание, что частица может различными способами «находиться в двух местах сразу», проистекает из того, что нам приходится суммировать квантовые состояния, используя комплекснозначные веса для получения других квантовых состояний. Такого рода суперпозиция состояний является общей (и важной) особенностью квантовой механики, известной под названием квантовой линейной суперпозиции . Именно эта особенность квантовой механики позволяет нам образовывать импульсные состояния из конфигурационных состояний и конфигурационные состояния — из импульсных. В этих случаях линейная суперпозиция применяется к бесконечному массиву различных состояний, т. е. ко всем различным конфигурационным состояниям или ко всем различным импульсным состояниям. Но, как мы видели выше, квантовая линейная суперпозиция весьма озадачивает, даже если мы применяем ее всего лишь к двум состояниям. По правилам квантовой механики любые два состояния, сколь бы сильно они ни отличались друг от друга, могут сосуществовать в любой комплексной линейной суперпозиции. Более того, любой объект, состоящий из отдельных частиц, должен обладать способностью существовать в такой суперпозиции пространственно далеко разнесенных состояний и тем самым «находиться в двух местах сразу»! В этом отношении формализм квантовой механики не проводит различия между отдельными частицами и сложными системами, состоящими из многих частиц. Почему же тогда мы не наблюдаем в повседневной жизни макроскопические тела, например, крикетные шары или даже людей, находящиеся в двух совершенно различных местах? Это — глубокий вопрос, и современная квантовая теория по сути дела не дает нам удовлетворительного ответа на него. В случае объекта, сравнимого с крикетным шаром, нам необходимо рассматривать систему на «классическом уровне». Или, как принято обычно говорить, производить «наблюдение» или «измерение» над крикетным шаром. Но в этом случае в качестве вероятностей, описывающих реальные альтернативы, необходимо рассматривать квадраты модулей комплекснозначных амплитуд вероятности, входящие в наши линейные суперпозиции в виде весов. Однако при этом сразу возникает сомнение в правомерности замены подобным способом квантовой U-процедуры на R-процедуру. К этому вопросу мы еще вернемся в дальнейшем.

 

Гильбертово пространство

Напомним, что в главе 5 для описания классической системы было введено понятие фазового пространства. Каждая точка фазового пространства используется для представления (классического) состояния физической системы как целого. В квантовой теории соответствующим аналогичным понятием является гильбертово пространство [147]Это важное понятие бесконечномерного пространства, с которым нам уже приходилось встречаться в предыдущих главах, ввел Давид Гильберт задолго до открытия квантовой механики и для совершенно других математических целей!
. Одна точка гильбертова пространства представляет квантовое состояние системы как целого. Нам необходимо бросить хотя бы беглый взгляд на математическую структуру гильбертова пространства. Надеюсь, что читателя не устрашит такая перспектива. В том, что я намереваюсь сказать, нет ничего математически очень сложного, хотя некоторые идеи могут показаться непривычными.

Наиболее фундаментальное свойство гильбертова пространства заключается в том, что оно представляет собой так называемое векторное пространство, а фактически комплексное векторное пространство. Это означает, что, сложив любые два элемента гильбертова пространства, мы получим элемент, также принадлежащий этому же пространству. Кроме того, когда мы производим сложение элементов гильбертова пространства, их разрешается умножать на комплекснозначные веса. Мы должны уметь делать такие операции, ибо они входят в состав только что рассмотренной квантовой линейной суперпозиции, а именно операции, ранее давшие нам фотонные состояния ψ t + ψ b , ψ t — ψ b , ψ t + iψ b и т. д. По существу, все что мы имеем в виду, используя термин «комплексное векторное пространство», сводится к разрешению образовывать взвешенные суммы указанного типа.

Удобно принять систему обозначений (предложенную главным образом Дираком), согласно которой элементы гильбертова пространства называются векторами состояния и обозначаются угловыми скобками |ψ ) (важное примечание),

и т. д.

Теперь эти символы обозначают квантовые состояния. Операцию сложения двух векторов состояния мы записываем в виде

или с комплексными весами ω и z

#i_135.png

где ω |ψ ) означает ω х |ψ ) и т. д. Соответствующим образом мы можем записать приведенные выше комбинации ψ t + ψ b , ψ t — ψ b , ψ t + iψ b в виде

|ψ t ) + |ψ b ), |ψ t ) — |ψ b ), |ψ t ) + i |ψ b ), и т. д.

Мы можем также просто умножить одно состояние |ψ ) на комплексное число ω и получить

ω |ψ )

(в действительности это — частный случай приведенной выше комбинации состояний с комплексными весами при z = 0).

Напомним, что нам разрешается рассматривать комбинации с комплекснозначными весами ω и z и в том случае, когда ω и z — не являются амплитудами вероятности, а лишь им пропорциональны. Соответственно, мы принимаем правило, согласно которому весь вектор состояния можно умножить на отличное от нуля комплексное число, и физическое состояние от этого не изменится. (В результате такого умножения изменились бы значения весов ω и z , но отношение ω: z осталось бы неизменным.) Каждый из векторов

представляет одно и то же физическое состояние, как и любой вектор z |ψ ), где z ≠ 0. Единственный элемент гильбертова пространства, не допускающий интерпретацию как физическое состояние, есть нулевой вектор 0 (начало координат гильбертова пространства).

Чтобы получить некоторое геометрическое представление этой картины, рассмотрим сначала более привычное понятие «вещественного» вектора. Такой вектор принято изображать просто как стрелку, проведенную на плоскости или в трехмерном пространстве. Сложение двух таких векторов производится по правилу параллелограмма (рис. 6.19).

Рис. 6.19. Сложение и умножение на скаляры векторов в гильбертовом пространстве можно наглядно представить как соответствующие операции для векторов в обычном пространстве

Операция умножения вектора на положительное (вещественное) число сводится в таком представлении просто к умножению длины рассматриваемой стрелки на заданное число (направление стрелки при этом остается неизменным). Если же мы умножаем стрелку на отрицательное число, то направление стрелки изменяется на противоположное. Если число, на которое требуется умножить стрелку, равно 0, то мы получаем нулевой вектор 0, который не имеет направления. (Вектор 0 представлен «нулевой стрелкой», имеющей нулевую длину.) Одним из примеров векторной величины может служить сила, действующая на частицу. Другими примерами могут служить классические скорости, ускорения и импульсы. Существуют также 4-векторы импульса, которые мы рассматривали в конце предыдущей главы. Это — векторы не в двумерном и не в трехмерном пространстве, а в четырехмерном. Но для гильбертова пространства нам понадобятся векторы с гораздо большим числом измерений (в действительности, часто даже бесконечномерные, но для нас это обстоятельство сейчас несущественно). Напомним, что мы всегда использовали стрелки, чтобы изобразить векторы в классическом фазовом пространстве, которое могло иметь очень высокую размерность. Говоря об «измерениях» фазового пространства, как и об «измерениях» гильбертова пространства, мы не имеем в виду обычные пространственные направления. Отнюдь! Каждое измерение гильбертова пространства соответствует одному из различных независимых физических состояний квантовой системы.

Вследствие эквивалентности между |ψ ) и z |ψ ), физическое состояние в действительности соответствует целой прямой, проходящей через начало координат 0, (или лучу ) в гильбертовом пространстве (описываемом всеми кратными некоторого вектора), а не просто каким-то конкретным вектором, лежащим на этой прямой. Луч состоит из всех возможных кратных некоторого конкретного вектора состояния |ψ ). (Следует иметь в виду, что речь идет о комплексных кратных, поэтому прямая в действительности представляет собой комплексную прямую, но об этом пока лучше не беспокоиться!) (См. рис. 6.20.)

Рис. 6.20 . Физические квантовые состояния описываются лучами в гильбертовом пространстве

Скоро пред нами предстанет весьма изящная картина такого пространства лучей для случая двумерного гильбертова пространства. Другой предельный случай — бесконечномерное гильбертово пространство. Бесконечномерное гильбертово пространство возникает даже в простой ситуации локализации одной частицы. Тогда для каждого возможного положения, которое могла бы занимать частица, существует целое измерение! Каждое положение частицы определяет в гильбертовом пространстве целую «координатную ось», поэтому с учетом бесконечно многих различных положений частицы мы имеем бесконечно много различных независимых направлений (или «измерений») в гильбертовом пространстве. Импульсные состояния также могут быть представлены в том же самом гильбертовом пространстве. Поскольку импульсные состояния представимы в виде комбинаций конфигурационных состояний, то они соответствуют осям, идущим «по диагонали» — наклоненным относительно осей в конфигурационном пространстве. Совокупность всех импульсных состояний дает нам новую систему осей, и переход от осей конфигурационного пространства состояний к осям импульсного пространства состояний сводится к повороту в гильбертовом пространстве.

Не следует пытаться наглядно представить себе это сколько-нибудь точно. Такая попытка была бы неразумной! Однако некоторые идеи, почерпнутые из обычной евклидовой геометрии, могут оказаться очень полезными. В частности, рассматриваемые нами оси (либо все оси в конфигурационном пространстве состояний, либо все оси в импульсном пространстве состояний) следует считать взаимно ортогональными , т. е. расположенными под «прямыми» углами друг к другу. «Ортогональность» лучей — понятие, важное для квантовой механики. Ортогональные лучи соответствуют состояниям, которые независимы друг от друга. Различные возможные конфигурационные состояния частицы все взаимноортогональны, как и все различные возможные импульсные состояния. Но конфигурационные состояния не ортогональны импульсным состояниям. Весьма схематично эта ситуация представлена на рис. 6.21.

Рис. 6.21. Конфигурационные состояния и импульсные состояния приводят к различному выбору ортогональных осей в одном и том же гильбертовом пространстве

 

Измерения

Общее правило R для измерения (или наблюдения) требует, чтобы различные состояния квантовой системы, которые могут быть одновременно увеличены до классического уровня (на котором система должна выбрать одно из них), всегда должны быть взаимно ортогональны. Набор альтернатив, отобранный в результате полного измерения, образует систему ортогональных базисных векторов. Это означает, что каждый вектор в гильбертовом пространстве может быть (единственным образом) представлен в виде линейной комбинации этих векторов. Для измерения положения, произведенного над системой, состоящей из одной частицы, такие базисные векторы определяют те самые оси в конфигурационном пространстве состояний, о которых мы уже упоминали. Для измерения импульса это был бы другой набор, определяющий оси в импульсном пространстве состояний. Для полного измерения любого другого рода этот набор также был бы другим. После измерения состояние системы скачком переходит на одну из осей набора, соответствующего данному измерению, причем выбор оси происходит чисто случайным образом. Не существует динамического закона, который сказал бы нам, какая из осей будет выбрана природой. Ее выбор случаен, а значения вероятности определяются квадратами модулей амплитуд вероятности.

Предположим, что над системой, состояние которой |ψ ), произведено некоторое полное измерение, причем базисом для выбранного измерения служит набор

|0 ), |1 ), |2 ), |3 )….

Так как эти состояния образуют полный набор, то любой вектор состояния и, в частности, |ψ ) можно представить в виде их линейной комбинации

|ψ ) = z 0 |0 ) + z 1 |1 ) + z 2 |2 ) + z 3 |3 ) +….

Геометрически коэффициенты z 0 , z 1 , z 2 …. являются величинами ортогональных проекций вектора |ψ ) на различные оси |0 ), |1 ), |2 ), |3 )…. (рис. 6.22).

Рис. 6.22. Величины ортогональных проекций состояния | ψ ) на оси | 0 ), | 1 ), | 2 )…. дают требуемые амплитуды z 0 , z 1 , z 2 ….

Сразу возникает желание истолковать комплексные числа z 0 , z 1 , z 2 … как искомые амплитуды вероятности, квадраты модулей которых давали бы различные вероятности того, что после измерения наша система будет находиться, соответственно, в состояниях |0 ), |1 ), |2 ), |3 )…. Однако этого еще нельзя сделать, пока не определена «шкала» различных базисных векторов |0 ), |1 ), |2 )…. Для этого мы должны оговорить, что в некотором смысле эти векторы являются единичными (т. е. имеют единичную длину), и, таким образом, они образуют так называемый ортонормированный базис (элементы которого попарно ортогональны и нормированы на единицу). Если вектор |ψ ) также нормирован на единицу, то искомые амплитуды действительно станут коэффициентами z 0 , z 1 , z 2 …, вектора |ψ ), а вероятности, которые требуется найти, будут равны |z 0 |2 , |z 1 |2 , |z 2 |2 ….. Если |ψ ) — не единичный вектор, то приведенные выше числа пропорциональны, соответственно, искомым амплитудам и вероятностям. Действительные амплитуды будут равны

где |ψ ) — «длина» вектора состояния |ψ ).

Эта «длина» — положительное действительное число, определенное для каждого вектора состояния (0 имеет нулевую длину), и |ψ | = 1, если |ψ ) — единичный вектор.

Полное измерение представляет собой весьма идеализированный тип измерения. Например, полное измерение положения частицы потребовало бы от нас способности локализовать частицу с бесконечной точностью, где бы во вселенной она ни находилась! К более элементарному типу измерения относится такое измерение, когда мы просто задаем вопрос типа «да или нет», например, такой: «Расположена ли частица справа (или слева) от некоторой прямой?» или «Лежит ли импульс частицы в некотором интервале?» и т. д. Измерения типа «да или нет» в действительности представляют собой наиболее фундаментальный тип измерения. (Например, используя только лишь измерения типа «да или нет», можно сколь угодно близко подойти к точному значению положения или импульса частицы.) Предположим, что результатом измерения типа «да или нет» оказывается ДА. Тогда вектор состояния должен находиться в области «ДА» гильбертова пространства, которую я обозначу Y (от англ. yes — «да». — Прим. ред.). С другой стороны, если результатом измерения типа «да или нет» оказывается НЕТ, то вектор состояния должен находиться в области «НЕТ» гильбертова пространства, которую я обозначу N (от англ. no — «нет». — Прим. ред.). Области Y и N полностью ортогональны друг другу в том смысле, что любой вектор состояния из области Y должен быть ортогонален любому вектору состояния из области N (и наоборот). Кроме того, любой вектор состояния |ψ ) может быть (единственным образом) представлен в виде суммы векторов, принадлежащих каждой из областей Y и N. Если воспользоваться математической терминологией, то можно сказать, что области Y и N являются ортогональными дополнениями друг друга. Таким образом, |ψ ) однозначно представи́м в виде

|ψ ) = |ψ Y ) + |ψ N )

где |ψ Y ) принадлежит Y, a |ψ N ) принадлежит N. Здесь |ψ Y ) означает ортогональную проекцию состояния |ψ ) на Y, a |ψ N ) — ортогональную проекцию состояния |ψ ) на N (рис. 6.23).

Рис. 6.23. Редукция вектора-состояния. Измерение может быть описано в терминах пары подпространств Y и N, каждое из которых является ортогональным дополнением другого. После измерения состояние | ψ ) скачком переходит в свою проекцию на одно из этих подпространств с вероятностью, задаваемой множителем, показывающим, во сколько раз квадрат длины вектора состояния уменьшается при переходе к проекции

Если результат измерения есть ДА, то |ψ ) скачком переходит в |ψ Y ), а если результат есть НЕТ, то в |ψ N ). Если вектор состояния |ψ ) нормирован, то соответствующие вероятности того и другого исхода равны квадратам длин

|ψ Y |2 и |ψ N |2 состояний-проекций. Если же вектор |ψ ) не нормирован, то каждый из этих квадратов необходимо разделить на |ψ |2 . (По «теореме Пифагора»

|ψ |2  = |ψ Y |2  + |ψ N |2 , т. е. сумма вероятностей, как и должно быть, равна единице!) Заметим, что вероятность скачкообразного перехода состояния |ψ ) в состояние |ψ Y ) определяется отношением, показывающим, во сколько раз квадрат длины вектора |ψ ) уменьшается при таком проецировании.

В заключение необходимо сделать одно замечание относительно таких «актов измерения», которые можно производить над квантовой системой. Из самих основ квантовой теории следует, что для любого состояния, скажем, для |X ), существует измерение типа «да или нет», результатом которого будет ДА, если измеряемое состояние пропорционально |X ), и НЕТ, если оно ортогонально |X ). Таким образом, введенная выше область Y могла бы состоять из всех состояний, кратных любому выбранному состоянию |X ). Из этого утверждения, по-видимому, следует весьма сильное заключение о том, что векторы состояния должны быть объективно реальными. Каким бы ни было состояние физической системы (давайте назовем его |X )), существует в принципе выполнимое измерение, для которого |X ) — единственное (с точностью до пропорциональности) состояние, с достоверностью приводящее к результату ДА. Может оказаться, что для некоторых состояний |X ) выполнить такое измерение будет чрезвычайно трудно, а порою практически «невозможно». Но тот факт, что согласно теории существует принципиальная возможность такого измерения, приведет позднее в этой главе к некоторым поразительным следствиям.

 

Спин и сфера Римана состояний

Величину, которую в квантовой механике принято называть «спином », иногда считают самой «квантовомеханической» из всех физических величин, поэтому мы поступим разумно, уделив ей некоторое внимание. Что такое спин? По существу, спин — это мера, характеризующая вращение частицы. Термин «спин» действительно наводит на мысль о чем-то, напоминающем вращение крикетного шара или бейсбольного мяча. Вспомним понятие углового момента , который, подобно энергии и импульсу, является сохраняющейся величиной (см. главу 5 «Динамика Галилея и Ньютона», а также Главу 6 «Начало квантовой теории»). Угловой момент тела остается постоянным во времени до тех пор, пока движение тела не возмущает трение или какие-нибудь другие силы. Он и есть то, чем на самом деле является квантовомеханический спин, но сейчас нас интересует «вращение» отдельной частицы самой по себе, а не обращение по орбитам мириад частиц вокруг общего центра масс (как это было бы в случае крикетного шара). Замечательный физический факт состоит в том, что большинство частиц, обнаруживаемых в Природе, действительно совершают «вращение» в только что указанном смысле, причем каждая частица обладает спином, величина которого специфична только для нее. Но, как мы увидим дальше, спин отдельной квантовомеханической частицы обладает некоторыми весьма экстравагантными свойствами, — совсем не теми, которые мы могли бы ожидать, исходя из своего опыта обращения с закрученным крикетными шарами.

Прежде всего, для частиц определенного типа величина спина всегда одна и та же . Изменяться (причем очень странным образом, о чем мы вскоре узнаем) может только направление спина. Это резко контрастирует с крикетным шаром, который может быть закручен всеми возможными способами как угодно сильно или слабо в зависимости от того, как он был запущен! Для электрона, протона или нейтрона величина спина всегда равна ħ /2 , т. е. ровно половине наименьшего положительного значения, которое по Бору было изначально допустимым для квантованной величины углового момента атомов. (Напомним, что допустимыми значениями были 0 , ħ , 2ħ , 3ħ ….) Здесь же нам требуется половина фундаментальной единицы ħ , и, в некотором смысле, ħ /2 сама по себе есть даже более фундаментальная единица. Такая величина углового момента не была бы допустима для объекта, состоящего только из орбитальных частиц, не вращающихся самих по себе. Такая величина может возникнуть только потому, что спин — это внутренне присущее свойство самой частицы (т. е. он не является результатом орбитального движения ее «частей» вокруг некоторого центра).

Частица со спином, равным нечетному кратному ħ /2 (т. е. ħ /2 , 3ħ /2 или 5ħ /2 и т. д.) называется фермионом и обладает любопытной квантовомеханической особенностью: полный поворот на 360° переводит ее вектор состояния не в себя, а в себя со знаком минус! Многие частицы, встречающиеся в природе, относятся к числу фермионов, и мы еще узнаем позднее о них и их необычных свойствах, столь жизненно важных для нашего существования. Остальные частицы со спином, равным четному кратному ħ /2 , т. е. целому кратному ħ (а именно 0 , ħ , 2ħ , 3ħ …), называются бозонами . При повороте на 360° вектор состояния бозона переходит точно в себя .

Рассмотрим частицу с половинным спином , т. е. со значением спина ħ /2 . Для определенности я буду называть такую частицу электроном , но ею с таким же успехом мог бы быть протон или нейтрон, а также атом подходящего вида. («Частица» может состоять из отдельных частей, если ее можно рассматривать квантовомеханически как единое целое с вполне определенным полным угловым моментом.) Предположим, что наш электрон покоится, и рассмотрим только его спиновое состояние. Пространство квантовомеханических состояний (гильбертово пространство) оказывается в этом случае двумерным , поэтому мы можем выбрать базис, состоящий всего лишь из двух состояний. Я обозначу их |↑) и |↓), чтобы указать, что в состоянии |↑) спин вращается слева направо относительно вертикального направления снизу вверх, в то время как в состоянии |↓) спин вращается слева направо относительно вертикального направления сверху вниз (рис. 6.24).

Рис. 6.24. Базис спиновых состояний электрона состоит всего лишь из двух состояний. В качестве них принято выбирать состояния спин вверх и спин вниз

Состояния |↑) и |↓) взаимно ортогональны, и мы считаем их нормализованными (|↑|2 и |↓|2 = 1 ). Любое возможное состояние спина электрона представимо в виде линейной суперпозиции, например, ω |↑)  + z |↓) , именно этих двух ортонормированных состояний |↑) и |↓), т. е. состояний спин вверх и спин вниз .

Нужно сказать, что в состояниях спин вверх и спин вниз нет ничего особенного. С тем же успехом мы могли бы описывать спин, вращающийся слева направо вокруг любого другого направления, например, слева-направо |→) и противоположного ему справа-налево |←) . Тогда (при подходящем выборе комплексных весов) мы получили бы для |↑) и |↓) :

|→) = |↑) + |↓) и |←) = |↑) — |↓).

Это позволяет нам по-новому взглянуть на ситуацию. Любое спиновое состояние электрона есть линейная суперпозиция двух ортогональных состояний |→) и |←),т. е. спинов направо и налево. Можно выбрать какое-нибудь совершенно произвольное направление, например, вектор состояния.

Он также является линейной комбинацией спинов |↑) и |↓) с некоторыми комплексными коэффициентами, скажем,

а любое спиновое состояние было бы представимо в виде линейной комбинации этого состояния

и ортогонального ему состояния

(Заметим, что понятие «ортогональный» в гильбертовом пространстве не обязательно означает «образующий прямой угол с…» в обычном пространстве. Ортогональные вектора состояния в гильбертовом пространстве в данном случае соответствуют диаметрально противоположным направлениям, а не образующим друг с другом прямой угол.)

Каково геометрическое соотношение между направлением в пространстве, определяемым спином

и двумя комплексными числами ω и z ? Так как физическое состояние, задаваемое спином

останется неизменным, если мы умножим

на любое ненулевое комплексное число, то значение имеет только отношение числа z к числу ω . Обозначим это отношение через

q = z /ω .

Тогда q будет обычным комплексным числом за исключением того, что теперь ему разрешено принимать значение q  = ∞, чтобы не упускать из рассмотрения ситуацию с ω = 0 , т. е. когда спин направлен вертикально вниз. Если q ≠ ∞, то мы можем представить q как точку на плоскости Аргана, как мы делали это в главе 3. Представим себе, что эта плоскость Аргана расположена горизонтально в пространстве, причем действительная ось направлена вправо в вышеуказанном смысле (т. е. в направлении спинового состояния |→) ). Представим теперь сферу единичного радиуса, центр которой совпадает с началом координат плоскости Аргана, а точки 1 , i,  — 1 , -i лежат на экваторе этой сферы. Рассмотрим точку, совпадающую с южным полюсом этой сферы, который мы обозначим ∞. Осуществляя проекцию из южного полюса, мы отобразим всю плоскость Аргана на нашу единичную сферу. В результате любая точка q на плоскости Аргана окажется поставленной в соответствие единственной точке q на этой сфере, лежащей на прямой, соединяющей эти две точки с южным полюсом (рис. 6.25).

Рис. 6.25. Сфера Римана, представленная как пространство физически различных спиновых состояний частицы со спином 1 / 2 . Сфера Римана стереографически спроецирована из ее южного полюса ( ∞ ) на плоскость Аргана, проходящую через экватор сферы

Такое соответствие называется стереографической проекцией и обладает многими красивыми геометрическими свойствами (например, сохраняет углы и отображает окружности в окружности). Такая проекция позволяет нам параметризовать точки сферы комплексными числами вместе с ∞, т. е. множеством возможных комплексных отношений q . Сфера, параметризованная таким образом, называется сферой Римана . Геометрический смысл сферы Римана для спиновых состояний электрона состоит в том, что направление спина, задаваемое соотношением

определяется реальным направлением из центра в точку q = z /ω , как показано на изображении сферы Римана. Заметим, что северный полюс соответствует состоянию |↑), задаваемому соотношением z = 0 , т. е. q = 0 , а южный полюс — состоянию |↓), задаваемому соотношением ω = 0 , т. е. q = ∞. Самая правая точка сферы Римана помечена значением q  = 1 , что соответствует состоянию |→) = |↑) + |↓) а самая левая точка сферы Римана соответствует q = -1 , что дает спиновое состояние |←) = |↑) — |↓). Самая дальняя задняя точка сферы Римана помечена значением q = i , соответствующим состоянию |↑) + i |↓) , в котором спин направлен прямо от нас, а самая близкая точка сферы Римана помечена значением q = — i , соответствующим состоянию |↑) — i |↓) , в котором спин направлен прямо к нам. Произвольная точка, помеченная q , соответствует состоянию |↑) + q |↓) .

Как все это связано с измерением, которое можно было бы произвести над спином электрона? Выберем некоторое направление в пространстве и обозначим его а. Если мы измеряем спин электрона в этом направлении, то ответ ДА означает, что электрон (теперь) действительно вращается слева направо вокруг направления а, в то время как ответ НЕТ означает, что электрон вращается слева направо вокруг направления, противоположного α .

Предположим, что мы получили ответ ДА, и обозначим результирующее состояние |α ). Если мы просто повторим измерение, используя в точности такое же направление α , как прежде, то с вероятностью 100 % обнаружим, что ответ будет ДА. Но если при втором измерении мы изменим направление и выберем новое направление β , то обнаружим, что вероятность ответа ДА (состояние перепрыгивает в |β )) будет несколько меньшей, и существует некоторая возможность появления во втором измерении ответа НЕТ (состояние перепрыгивает в направление, противоположное β ). Как нам вычислить эту вероятность? Ответ на этот вопрос содержится в предписаниях, приведенных в конце предыдущего раздела. Вероятность ответа ДА для второго измерения оказывается равной

1 /2 (1 +cos v )

где v — угол между направлениями α и β . Соответственно, вероятность ответа НЕТ для второго измерения равна

1 /2 (1 — cos v )

Отсюда видно, что если второе измерение производится под прямым углом к первому, то вероятность составляет 50 % в обоих случаях (cos 90° = 0 ); результат второго измерения полностью случаен! Если угол между двумя измерениями острый, то ответ ДА более вероятен, чем ответ НЕТ. Если этот угол — тупой, то ответ НЕТ более вероятен, чем ДА. В предельном случае, когда направление β противоположно направлению α , вероятность равна 0 для ответа ДА и 100 % для ответа НЕТ, т. е. результат второго измерения заведомо обратен результату первого измерения. (См. Фейнман и др. [1965] для дальнейшего знакомства со спином.)

Сфера Римана действительно играет фундаментальную (но не всегда признанную) роль в любой квантовой системе с двумя состояниями, описывая (с точностью до коэффициента пропорциональности) набор возможных квантовых состояний. Для частицы с полуцелым спином ее геометрическая роль особенно очевидна, так как точки сферы соответствуют возможным пространственным направлениям спиновых осей.

Увидеть роль сферы Римана во многих других ситуациях труднее. Рассмотрим фотон, только что прошедший через две щели или отразившийся от полупосеребренного зеркала. Состояние фотона есть некоторая линейная комбинация типа

|ψ t ) + |ψ b ), |ψ t ) — |ψ b ) или |ψ t ) + i |ψ b )

двух состояний |ψ t ) и |ψ b ), описывающих две совершенно различные локализации. Сфера Римана по-прежнему описывает набор физически различных возможностей, но теперь лишь абстрактно . Состояние |ψ t ) представлено северным полюсом («верхушкой») сферы, а состояние |ψ b ) — южным полюсом («дном») сферы. Соответственно, состояния |ψ t ) + |ψ b ), |ψ t ) — |ψ b ) и |ψ t ) + i |ψ b ) представлены различными точками на экваторе, и в общем случае состояние ω |ψ t ) + z |ψ b ) представлено точкой, задаваемой отношением q = z /ω . Во многих случаях (как и в рассматриваемом примере) возможности «богатства сферы Римана» довольно глубоко упрятаны, не имея прямого отношения к геометрии пространства!

 

Объективность и измеримость квантовых состояний

Несмотря на то, что мы обычно располагаем только вероятностями для результата некоторого эксперимента, нам кажется, что в квантовомеханическом состоянии есть все же нечто объективное. Часто высказывают утверждение, что векторы состояния — всего лишь удобное представление «нашего знания» о физической системе — или, может быть, вектор состояния описывает на самом деле не одну-единственную систему, а лишь дает вероятностную информацию об «ансамбле» большого числа одинаковым образом приготовленных систем. Такие высказывания поражают меня неразумной робостью относительно того, что квантовая механика должна нам сообщить о «реальности» физического мира.

Некоторая осторожность и сомнение относительно «физической реальности» векторов состояния, по-видимому, проистекает из того, что согласно теории набор измеримых величин строго ограничен. Рассмотрим спиновое состояние электрона, как было описано выше. Предположим, что спиновым состоянием оказывается |α ), но мы этого не знаем, т. е. нам неизвестно «направление» α , вокруг которого как вокруг оси вращается электрон. Можем ли мы определить это направление с помощью эксперимента? Нет, не можем. Лучшее, что мы можем сделать, это извлечь «один бит» информации, т. е. получить ответ на один вопрос типа «да или нет». Мы можем выбрать в пространстве некоторое направление β и измерить спин электрона в этом направлении. В результате измерения мы получим ответ либо ДА, либо НЕТ, но после этого информация о первоначальном направлении спина будет утрачена. Получив ответ ДА, мы будем знать, что теперь состояние спина пропорционально |β ), а при ответе НЕТ, что теперь состояние спина имеет направление, противоположное β . Но ни в одном из этих случаев ответ ничего не говорит нам о направлении α до измерения, а лишь дает нам некоторую вероятностную информацию о направлении α .

С другой стороны, в самом направлении α , вокруг которого электрон «вращается как вокруг оси» до того, как произведено измерение, по-видимому, есть нечто полностью объективное . Действительно, мы могли бы остановить свой выбор на измерении спина электрона в направлении α , и электрон должен быть приготовлен так, чтобы достоверно (т. е. с вероятностью 100 %) дать ответ ДА, если мы случайно угадаем истинное направление спина! Каким-то образом «информация» о том, что электрон действительно должен дать именно такой ответ, хранится в спиновом состоянии электрона.

Мне кажется, что при обсуждении вопроса о физической реальности в квантовой механике мы должны проводить различие между тем, что «объективно», и тем, что «измеримо». Действительно, вектор состояния системы несомненно не измерим в том смысле, что на основе экспериментов, произведенных над системой, невозможно определить (с точностью до коэффициента пропорциональности), каким является это состояние. Но очевидно, что вектор состояния является (опять-таки с точностью до коэффициента пропорциональности) объективным свойством системы, и полностью характеризуется результатами измерений, которые могут быть произведены над системой. В случае одной частицы со спином 1 /2 , например, электрона, такая объективность не является бессмысленной, так как она сводится просто к утверждению о том, что существует некое направление, относительно которого спин электрона точно определен, даже если мы не знаем, каково это направление. (Однако, как мы увидим в дальнейшем, такое представление относительно «объективности» в случае более сложных систем выглядит намного более странным — даже для системы, состоящей всего лишь из двух частиц со спинами 1 /2 .)

Но должен ли спин электрона вообще находиться в каком-нибудь физически определенном состоянии, прежде чем он будет измерен? Во многих случаях он не имеет определенного состояния, так как не может рассматриваться как автономная квантовая система. Вместо этого квантовое состояние в общем случае следует рассматривать как описание электрона, неразрывно связанного с большим числом других частиц. Но в особых случаях электрон (по крайней мере, если речь идет о его спине) можно рассматривать сам по себе. Например, в случае, когда спин электрона был точно измерен в некотором (возможно, неизвестном) направлении, а затем электрон в течение некоторого времени оставался невозмущенным, то его спин (в полном соответствии со стандартной квантовой теорией) объективно будет иметь вполне определенное направление.

 

Копирование квантового состояния

Объективность, но неизмеримость спинового состояния электрона поясняет еще один важный факт: невозможно скопировать квантовое состояние, оставив оригинальное состояние в неприкосновенном виде! Предположим, что мы могли бы изготовить копию спинового состояния электрона |α ). Если бы нам удалось сделать это один раз, то Мы могли бы сделать это еще раз, а затем повторить еще и еще. Результирующая система имела бы огромный угловой момент вполне определенного направления. Это направление (обозначим его α ) могло бы быть установлено с помощью макроскопического измерения. Но тогда оказалась бы нарушенной принципиальная неизмеримость спинового состояния |α ).

Но если мы готовы разрушить исходное состояние, то скопировать квантовое состояние все же возможно. Допустим, что у нас есть электрон в некотором неизвестном спиновом состоянии |α ) и нейтрон в некотором другом спиновом состоянии |γ ). Вполне законно произвести обмен этими состояниями так, чтобы спиновым состоянием нейтрона стало |α ), а спиновым состоянием электрона |γ ). То, что мы не можем — это изготовить спиновое состояние |α ) в двух экземплярах (если только мы уже не знаем, каково состояние |α ) на самом деле)! (См. также Вутгерс, Цурек [1982].)

Вспомним рассмотренную в главе 1(подгл. «Железо» и «софт», прим.38) «машину для телепортации». Ее работа было основана на принципиальной возможности собрать на удаленной от нас планете полную копию тела и головного мозга какого-нибудь человека. Интригующе интересно предположить, что человеческое сознание может зависеть от некоторых аспектов квантового состояния. Если это так, то квантовая теория запрещала бы нам изготовление копии этого «сознания» без разрушения состояния оригинала — и тем самым можно было бы разрешить «парадокс» телепортации. Возможность существенного влияния квантовых эффектов на функционирование головного мозга будет рассмотрена в двух заключительных главах.

 

Спин фотона

Рассмотрим теперь «спин» фотона и его связь со сферой Римана. Фотоны действительно обладают спином, но поскольку они всегда движутся со скоростью света, их спин нельзя рассматривать как вращение вокруг какой-то неподвижной точки; ось спина фотона всегда совпадает с направлением движения. Спин фотона называется поляризацией . Поляризация — это явление, на котором основано действие «поляроидных» солнцезащитных очков. Возьмите два фрагмента поляроида, наложите их один на другой и посмотрите сквозь них. В общем случае вы увидите, что через них проходит некоторое количество света. Держа один из фрагментов неподвижно, поворачивайте другой фрагмент. Количество света, проходящего сквозь поляроиды, будет изменяться. При одной ориентации, когда проходит максимальное количество света, второй поляроид практически ничего не вычитает из светового потока, проходящего сквозь первый поляроид. Но при ориентации, выбранной под прямым углом к первой, свет практически вообще не проходит сквозь поляроиды.

Это явление легче всего понять в терминах волновой картины света. Здесь нам понадобится предложенный Максвеллом способ рассмотрения света как комбинации осциллирующих электрического и магнитного полей. На рис. 6.26 изображен плоскополяризованный свет. Электрическое поле осциллирует в плоскости, называемой плоскостью поляризации, а магнитное поле осциллирует в такт с электрическим, но в ортогональной плоскости.

Рис. 6.26. Плоскополяризованная электромагнитная волна

Каждый фрагмент поляроида пропускает свет, плоскость поляризации которого направлена вдоль структуры поляроида. Когда структура второго поляроида ориентирована так же, как структура первого, то весь свет, прошедший сквозь первый поляроид, проходит и сквозь второй. Но когда структуры двух поляроидов образуют прямой угол, то второй поляроид отсекает весь свет, прошедший сквозь первый поляроид. Если же два поляроида ориентированы друг относительно друга под некоторым углом φ , то второй поляроид пропускает долю, равную

cos 2 φ ,

света, прошедшего сквозь первый поляроид.

В корпускулярной картине мы должны считать, что каждый индивидуальный фотон обладает поляризацией. Первый поляроид действует как измеритель поляризации, давая ответ ДА, если фотон действительно поляризован в соответствующем направлении. В этом случае фотону разрешается пройти сквозь поляроид. Если же фотон поляризован в ортогональном направлении, то измерение первым поляроидом даст ответ НЕТ, и фотон будет поглощен. (В данном случае «ортогональность» в гильбертовом пространстве соответствует прямому углу между направлениями в обычном пространстве!) Предположим, что фотон проходит сквозь первый поляроид, после чего второй поляроид задает ему соответствующий вопрос, но уже относительно некоторого другого направления. Угол между этими двумя направлениями равен φ , как в упомянутом выше случае. Тогда мы имеем cos 2 φ в качестве вероятности того, что фотон пройдет сквозь второй поляроид при условии, что он уже прошел сквозь первый поляроид.

Где же здесь появляется сфера Римана? Чтобы получить полный набор состояний поляризации, описываемый комплексными числами, нам необходимо рассмотреть круговую и эллиптическую поляризацию. Для классической волны эти разновидности поляризации представлены на рис. 6.27.

Рис. 6.27. Электромагнитная волна с круговой поляризацией. (Эллиптическая поляризация занимает промежуточное положение между плоской (рис. 6.26) и круговой (рис. 6.27) поляризацией.)

При круговой поляризации электрическое и магнитное поля не осциллируют, а согласованно вращаются , по-прежнему образуя между собой прямой угол. При эллиптической поляризации существует некоторая комбинация вращательного и колебательного движений, а вектор электрического поля «вычерчивает» в пространстве эллипс . В квантовом описании каждому индивидуальному фотону разрешается находиться в любом из спиновых состояний, т. е. быть поляризованным любым из названных выше способов.

Чтобы понять, как набор возможных поляризаций снова образует сферу Римана, представим себе фотон, который движется вертикально вверх. Северный полюс теперь представляет состояние |R ) — правовинтовой спин. Это означает, что электрический вектор движущегося фотона вращается против часовой стрелки относительно вертикали (если смотреть сверху). Южный полюс представляет состояние |L ) — левовинтовой спин. (Фотоны можно представлять вращающимися наподобие ружейной пули, либо слева направо, либо справа налево.) Общее спиновое состояние |R ) + q |L ) представляет собой комплексную линейную комбинацию двух состояний |R ) и |L ) и соответствует точке на сфере Римана, помеченной значением q . Чтобы установить связь между значением q и эллипсом поляризации, мы прежде всего извлечем из q квадратный корень и получим другое комплексное число р :

р = √q

Затем нанесем р вместо q на сферу Римана и рассмотрим плоскость, проходящую через центр сферы перпендикулярно прямой, соединяющей центр сферы с точкой р . Эта плоскость пересекает сферу по окружности, проектируя которую на горизонталь, мы получаем эллипс поляризации (рис. 6.28).

Рис. 6.28 . Сфера Римана (но теперь со значениями √ q ) также описывает состояния поляризации фотона. (Вектор, направленный в точку √ q , называется вектором Стока .)

Сфера Римана со значениями q по-прежнему описывает совокупность поляризованных состояний фотона, но квадратный корень р из q дает нам ее пространственную реализацию.

Чтобы вычислить вероятности, мы можем воспользоваться той же самой формулой 1/2 (1 + cos v ), которой мы пользовались для электрона, применив ее к q , а не к р . Рассмотрим плоскую поляризацию. Мы измеряем поляризацию фотона сначала в одном направлении, затем в другом направлении, образующем с первым угол φ . Эти два направления соответствуют двум значениям р на экваторе сферы, стягивающим угол φ в центре сферы. Так как величины р — квадратные корни из величин q , угол v , под которым из центра видны q -точки, вдвое больше угла, под которым из центра видны p -точки: v = 2φ . Таким образом, вероятность получения ответа ДА после второго измерения при условии, что после первого измерения был получен ответ ДА (т. е. вероятность прохождения фотона через второй поляроид при условии, что он прошел сквозь первый поляроид) равна 1/2 (1 + cos φ ), что, как показывают несложные тригонометрические преобразования, в точности совпадает с cos 2 φ и утверждалось выше.

 

Объекты с большим спином

Для квантовой системы с числом базисных состояний больше двух пространство физически различимых состояний имеет более сложную структуру, чем сфера Римана. Но в случае спина самой сфере Римана всегда отведена некоторая прямая геометрическая роль. Рассмотрим массивную частицу или атом со спином n х ħ /2 в состоянии покоя. (Для безмассовых частиц со спином, т. е. частиц, которые движутся со скоростью света (как, например, фотон), спин всегда, как было описано выше, представляет собой систему с двумя состояниями. Но у массивной частицы число состояний увеличивается с увеличением спина.) Если мы захотим измерить спин такой частицы в некотором направлении, то обнаружим, что существуют n +1 различных возможных исходов измерения, в зависимости от того, какая часть от полного спина ориентирована в выбранном направлении. В терминах фундаментальной единицы ħ /2 возможные результаты для значений спина в выбранном направлении равны n , n — 2 , n — 4, …, 2 — n или — n. Следовательно, при n = 2 спин может быть равен (в единицах ħ /2 ) 2 , 0 или -2 , а при n = 3 это 3 ,1 , -1 или -3 и т. д. Отрицательные значения соответствуют спину, направленному главным образом в сторону, противоположную той, в которой производилось измерение. В случае спина, равного 1 /2 , т. е. при n = 1 , значение 1 соответствует ответу ДА, а значение -1 — ответу НЕТ (в приведенных выше описаниях).

Оказывается, хотя я не буду пытаться излагать здесь причины (Майорана [1932], Пенроуз [1987а]), что любое спиновое состояние (с точностью до коэффициента пропорциональности) для спина ħn /2 однозначно характеризуется (неупорядоченным) набором из n точек на сфере Римана, т. е. n (обычно различными) направлениями из ее центра (рис. 6.29). (Эти направления определяются измерениями, которые могут быть произведены над системой: если мы измерим спин в одном из этих направлений, то результат заведомо не будет целиком ориентирован в противоположном направлении, т. е. даст одно из значений n , n — 2 , n — 4 , …, 2 — n , но не — n .)

Рис. 6.29. Общее состояние с высшим спином для массивной частицы может быть описано как совокупность состояний со спином 1 / 2 , ориентированных в произвольных направлениях

В частном случае при n = 1 , как в приведенном выше примере с электроном, мы получим одну точку на сфере Римана. Это — просто точка, помеченная значением q в приведенных выше описаниях. Но для состояний с высшим спином картина, как я только что описал, значительно усложняется, хотя надо заметить, что это описание почему-то не очень знакомо физикам.

В этом описании есть нечто весьма удивительное. Часто высказывают мнение, что в некотором подходящем пределе квантовые описания атомов (или элементарных частиц, или молекул) с необходимостью переходят в классические ньютоновские описания, когда система увеличивается в размерах и усложняется. Но в такой формулировке такое утверждение просто неверно. Ибо, как мы только что видели, спиновые состояния объекта с большим угловым моментом соответствуют большому числу точек, разбросанных по сфере Римана. Мы можем мысленно представлять себе спин объекта как состоящим из целого множества спинов 1 /2 , ориентированных по всем различным направлениям, задаваемыми этими точками. Лишь весьма немногие из таких комбинированных состояний, а именно когда большинство точек концентрируются вместе в небольшой области на сфере (т. е. когда большинство спинов 1 /2 направлены примерно в одном и том же направлении), соответствуют реальным состояниям углового момента, которые мы обычно обнаруживаем у классических объектов, например, у крикетных шаров. Мы могли бы ожидать, что если выбрать спиновое состояние, в котором полный спин окажется равным (в единицах ħ /2 ) некоторому очень большому числу, а в остальном это выбор будет «случайным», то начнет возникать нечто похожее на классический спин. Но в действительности все происходит совсем не так. В общем случае квантовые спиновые состояния с большим полным спином совсем не похожи на классические спиновые состояния!

Как же в таком случае следует устанавливать соответствие с угловым моментом из классической физики? Хотя большинство квантовых состояний с большим спином не похожи на классические состояния, они представляют собой линейные комбинации (ортогональных) состояний, каждое из которых похоже на классическое состояние. Каким-то образом над системой оказывается произведенным «измерение», и состояние «скачком» переходит в то или другое состояние, похожее на классическое. Ситуация здесь аналогична той, которая складывается с любым другим классически измеримым свойством системы, а не только с угловым моментом. Именно этот аспект квантовой механики должен вступать в игру всякий раз, когда система «выходит на классический уровень». Более подробно я расскажу об этом в дальнейшем, но прежде чем мы сможем обсудить такие «большие» или «сложные» квантовые системы, нам необходимо хотя бы несколько разобраться в том странном способе, которым квантовая механика пользуется при рассмотрении систем, состоящих более чем из одной частицы.

 

Многочастичные системы

Квантовомеханические описания многочастичных состояний, к сожалению, очень сложны. В действительности такие описания чрезвычайно сложны. О них необходимо думать в терминах суперпозиций всех различных возможных расположений всех отдельных частиц! Это приводит к огромному числу возможных состояний — гораздо большему, чем в случае поля в классической теории. Мы уже видели, что квантовое состояние даже одной частицы, а именно волновая функция, обладает сложностями такого рода, которые характерны для всего классического поля. Эта картина (требующая для своего задания бесконечно большого числа параметров) гораздо сложнее, чем классическая картина одной частицы (для задания состояния которой требуется всего лишь небольшое число параметров — точнее, шесть параметров, если частица не обладает внутренними степенями свободы, например, спином; см. главу 5, «Гамильтонова механика»). Такая ситуация может показаться достаточно плохой, и можно было бы думать, что для описания квантового состояния двух частиц понадобится два поля , каждое из которых описывало бы состояние каждой частицы. Ничего подобного! Как мы увидим далее, в случае двух и более частиц описание квантового состояния становится гораздо сложнее.

Квантовое состояние одной (бесспиновой) частицы определяется комплексным числом (амплитудой) для каждого возможного положения, которое может занимать частица. Частица обладает амплитудой, чтобы находиться в точке А, и амплитудой, чтобы находиться в точке В, и амплитудой, чтобы находиться в точке С, и т. д. Подумаем теперь о двух частицах. Первая частица может находиться в точке А, а вторая, например, — в точке В. Возможность такого события должна была бы иметь некоторую амплитуду. С другой стороны, первая частица могла бы находиться в точке В, а вторая — в точке А, и такое расположение частиц также должно иметь некоторую амплитуду; возможно, что первая частица могла бы находиться в точке В, а вторая — в точке С или, может быть, обе частицы могли бы находиться в точке А. Каждый из этих возможных вариантов должен иметь некоторую амплитуду. Следовательно, волновая функция должна быть не просто парой функций положения (т. е. парой полей), а одной функцией двух положений!

Чтобы получить некоторое представление о том, насколько сложнее задать функцию двух положений по сравнению с двумя функциями положения, представим себе ситуацию, в которой существует лишь конечный набор допустимых положений. Предположим, что разрешены ровно 10 положений, заданных (ортонормированными) состояниями

Тогда состояние |φ ) одной частицы было бы какой-то линейной комбинацией

где различные коэффициенты z 0 , z 1 , z 2 ,…., z 9 дают, соответственно, амплитуды того, что частица находится попеременно в каждой из 10 точек. Десять комплексных чисел задают состояние одной частицы. В случае двухчастичного состояния нам понадобилось бы по одной амплитуде для каждой пары положений. Всего существуют

10 2 = 100

различных (упорядоченных) пар положений, поэтому нам потребовались бы 100 комплексных чисел! А если бы у нас были только два одночастичных состояния (т. е. «две функции положения», а не «одна функция двух положений», как в приведенном выше примере), то нам понадобилось бы всего лишь 20 комплексных чисел.

Пронумеруем эти 100 комплексных чисел следующим образом

а соответствующие (ортонормированные) базисные векторы

Тогда общее двухчастичное состояние можно было бы представить в виде

Такое обозначение состояний в виде «произведения» имеет следующий смысл: если |α ) — возможное состояние первой частицы (не обязательно состояние с определенным положением) и если |β ) — возможное состояние второй частицы, то состояние, в котором первая частица находится в состоянии |α ), а вторая — в состоянии |β ), можно представить в виде

|α ) |β ).

«Произведения» можно также брать между любыми другими парами квантовых состояний, а не обязательно между парами одночастичных состояний. Таким образом, мы всегда интерпретируем состояние-произведение |α ) |β ) (не обязательно состояний отдельных частиц) как конъюнкцию

«первая система находится в состоянии |α )» и

«вторая система находится в состоянии |β )»

(Аналогичная интерпретация справедлива и относительно |α ) |β ) |γ ) и т. д.; см. далее.) Однако общее двухчастичное состояние в действительности не имеет вид «произведения». Например, оно может быть представимо в виде

|α )|β ) + |ρ )|σ ),

где |ρ ) — еще одно возможное состояние первой системы,

а |σ ) — еще одно возможное состояние второй системы. Это состояние представляет собой линейную суперпозицию , а именно: суперпозицию первой конъюнкции состояний |α ) и |β ) плюс вторая конъюнкция состояний |ρ ) и |σ ), и не может быть представлено в виде простого произведения (т. е. как конъюнкция двух состояний). Еще один пример — состояние |α )|β ) — |ρ )|σ ) описывало бы другую такую линейную суперпозицию. Заметим, что квантовая механика требует проведения четкого различия между смыслом слов «плюс» и «и». И в обращении с этими словами нам следует быть более осторожными!

В случае трех частиц ситуация во многом аналогична. Чтобы задать общее трехчастичное состояние в приведенном выше примере, где имеются только 10 возможных положений, нам потребовалось бы теперь 1000 комплексных чисел! Полный базис для трехчастичных состояний состоял бы из следующих элементов:

|0 )|0 )|0 ), |0 )|0 )|1 ), |0 )|0 )|2 ), …, |9 )|9 )|9 ).

Частные трехчастичные состояния имели бы вид произведений трех сомножителей

|α )|β )|γ )

(где |α ), |β ) и |γ ) — не обязательно состояния с определенным положением), но для общего трехчастичного состояния нам понадобилось бы построить суперпозицию большого числа состояний типа этих простых «произведений». Соответствующая схема получения общего состояния для четырех и более частиц должна быть очевидна.

До сих пор мы рассматривали случай различимых частиц, когда все частицы: «первая», «вторая», «третья» и т. д. принадлежат к разным типам. Одна из поразительных особенностей квантовой механики заключается в том, что в случае «тождественных» частиц правила коренным образом меняются. Действительно, правила становятся такими, что в самом прямом смысле частицы определенного типа должны быть не просто почти тождественными, а в точности тождественными. Это относится ко всем электронам и ко всем фотонам. Но оказывается, что все электроны тождественны друг другу совсем не так , как тождественны все фотоны! Различие заключается в том, что электроны принадлежат к так называемым фермионам, тогда как фотоны принадлежат к бозонам. Эти два класса частиц надлежит рассматривать весьма различным образом.

Прежде чем я окончательно запутаю читателя этими словесными несуразностями, позвольте мне попытаться объяснить, как действительно следует характеризовать фермионные и бозонные состояния. Правило состоит в следующем. Если |ψ ) — состояние, содержащее некоторое число фермионов определенного типа, то при перестановке любых двух фермионов |ψ ) должно перейти в — |ψ ):

|ψ ) → — |ψ )

Если состояние |ψ ) содержит некоторое число бозонов определенного типа, то при перестановке любых двух бозонов |ψ ) должно перейти в |ψ ):

|ψ ) → |ψ )

Отсюда следует, что никакие два фермиона не могут находиться в одном и том же состоянии. Действительно, если бы какие-нибудь два фермиона находились в одном и том же состоянии, то их перестановка вообще никак не сказывалась бы на полном состоянии системы, следовательно должно было бы выполняться — |ψ )=|ψ ) т. е. |ψ )=0 , что не допустимо для квантового состояния. Это свойство известно как принцип запрета Паули , а его следствия для структуры вещества имеют фундаментальный характер. Действительно, все главные составляющие вещества: электроны, протоны и нейтроны принадлежат к числу фермионов. Не будь принципа запрета, вещество бы просто сколлапсировало!

Вернемся к нашему примеру с 10 положениями и предположим теперь, что у нас есть состояние, состоящее из двух тождественных фермионов. Состояние |0 )|0 ) исключается в силу принципа Паули (при перестановке первого множителя со вторым оно переходит в себя вместо того, чтобы переходить в себя со знаком минус). Кроме того, состояние |0 )|1 ) также само по себе должно быть исключено, так как при перестановке множителей знак минус не появляется; но это легко можно исправить, если заменить произведение |0 )|1 ) комбинацией

|0 )|1 ) — |0 )|1 ).

(Для нормировки оба члена можно было бы умножить на общий множитель 1 /√2 .) Это состояние правильно изменяет знак при перестановке первой частицы со второй, но теперь состояния |0 )|1 ) и |0 )|1 ) уже не независимы. Вместо этих двух состояний нам теперь разрешается иметь только одно состояние! Всего существует

1 /2  (10 х 9 ) = 45

состояний такого рода — по одному на каждую неупорядоченную пару различных состояний из |0 ), |1 )…., |9 ). Таким образом, для задания двухфермионного состояния в нашей системе необходимы 45 комплексных чисел. В случае трех фермионов нам требуются 3 различные позиции, и базисные состояния выглядят следующим образом

Всего таких состояний (10 х 9 х 8 )/ 6 = 120 , поэтому для задания трехфермионного состояния необходимы 120 комплексных чисел.

Для пары тождественных бозонов независимые базисные состояния бывают двоякого рода, а именно такие, как

|0 )|1 ) + |1 )|0 ),

и такие, как

|0 )|0 )

(которое теперь разрешается), что дает всего 10 х 11 /2 = 55 базисных состояний. Таким образом, для задания двухбозонных состояний требуется 55 комплексных чисел. Для трех бозонов существуют базисные состояния трех различных типов и для задания каждого из них требуются (10 х 11 х 12 )/ 6 = 220 комплексных чисел, и так далее.

Разумеется, для того, чтобы донести до читателя основные идеи, я рассматривал упрощенную ситуацию. Более реалистическое описание потребовало бы целый континуум состояний с определенным положением, но существенные идеи остаются такими же. Еще одно небольшое осложнение связано с наличием спина . Для каждой частицы со спином 1 /2 (такая частица с необходимостью является фермионом) в каждом положении существовало бы 2 возможных состояния. Обозначим их «↑» (спин «вверх») и «↓» (спин «вниз»). Тогда в рассматриваемой нами упрощенной ситуации мы получаем не 10, а 20 базисных состояний

а в остальном рассуждать следует так же, как было сделано только что (таким образом, для двух таких фермионов необходимо взять (20 х 19 )/ 2 = 190 чисел, для трех — (20 х 19 х 18 )/ 6 = 1140 и т. д.).

В главе 1 я упоминал о том, что согласно современной теории, если частицу из тела человека поменять местами с аналогичной частицей из кирпича в стене его жилища, то ничего не произойдет. Если бы эта частица была бозоном, то, как мы знаем, состояние |ψ ) действительно осталось бы совершенно не изменившимся. Если бы эта частица была фермионом, то состояние |ψ ) в результате обмена частиц перешло бы в — |ψ ) физически тождественное состоянию |ψ ). (В случае необходимости изменение знака можно устранить с помощью простой меры предосторожности, а именно: при замене одной частицы на другую, повернуть одну из двух частиц на 360° вокруг ее оси. Напомним, что фермионы изменяют знак при таком повороте, а состояние бозонов остается неизменным!) Современная теория (существующая примерно с 1926 года) действительно сообщает нам нечто глубокое относительно индивидуального тождества мельчайших «кирпичиков» физической материи. Строго говоря, мы не можем говорить об «этом конкретном электроне» или об «индивидуальном фотоне». Утверждать, что «первый электрон находится здесь, а второй — там», означает утверждать, что состояние имеет вид |0 )|1 ), что, как мы уже знаем, недопустимо, если речь идет о фермионном состоянии! Однако вполне допустимо утверждение о том, что «существует пара электронов, один из которых находится здесь, а другой — там». Вполне «законно» говорить о множестве всех электронов или всех протонов, или всех фотонов (хотя даже такое утверждение игнорирует взаимодействия между различными типами частиц). Индивидуальные электроны являются неким приближением такой полной картине, как, впрочем, и индивидуальные протоны или индивидуальные фотоны. Для большинства целей этого приближения вполне достаточно, но существуют различные ситуации, при которых оно не срабатывает — убедительными контрпримерами могут служить сверхпроводимость, сверхтекучесть и излучение лазера.

Картина физического мира, которую представила нам квантовая механика, — совсем не то, к чему мы привыкли в классической физике. Но придержите вашу шляпу — в квантовом мире есть гораздо более странные вещи!

 

«Парадокс» Эйнштейна, Подольского и Розена

Как упоминалось в начале этой главы, некоторые из идей Альберта Эйнштейна сыграли фундаментальную роль в развитии квантовой теории. Напомним, что именно Эйнштейн впервые ввел еще в 1905 году понятие «фотон» — квант электромагнитного поля — из этого понятия впоследствии выросла идея дуализма волна-частица. (Эйнштейну отчасти принадлежит и понятие «бозон», как и многие другие идеи, сыгравшие центральную роль в квантовой теории поля.) Тем не менее Эйнштейн так и не смог принять теорию, в которую впоследствии развились эти идеи, полагая, что такая теория не может быть описанием физического мира. Хорошо известно отвращение, которое Эйнштейн питал к вероятностному аспекту квантовой теории, и которое он в сжатой форме сформулировал в одном из писем к Максу Борну в 1926 году (письмо цитируется в книге: Пайс [1982], с. 443):

«Квантовая механика производит очень внушительное впечатление. Но внутренний голос говорит мне, что это еще не настоящая „вещь“. Квантовая теория дает очень многое, но вряд ли способна приблизить нас к разгадке секрета Старика. Я глубоко убежден, что Он не играет в кости».

Однако, как оказывается, еще больше, чем такой физический индетерминизм, Эйнштейна беспокоило кажущееся отсутствие объективности в том, каким образом должна описываться квантовая теория. В моем изложении квантовой теории я пытался подчеркнуть, что описание мира, даваемое этой теорией, в действительности вполне объективно, хотя и кажется часто весьма странным и противоречащим интуиции. С другой стороны, Бор, по-видимому, считал, что квантовое состояние системы (между измерениями) не обладает настоящей физической реальностью, а действует лишь как свод «знаний некоторого субъекта» о рассматриваемой системе. Но разве различные наблюдатели не могут обладать различными знаниями о системе, тогда волновая функция должна была бы быть чем-то существенно субъективным, или «целиком существовать в уме физика»? Наша замечательно точная физическая картина мира, создававшаяся на протяжении многих столетий, не должна испариться целиком; поэтому Бору пришлось рассматривать мир на классическом уровне как действительно обладающий объективной реальностью.

Но в состояниях на квантовом уровне , которые, казалось бы, лежат в основе всего, никакой «реальности» он не усматривал.

Такая картина была неприемлема для Эйнштейна, который был глубоко убежден в том, что объективный физический мир должен действительно существовать, даже на микроскопических масштабах квантовых явлений. В своих многочисленных дискуссиях с Бором Эйнштейн пытался (но неудачно) показать, что квантовой картине присущи внутренние противоречия, и что за квантовой теорией должна стоять какая-то более глубокая структура, возможно, более похожая на картины классической физики. Возможно, вероятностное поведение квантовых систем является проявлением статистических эффектов более малых компонентов, или частей, системы, о которых мы не располагаем непосредственным знанием. Последователи Эйнштейна, в особенности Давид Бом, развили высказанную им идею о «скрытых переменных», согласно которой должна существовать некоторая вполне определенная реальность, но параметры, точно определяющие систему, не доступны нам непосредственно, и квантовые вероятности возникают из-за того, что значения этих параметров неизвестны до измерения.

Согласуется ли теория скрытых переменных со всеми наблюдаемыми фактами квантовой физики? Похоже, что ответ на этот вопрос должен быть утвердительным, но только если эта теория по существу нелокальна в том смысле, что скрытые параметры должны иметь возможность мгновенно влиять на элементы системы в сколь угодно далеких областях! Такая ситуация не понравилась бы Эйнштейну, особенно в связи с возникающими трудностями в специальной теории относительности. К ним я еще вернусь в дальнейшем. Наиболее успешная теория скрытых переменных известна как модель де Бройля (де Бройль [1956], Бом [1952]). Я не буду обсуждать здесь эти модели, так как в этой главе моя цель состоит только в том, чтобы дать общий обзор стандартной квантовой теории, а не различных соперничающих с ней положений. Если кто-нибудь жаждет физической реальности, но готов пожертвовать детерминизмом, то самой стандартной теории вполне достаточно. Он просто рассматривает вектор состояния как описывающий «реальность» — обычно изменяющийся во времени в соответствии с гладкой детерминистской U-процедурой, но время от времени совершающий причудливые «прыжки» в соответствии с R-процедурой всякий раз, когда эффект увеличивается до классического уровня. Но проблема нелокальности и явных трудностей с относительностью сохраняются. Рассмотрим некоторые из них.

Предположим, что у нас имеется физическая система, состоящая из двух подсистем А и В. Пусть, например, А и В — две различные частицы. Предположим, что для состояния частицы А существуют две (ортогональные) альтернативы |α ) и |ρ ), а для состояния частицы В — две (ортогональные) альтернативы |β ) и |σ ). Как мы уже видели выше, общее комбинированное состояние системы будет не просто произведением (конъюнкцией «и») некоторого состояния частицы А и некоторого состояния частицы В, а суперпозицией («плюс») таких произведений. (Тогда мы говорим, что А и В коррелированы.) Пусть состояние системы представимо суперпозицией

|α )|β ) + |ρ )|σ ).

Произведем измерение типа «да или нет» над частицей А, которое отличает состояние |α ) (ДА) от состояния |ρ ) (НЕТ). Что произойдет при этом с частицей B ? Если измерение даст ответ ДА, то результирующим должно быть состояние

|α )|β ),

а если измерение даст ответ НЕТ, то

|ρ )|σ )

Таким образом, измерение, производимое нами над частицей А, заставляет состояние частицы В измениться скачком: перейти в |β ), если получен ответ ДА, и перейти в |σ ), если получен ответ НЕТ! Частица В не обязательно должна находиться поблизости от частицы А; частицы могут быть разделены расстоянием в несколько световых лет. И все же частица В скачком переходит из одного состояния в другое одновременно с измерением, производимым над частицей А!

«Но постойте», — вполне может сказать читатель. К чему все эти подозрительные «скачки»? Почему не происходит просто следующее: представьте себе ящик, о котором известно, что в нем лежит один черный и один белый шар. Предположим, что некто извлек шары из ящика и, не глядя, отнес их в противоположные углы комнаты. Затем он взглянул на один шар и обнаружил, что он белый (аналог упоминавшегося выше состояния |α )), тогда — алле-оп! — другой шар оказывается черным (аналог состояния |β ))! С другой стороны, если первый шар оказался черным (аналог состояния |ρ )), то в мгновение ока состояние второго шара скачком переходит в «заведомо белый» (аналог состояния |σ )). Никто из читателей или читательниц в здравом уме не станет упорно приписывать внезапный переход второго шара из состояния «неопределенности» в состояние «определенно черный» или «определенно белый» некоторому таинственному нелокальному «влиянию», мгновенно доходящему до него от первого шара в тот самый момент, когда наблюдатель рассмотрел первый шар.

Но природа действует еще более изощренно. Действительно, в приведенном выше примере можно было бы представить, что система уже «знала», что частица В находилась в состоянии |β ), а частица А — в состоянии |α ) (или что частица В находилась в состоянии |σ ), а частица А — в состоянии |ρ )) до того, как над А было произведено измерение; и только экспериментатору состояния частиц не были известны. Обнаружив, что частица А находится в состоянии |α ), он просто заключил, что частица В находится в состоянии |β ). Такая точка зрения была бы «классической» — как в локальной теории скрытых переменных — и никаких скачкообразных физических переходов из одного состояния в другое в действительности не происходит. (Все это происходит лишь в уме экспериментатора!) Согласно такой точке зрения любая часть системы заранее «знает» результаты любого эксперимента, который мог бы быть произведен над ней. Вероятности возникают только из-за отсутствия такого знания у экспериментатора. Достойно удивления, что, как оказывается, эта точка зрения не срабатывает для объяснения всех загадочных нелокальных вероятностей, возникающих в квантовой теории!

Чтобы убедиться в этом, рассмотрим ситуацию, аналогичную изложенной выше, но такую, что выбор измерения, производимого над системой А, остается нерешенным до тех пор, пока системы A и B не окажутся пространственно разделенными. Тогда, как представляется, факт выбора измерения мгновенно окажет влияние на поведение системы B! Этот кажущийся парадоксальным «мысленный эксперимент» (ЭПР-типа) был предложен Альбертом Эйнштейном, Борисом Подольским и Натаном Розеном [1935]. Я опишу его вариант, предложенный Давидом Бомом [1951]. То, что никакое локальное «реалистическое» (т. е. типа скрытых переменных или «классического типа») описание не может дать правильные квантовые вероятности, следует из одной замечательной теоремы Джона С. Белла (Белл [1987], Рэй [1986], Сквайерс [1986]).

Предположим, что две частицы со спином 1 /2 , которые я буду называть электроном и позитроном (т. е. антиэлектроном), возникли в результате распада одной частицы со спином 0 в некоторой точке (центре), и что они движутся от центра в противоположных направлениях (рис. 6.30).

Рис. 6.30. Частица с нулевым спином распадается на две частицы с половинным спином — электрон Б и позитрон Р. Представляется, что измерение спина одной из частиц со спином 1/2 мгновенно фиксирует состояние спина другой частицы

Из закона сохранения углового момента следует, что спины электрона и позитрона в сумме должны давать 0 , так как угловой момент исходной частицы был равен 0 . Отсюда следует, что когда мы измеряем спин электрона в каком-нибудь направлении, то, какое направление мы бы ни выбрали, спин позитрона окажется направленным в противоположную сторону! Электрон и позитрон могут быть разделены расстоянием в несколько миль или даже световых лет, тем не менее кажется, что сам выбор измерения, производимого над одной частицей, мгновенно фиксирует ось спина другой частицы!

Попытаемся теперь выяснить, как квантовый формализм приводит нас к такому заключению. Представим состояние двух частиц с суммарным нулевым угловым моментом вектором состояния |Q ). Тогда имеем соотношение

|Q ) = |E↑) |P↓) — |E↓) |P↑),

где Е означает электрон, а Р — позитрон. Здесь все описывается в терминах направлений спина «вверх/вниз». Мы видим, что полное состояние является линейной суперпозицией электрона со спином вверх и позитрона со спином вниз, а также электрона со спином вниз и позитрона со спином вверх. Таким образом, если мы измеряем спин электрона в направлении «вверх/вниз» и обнаруживаем, что спин направлен вверх, то мы должны скачком перейти к состоянию |E↑) |P↓), поэтому спиновое состояние позитрона должно быть направлено вниз. С другой стороны, если мы обнаруживаем, что спин электрона направлен вниз, то состояние скачком переходит в |E↓) |P↑), поэтому спин позитрона направлен вверх.

Предположим, что мы выбрали какую-то другую пару противоположных направлений, например, вправо и влево, где

|E→) = |E↑) + |E↓), |P→) = |P↑) + |P↓)

и

|E←) = |E↑) — |E↓), |P←) = |P↑) — |P↓).

Тогда мы находим (если угодно, можете проверить выкладки):

|E→) |P←) — |E←) |P→) = (|E↑) + |E↓) (|P↑) — |P↓) — (|E↑) — |E↓)) (|P↑) + |P↓)) = |E↑)|P↑) + |E↓)|P↑) — |E↑)|P↓) — |E↓)|P↓) — |E↑)|P↑) + |E↓)|P↑) — |E↑)|P↓) + |E↓)|P↓) = -2 (|E↑)|P↓) — |E↓)|P↑) = -2 |Q )

т. е. мы получили (с точностью до несущественного множителя -2 ) то же самое состояние, из которого мы «стартовали». Таким образом, наше исходное состояние можно одинаково хорошо считать линейной суперпозицией электрона со спином вправо, позитрона со спином влево, и электрона со спином влево, позитрона со спином вправо! Выписанное выше выражение полезно, если мы решили измерять спин электрона в направлении вправо-влево вместо направления вверх-вниз. Если мы обнаружим, что спин электрона действительно направлен вправо, то состояние системы скачком переходит в |E→) |P←), поэтому спин позитрона направлен влево. С другой стороны, если мы обнаружим, что спин электрона направлен влево, то состояние системы скачком переходит в |E←) |P→), поэтому спин позитрона направлен вправо. Если бы мы стали измерять спин электрона в любом другом направлении, то получили бы соответствующую ситуацию: спиновое состояние позитрона мгновенно перешло бы скачком либо в измеряемое направление, либо в противоположное направление, в зависимости от измерения спина электрона.

Почему мы не можем моделировать спины наших частиц — электрона и позитрона аналогично тому, как мы поступили в приведенном выше примере с черным и белым шарами, извлекаемыми из ящика? Будем рассуждать на самом общем уровне. Вместо черного и белого шаров мы могли бы взять два каких-нибудь технических устройства Е и Р, первоначально образовывавших единое целое, а затем начавших двигаться в противоположные стороны. Предположим, что каждое из устройств Е и Р способно давать ответ ДА или НЕТ на измерение спина в любом заданном направлении. Этот ответ может полностью определяться технической начинкой устройства при любом выборе направления — или, может быть, устройство дает только вероятностные ответы (вероятность определяется его технической начинкой) — но при этом мы предполагаем, что после разделения каждое из устройств Е и Р ведет себя совершенно независимо от другого.

Поставим с каждой стороны измерители спина, один из которых измеряет спин Е, а другой — спин Р. Предположим, что каждый измеритель обладает тремя настройками для измерения направления спина при каждом измерении, например, настройками А , В , С для измерителя спина Е и настройками А ', В ', С ' для измерителя спина Р. Направления А ', В ', С ' должны быть параллельны, соответственно, направлениям А , В , и С . Предполагается также, что все три направления А , В , и С лежат в одной плоскости и образуют между собой попарно равные углы, т. е. углы в 120 ° (рис. 6.31).

Рис. 6.31. Простая версия парадокса ЭПР , принадлежащая Дэвиду Мермину, и теорема Белла, показывающие, что существует противоречие между локальным реалистическим взглядом на природу и результатами квантовой теории,  E -измеритель и Р -измеритель каждый независимо имеет по три настройки для направлений, в которых они могут измерять спины соответствующих частиц (электрона и позитрона)

Предположим теперь, что эксперимент повторяется многократно и дает различные результаты для каждой из настроек. Иногда E-измеритель фиксирует ответ ДА (т. е. спин направлен вдоль измеряемого направления А , В , и С ), иногда фиксирует ответ НЕТ (т. е. спин имеет направление, противоположное тому, в котором производится измерение). Аналогично, Р-измеритель фиксирует иногда ответ ДА, иногда — НЕТ. Обратим внимание на два свойства, которыми должны обладать настоящие квантовые вероятности:

(1 ) Если настройки устройств Е и Р одинаковы (т. е. А совпадает с A ' и т. д.), то результаты измерений, производимых с помощью устройств Е и Р, всегда не согласуются между собой (т. е. E-измеритель фиксирует ответ ДА всякий раз, когда Р-измеритель дает ответ НЕТ, и ответ НЕТ всякий раз, когда Р-измеритель дает ответ ДА).

(2 ) Если лимбы настроек могут вращаться и установлены случайно, т. е. полностью независимо друг от друга, то два измерителя равновероятно дают как согласующиеся, так и не согласующиеся результаты измерений.

Нетрудно видеть, что свойства (1 ) и (2 ) непосредственно следуют из приведенных выше правил квантовых вероятностей. Мы можем предположить, что E-измеритель срабатывает первым. Тогда Р-измеритель обнаруживает частицу, спиновое состояние которой имеет направление, противоположное измеренному E-измерителем, поэтому свойство (1 ) следует немедленно. Чтобы получить свойство (2 ), заметим, что для измеряемых направлений, образующих между собой углы в 120 °, если E-измеритель дает ответ ДА, то Р-направление расположено под углом 60 ° к тому спиновому состоянию, на которое действует Р-измеритель, а если E-измеритель дает ответ НЕТ, то Р-направление образует угол 120 ° с этим спиновым состоянием. С вероятностью 3 /4 = (1 /2 )(1 + cos60 °) измерения согласуются, и с вероятностью 1 /4 = (1 /2 )(1 + cos 120 °) они не согласуются. Таким образом, усредненная вероятность для трех настроек Р -измерителя при условии, что E-измеритель дает ответ ДА, составляет (1 /3 )(0 + 3 /4 + 3 /4 ) = 1 /2 для ответа ДА, даваемого Р-измерителем, и (1 /3 )(1 + 1 /4 + 1 /4 ) = 1 /2 для ответа НЕТ , даваемого Р -измерителем, т. е. результаты измерений, производимых Е- и Р-измерителями, равновероятно согласуются и не согласуются. Аналогичная ситуация возникает и в том случае, когда E-измеритель дает ответ НЕТ. Это и есть свойство (2 ) (см. Глава 6. «Спин и сфера Римана состояний»).

Замечательно, что свойства (1 ) и (2 ) не согласуются с любой локальной реалистической моделью (т. е. с любой разновидностью устройств рассматриваемого типа)! Предположим, что у нас есть такая модель, E-машину следует приготовить для каждого из возможных измерений А , В или С . Заметам, что если бы ее следовало готовить только дам получения вероятностного ответа, то P-машина (в соответствии со свойством (1 )) не могла бы достоверно давать результаты измерения, не согласующиеся с результатами измерения E-машины. Действительно, обе машины должны давать свои ответы, определенным образом приготовленные заранее, на каждое из трех возможных измерений. Предположим, например, что эти ответы должны быть ДА, ДА, ДА, соответственно, для настроек А, В, С; тогда правая частица должна быть приготовлена так, чтобы давать ответы НЕТ, НЕТ, НЕТ при соответствующих трех настройках. Если же вместо этого приготовленные ответы левой частицы гласят: ДА, ДА, НЕТ, то ответами правой частицы должны быть НЕТ, НЕТ, ДА Все остальные случаи по существу аналогичны только что приведенным. Попытаемся теперь выяснить, согласуется ли это со свойством (2 ). Наборы ответов ДА, ДА, ДА / НЕТ, НЕТ, НЕТ не слишком многообещающи, так как дают 9 случаев несоответствия и 0 случаев соответствия при всех возможных парах настроек А /А ', А /В ', А /С ', В /А ' и т. д. А как обстоит дело с наборами ДА, ДА, НЕТ / НЕТ, НЕТ, ДА и тому подобными ответами? Они дают 5 случаев несоответствия и 4 случая соответствия. (Чтобы убедиться в правильности последнего утверждения, произведем подсчет случаев: Д/Н, Д/Н, Д/Д, Д/Н, Д/Н, Д/Д, Н/Н, Н/Н, Н/Д. Мы видим, что в 5 случаях ответы не согласуются и в 4 случаях согласуются.) Это уже гораздо ближе к тому, что требуется для свойства (2 ), но еще недостаточно хорошо, так как случаев несоответствия ответов должно быть столько же, сколько случаев соответствия! Для любой другой пары наборов возможных ответов, согласующихся со свойством (1 ), мы снова получили бы соотношение 5 к 4 (за исключением наборов НЕТ, НЕТ, НЕТ / ДА, ДА, ДА, дам которых соотношение было бы хуже — снова 9 к 0 ). Не существует набора приготовленных ответов, который могли бы дать квантово-механические вероятности. Локальные реалистические модели исключаются!

 

Эксперименты с фотонами: проблема для специальной теории относительности?

Мы должны спросить, существуют ли реальные эксперименты, которые подкрепляют эти удивительные квантовые ожидания? Только что описанный точный эксперимент — гипотетический, он никогда не был осуществлен на самом деле. Но были осуществлены похожие эксперименты, в которых использовалась поляризация пары фотонов, а не спин массивных частиц со спином 1 /2 . Кроме этого различия проведенные эксперименты не отличались в принципе от описанного выше гипотетического эксперимента — за исключением того, что фигурировавшие в них углы были вдвое меньше углов дам частиц со спином 1/2 (так как спин фотона равен 1 , а не 1 /2 ). Поляризации пар фотонов были измерены в нескольких различных комбинациях направлений, и результаты оказались в полном соответствии с предсказаниями квантовой теории, и не согласовывались ни с какой локальной реалистической моделью!

Наиболее точные и убедительные экспериментальные результаты, полученные к настоящему времени, принадлежат Алену Аспекту [1986] и его коллегам из Парижа. Эксперименты Аспекта обладают еще одной интересной особенностью. «Выбор» способа измерения поляризаций фотонов определялся только после испускания фотонов, когда они уже находились в полете. Таким образом, если мы мысленно представим себе некоторое нелокальное «влияние», распространяющееся от детектора одного фотона к фотону, находящемуся на противоположной стороне, и сигнализирующее о направлении, в котором экспериментатор намеревается измерить направление поляризации приближающегося фотона, то придем к заключению, что это «влияние» должно распространяться быстрее света! Ясно, что любое реалистическое описание квантового мира, согласующееся с этими фактами, должно быть непричинным в том смысле, что влияние должно обладать способностью распространяться быстрее света!

Но в предыдущей главе мы видели, что в силу теории относительности, испускание сигналов, распространяющихся быстрее света, приводит к абсурдным ситуациям (и противоречит нашим представлениям о «свободе воли» и т. д.; см. Глава 5. «Релятивистская причинность и детерминизм»). Это определенно справедливо, однако нелокальные «влияния», возникающие в мысленных экспериментах типа ЭПР, не таковы, чтобы их можно было использовать для отправления сообщений (по той самой причине, как это нетрудно понять, что это могло бы приводить к абсурдным ситуациям). (Подробное доказательство того, что такие «влияния» не могут быть использованы для испускания сигналов и передачи сообщений, было дано Гирарди, Римини и Вебером [1980].) Бесполезно знать, что фотон поляризован «либо вертикально, либо горизонтально» (или, наоборот, «либо под углом 60 °, либо 150 °») до тех пор, пока экспериментатор не информирован, какая из альтернатив соответствует действительности. Именно эта часть «информации» (т. е. альтернативные направления поляризации) распространяется быстрее света («мгновенно»), тогда как информация о том, в каком из двух направлений действительно поляризован фотон, доходит до экспериментатора медленнее и через обычный сигнал, сообщающий результат первого измерения поляризации.

Хотя эксперименты типа ЭПР не противоречат (в обычном смысле передачи сообщений сигналами) причинности специальной теории относительности, существует определенный конфликт с духом теории относительности в нашей картине физической реальности. Попытаемся выяснить, каким образом реалистическая точка зрения, основанная на использовании понятия вектора состояния, применима к описанному выше эксперименту типа ЭПР (с фотонами). Когда два фотона разлетаются, вектор состояния описывает пару фотонов, действующих как единое целое. Ни один из фотонов в отдельности не обладает объективным состоянием: квантовое состояние применимо только к двум фотонам вместе. Ни один из фотонов в отдельности не обладает направлением поляризации: поляризация — комбинированное свойство двух фотонов вместе. При измерении поляризации одного из этих фотонов вектор состояния изменяется скачком , так что неизмеряемый фотон обретает определенную поляризацию. Когда затем измеряется его поляризация, то правильные значения вероятности получаются с помощью обычных квантовых правил, применяемых к поляризационному состоянию фотона. Такой подход позволяет получать правильные ответы; именно так мы обычно применяем квантовую механику. Но такая точка зрения по существу нерелятивистская. Действительно, два измерения поляризации разделены пространственноподобным интервалом . Это означает, что каждое измерение лежит вне светового конуса другого, как точки R и Q на рис. 5.21. Вопрос о том, какое из этих измерений произведено первым , не имеет реального физического смысла, а зависит от состояния движения «наблюдателя» (рис. 6.32).

Рис. 6.32. У двух различных наблюдателей формируются взаимно несогласованные картины «реальности» в эксперименте ЭПР, в котором два фотона в состоянии со спином 0 испускаются в противоположных направлениях. С точки зрения наблюдателя, движущегося вправо, левая часть состояния совершает скачок до того, как производится измерение, где скачок обусловлен измерением, производимым над правой частью состояния. Наблюдатель, движущийся влево, придерживается противоположного мнения!

Если «наблюдатель» достаточно быстро движется вправо, то измерение, производимое справа, он считает происходящим первым; а если «наблюдатель» движется влево, то первым он считает измерение, производимое слева. Но если мы сочтем, что первым был измерен правый фотон, то получим совершенно другую картину физической реальности, чем та, которая получается, если мы сочтем, что первым был измерен левый фотон! (Это — другое измерение, вызывающее нелокальный «скачок».) Между нашей пространственно-временной картиной физической реальности (даже правильной нелокальной квантово-механической картиной) и специальной теорией относительности имеется существенное противоречие! Это — трудная задача, адекватное решение которой не удалось пока решить «квантовым реалистам» (см. Ааронов, Альберт [1981]). К этому вопросу мне еще придется вернуться в дальнейшем.

 

Уравнение Шредингера; уравнение Дирака

Выше в этой главе я уже упоминал об уравнении Шредингера, которое является хорошо определенным детерминистским уравнением, во многих отношениях аналогичным уравнениям классической физики. Правила гласят, что до тех пор, пока над квантовой системой не производятся «измерения» (или «наблюдения»), уравнение Шредингера должно оставаться справедливым. Читатель может захотеть узнать, как выглядит уравнение Шредингера в явном виде:

iħ ∂/∂t |ψ ) = H |ψ )

Напомним, что ħ — дираковский вариант постоянной Планка (ħ /2π ) (мнимая единица i = √-1 ), оператор ∂/∂t (частного Дифференцирования по времени), действующий на |ψ ), просто означает скорость изменения состояния |ψ ) со временем. Уравнение Шредингера означает, что эволюцию состояния |ψ ) описывает величина Н/ |ψ ).

Но что такое «H »? Это — функция Гамильтона , которую мы рассматривали в предыдущей главе, но с одним принципиальным различием! Напомним, что классическая функция Гамильтона, или гамильтониан, — это выражение для полной энергии через различные координаты положения q i  и импульсные координаты p i всех физических объектов, входящих в систему. Чтобы получить квантовый гамильтониан, мы берем то же самое выражение, но вместо каждого импульса p i подставляем дифференциальный оператор, кратный оператору частного дифференцирования по q i . В частности, p i мы заменяем на — iħ∂ /∂q i . В результате наш квантовый гамильтониан Н становится некоторой (нередко сложной) математической операцией, включающей в себя дифференцирование и умножение (причем не только на число!) и т. д. Это выглядит, как фокус-покус! Но дело не просто в исполнении математических трюков; в действительности перед нами самая настоящая магия! (Некая толика «искусства» заключена уже в самом процессе получения квантового гамильтониана из классического, но еще более удивительно, имея в виду его «экстравагантную» природу, что неоднозначности, присущие этой процедуре, не играют сколь-нибудь существенную роль.)

Относительно уравнения Шредингера (что бы ни означало H ) важно заметить, что оно линейное , т. е. если |ψ ) и |φ ) оба удовлетворяют уравнению Шредингера, то ему также удовлетворяет |ψ ) + |φ ), а в действительности любая комбинация w |ψ ) + z |φ ), где w и z — заданные комплексные числа. Таким образом, комплексная линейная суперпозиция удовлетворяет уравнению Шредингера неограниченно долго. (Комплексная) линейная суперпозиция двух возможных альтернативных состояний не может быть «расщеплена» действием одного лишь оператора U! Именно поэтому необходимо действие оператора R как отдельной процедуры, чтобы в конце концов выжило всего лишь одно альтернативное состояние.

Подобно гамильтоновому формализму в классической физике, уравнение Шредингера не является лишь конкретным отдельным уравнением, а служит общей схемой для квантовомеханических уравнений. Если для решаемой задачи удалось получить квантовый гамильтониан, то эволюция состояния (его развитие во времени) в соответствии с уравнением Шредингера происходит так, как если бы |ψ ) было каким-нибудь классическим полем, удовлетворяющим некоторому классическому полевому уравнению, например, уравнениям Максвелла. Действительно, если |ψ ) описывает состояние отдельного фотона, то оказывается, что уравнение Шредингера переходит в уравнения Максвелла! Уравнение для отдельного фотона есть в точности то самое уравнение, которое было выведено для всего электромагнитного поля. Именно этим обстоятельством обусловлено волнообразное поведение фотона, аналогичное поведению электромагнитного поля Максвелла, и поляризация отдельных фотонов — эффекты, с которыми мы бегло ознакомились ранее. В качестве еще одного примера упомянем о том, что если |ψ ) описывает состояние одного электрона, то уравнение Шредингера переходит в замечательное волновое уравнение Дирака, открытое в 1928 году после того, как Дирак приложил к его выводу немало проницательности и оригинальных идей.

В действительности уравнение Дирака для электрона по праву должно считаться наряду с уравнениями Максвелла и Эйнштейна одним из великих полевых уравнений физики. Чтобы создать у читателя адекватное представление об уравнении Дирака, мне понадобилось бы ввести здесь математические понятия, которые не столько проясняли суть дела, сколько затемнили бы его еще больше. Достаточно сказать, что в уравнении Дирака |ψ ) обладает любопытным «фермионным» свойством |ψ ) → — |ψ ) при повороте на 360 °, о котором мы упоминали выше (см. гл. 6. «Спин и сфера Римана состояний»). Уравнения Дирака и Максвелла являются фундаментальными составляющими квантовой электродинамики, самой успешной из всех квантовых теорий поля. Давайте ознакомимся вкратце с этой теорией.

 

Квантовая теория поля

Предмет, известный под названием «квантовая теория поля», возник из объединения идей специальной теории относительности и квантовой механики. От стандартной (т. е. нерелятивистской) квантовой механики квантовая теория поля отличается тем, что число частиц (любого рода) в ней не обязательно постоянно. Для каждого рода частицы существует ее античастица (иногда, как в случае фотонов, античастица и частица совпадают). Массивная частица и ее античастица могут аннигилировать с выделением энергии. С другой стороны, пара частица-античастица может рождаться из энергии. Действительно, число частиц не обязательно должно быть даже определенным, ибо допускаются линейные суперпозиции состояний с различным числом частиц. «Верховной» квантовой теорией поля по праву считается «квантовая электродинамика» — по сути, теория электронов и протонов. Квантовая теория поля замечательна точностью своих предсказаний (например, она предсказала точное значение магнитного момента электрона, упоминавшееся в предыдущей главе). Однако она является весьма неупорядоченной (и не вполне непротиворечивой), так как изначально дает не имеющие физического смысла «бесконечные» ответы. Такие бесконечные значения, или расходимости, подлежат устранению с помощью так называемой процедуры «перенормировки». Не все квантовые теории поля поддаются перенормировке, и даже те, которые допускают перенормировку, наталкиваются на значительные вычислительные трудности.

Весьма популярен подход к квантовой теории поля через использование «интегралов по траекториям», включающих в себя образование квантовых линейных суперпозиций не только состояний различных частиц (как с помощью обычных волновых функций), но учитывающих все пространственно-временны́е истории физического поведения (доступный обзор см. в книге Фейнмана [1985]). Однако этот подход сам по себе приводит к дополнительным расходимостям, и придать смысл методу «интегралов по траекториям» можно только с помощью различных «математических трюков». Несмотря на несомненную силу и впечатляющую точность квантовой теории поля (в тех немногих случаях, когда теория может быть полностью применена), у физиков остается впечатление, что необходимо более глубокое понимание, прежде чем можно будет с уверенностью принять «картину физической реальности», к которой может привести квантовая теория поля.

Я хотел бы подчеркнуть, что согласие между квантовой теорией и специальной теорией относительности, достигающееся в квантовой теории поля, является лишь частичным — касается только U-части — и носит весьма формальный математический характер. Трудности непротиворечивой релятивистской интерпретации «квантовых скачков», связанных с R-частью, к которым приводят эксперименты типа ЭПР, даже не затрагиваются квантовой теорией поля. Кроме того, пока еще не существует непротиворечивой квантовой теории гравитационного поля, которой можно было бы верить. В главе 8 я выскажу некоторые догадки относительно того, что эти проблемы не могут быть никак не связанными между собой.

 

Кошка Шредингера

Наконец, обратимся к вопросу, который преследует нас с самого начала нашего описания. Почему мы не наблюдаем квантовых линейных суперпозиций объектов классических масштабов, например, крикетных шаров, находящихся одновременно в двух местах? Что заставляет определенные конфигурации атомов срабатывать как «измерительное устройство», так что R-процедура сменяет U? Разумеется, любая часть измерительного прибора сама по себе является частью физического мира и состоит из тех самых квантовомеханических компонент, поведение которых должен исследовать прибор. Почему бы не рассматривать измерительный прибор вместе с физической системой как единую составную квантовую систему ? При таком подходе нет загадочного «внешнего» измерения. Составная система должна просто эволюционировать в соответствии с U. Но эволюционирует ли она именно так? Действие U-процедуры на составную систему полностью детерминистично и не оставляет места для вероятностных неопределенностей R-типа, встречающихся в «измерении» или «наблюдении», которые составная система производит над собой! В сказанном есть явное противоречие, которое проявляется особенно наглядно в знаменитом мысленном эксперименте, предложенном Эрвином Шредингером [1935]: в парадоксе «кошка Шредингера».

Представьте себе герметичный контейнер, спроектированный и построенный столь тщательно, что сквозь его стенки ни внутрь, ни наружу не проходит никакое физическое воздействие. Предположим, что внутри контейнера находится кошка, а также устройство, приводимое в действие («запускаемое») некоторым квантовым событием. Если это событие происходит, то устройство разбивает ампулу с синильной кислотой, и кошка погибает. Если событие не происходит, то кошка продолжает жить. В первоначальной версии Шредингера квантовым событием, запускающим устройство, был распад радиоактивного атома. Позвольте мне слегка модифицировать первоначальную версию Шредингера и выбрать в качестве квантового события, запускающего устройство, фотон, который, попадая в фотоэлемент, приводит его в действие — фотон, испущенный некоторым источником света в предопределенном состоянии и отраженный от полупосеребренного зеркала (рис. 6.33).

Рис. 6.33. «Кошка Шредингера» — с дополнениями

Отражение от зеркала расщепляет волновую функцию фотона на две отдельные части, одна из которых отражается, а другая проходит сквозь зеркало. Отраженная часть волновой функции фотона фокусируется на фотоэлементе так, что если фотон регистрируется фотоэлементом, то это означает, что он отразился. В этом случае синильная кислота выделяется и кошка погибает. Если же фотоэлемент не срабатывает, то это означает, что фотон прошел сквозь полупосеребренное зеркало до стенки контейнера, расположенной за зеркалом, и кошка осталась жива.

С точки зрения (довольно рискованного) наблюдателя, находящегося внутри контейнера, именно таким было бы описание событий, происходящих внутри контейнера. Либо считается, что фотон отразился, так как по свидетельству наблюдателя фотоэлемент зарегистрировал фотон, и кошка погибла, либо считается, что фотон прошел сквозь зеркало, так как по свидетельству наблюдателя фотоэлемент не зарегистрировал фотон, и кошка осталась жива. Либо одно, либо другое действительно происходит: реализуется R-процедура, и вероятность каждой возможности составляет 50  % (потому что зеркало полупосеребренное). Но взглянем теперь на события с точки зрения наблюдателя, находящегося снаружи контейнера. Мы можем считать, что начальный вектор состояния содержимого контейнера был «известен» наблюдателю до того, как контейнер был герметически запечатан. (Я отнюдь не хочу сказать, что вектор состояния содержимого контейнера мог быть известен на практике, но ничто в квантовой теории не утверждает, что он не мог бы в принципе быть известен наблюдателю.) Согласно внешнему наблюдателю никакое «измерение» в действительности не производилось, поэтому вся эволюция вектора состояния должна была бы происходить в соответствии с U-процедурой. Фотон испускается источником в определенном состоянии (в этом оба наблюдателя сходятся во мнении), и его волновая функция расщепляется на две части с амплитудой 1 /√2 для каждой из частей (тогда квадрат модуля действительно даст вероятность 1 /2 ). Так как все содержимое контейнера рассматривается внешним наблюдателем как одна квантовая система, линейная суперпозиция альтернатив должна выполняться вплоть до масштабов кошки. Существует амплитуда 1 /√2 того, что фотоэлемент зарегистрирует фотон, и амплитуда 1 /√2 того, что он фотон не зарегистрирует. Обе альтернативы должны быть представлены в состоянии и участвовать в квантовой линейной суперпозиции с равными весами. С точки зрения внешнего наблюдателя кошка есть не что иное, как линейная суперпозиция дохлой и живой кошек!

Убеждены ли мы в том, что в действительности все обстоит именно так? Сам Шредингер ясно и определенно заявил о том, что так не считает. Действительно, свое мнение он аргументировал тем, что U-npoцедура квантовой механики не должна применяться к чему-нибудь столь большому или столь сложному, как кошка. При попытке применить U-процедуру к столь большому и сложному объекту уравнение Шредингера где-то должно утратить силу. Разумеется, Шредингер имел право рассуждать так о своем собственном уравнении, но все остальные из нас лишены такой прерогативы! Наоборот, многие физики (в действительности большинство физиков) склонны считать, что в настоящее время имеется весьма много экспериментальных фактов, свидетельствующих в пользу U-процедуры, и нет ни одного экспериментального факта, который свидетельствовал бы против U, поэтому мы не имеем никакого права отказываться от этого типа эволюции даже на уровне кошки. Если принять эту точку зрения, то мы, кажется, будем вынуждены прийти к весьма субъективному представлению о физической реальности. Для внешнего наблюдателя кошка действительно есть не что иное, как линейная комбинация дохлой и живой кошек, и только когда контейнер, наконец, будет вскрыт, вектор состояния кошки коллапсирует в вектор одного из этих двух состояний. С другой стороны, для внутреннего наблюдателя (надлежащим образом защищенного от воздействия синильной кислоты) вектор состояния кошки коллапсировал бы гораздо раньше, и линейная комбинация внешнего наблюдателя

|ψ ) = 1 /√2 {|живая) + |дохлая)}

не имела бы смысла. Создается впечатление, что вектор состояния в конечном счете существует «только в воображении» наблюдателя!

Но можем ли мы принять такую субъективную точку зрения на вектор состояния? Предположим, что внешний наблюдатель не просто «заглядывает» в контейнер, а производит некую более изощренную процедуру. Предположим также, что, исходя из того, что он знает о начальном состоянии внутри контейнера, внешний наблюдатель сначала использует некоторый быстродействующий компьютер, чтобы на основании уравнения Шредингера вычислить, какое состояние действительно должно установиться внутри контейнера, и получить («правильный») ответ |ψ ) (где |ψ ) действительно включает в себя линейную суперпозицию дохлой кошки и живой кошки). Предположим далее, что внешний наблюдатель выполняет над содержимым контейнера тот самый эксперимент, который позволяет отличить состояние |ψ ) от любого ортогонального ему состояния. (Как было показано выше, по правилам квантовой механики внешний наблюдатель в принципе может выполнить такой эксперимент, хотя осуществить его на практике было бы чрезвычайно трудно.) Вероятности двух исходов: «да, находится в состоянии |ψ )» и «нет, находится в состоянии, ортогональном |ψ )» — составляли бы, соответственно, 100  % и 0  %. В частности, для состояния |X ) = |дохлая) — |живая), ортогонального |ψ ), вероятность была бы равна 0 . Невозможность состояния |X ) в результате эксперимента может возникнуть только потому, что обе альтернативы |дохлая) и |живая) сосуществуют друг с другом.

То же самое можно было бы утверждать и в том случае, если бы мы подобрали соответствующим образом длины путей фотона (или плотность посеребренного слоя на поверхности зеркала), так чтобы вместо линейной суперпозиции состояний |дохлая) + |живая) мы имели бы некоторую другую комбинацию, например, |дохлая) — i |живая) и т. д. Все эти различные комбинации приводят к различным экспериментальным следствиям (в принципе!). Таким образом уже говорится не «просто» о некоторой форме сосуществования межцу жизнью и смертью, от которой зависит судьба нашей несчастной кошки. Допустимы все возможные комплексные комбинации, и все они (в принципе) отличимы одна от другой! Однако наблюдателю, находящемуся внутри контейнера, все эти комбинации представляются несущественными. Кошка либо жива, либо мертва. Каким образом мы можем придать смысл такого рода несоответствию? Я кратко приведу несколько различных точек зрения, высказанных по этому (и аналогичным) вопросу, хотя не подлежит сомнению, что я не смогу всем им дать равнозначную оценку.

 

Различные точки зрения на существующую квантовую теорию

Прежде всего практическая реализация эксперимента, аналогичного тому, который позволяет отличить состояние |ψ ) от любого состояния, ортогонального |ψ ), наталкивается на очевидные трудности. Не подлежит сомнению, что такой эксперимент на практике невозможен для внешнего наблюдателя. В частности, для этого внешнему наблюдателю понадобилось бы точно знать вектор состояния всего содержимого контейнера (включая наблюдателя, находящегося внутри контейнера), прежде чем он мог бы приступить к вычислению |ψ ) в более поздние моменты времени! Однако мы требуем, чтобы такой эксперимент был невозможен не только на практике, но и в принципе , так как в противном случае у нас не было бы права изъять из физической реальности одно из состояний |живая) или |дохлая). Трудность заключается в том, что квантовая теория в том виде, в каком она существует сейчас, не дает никаких указаний относительно того, как должна быть проведена четкая линия между «возможными» и «невозможными» измерениями. Вполне вероятно, что такое четкое разграничение между теми и другими измерениями должно было бы существовать. Но современная квантовая теория не позволяет провести такое разграничение. Чтобы провести разграничительную линию между «возможными» и «невозможными» измерениями, потребовалось бы изменить квантовую теорию.

Во-первых, нередко высказывают точку зрения, согласно которой все трудности исчезли бы, если бы мы адекватно учли «окружающую среду» интересующей нас системы. Действительно, полностью изолировать содержимое контейнера от внешнего мира практически невозможно. Как только окружающая среда начинает влиять на состояние содержимого контейнера, внешний наблюдатель не может считать, что состояние содержимого контейнера задается просто одним вектором состояния. Даже собственное состояние внешнего наблюдателя оказывается сложным образом коррелированным с состоянием содержимого контейнера. Кроме того, с внутренностью контейнера неразрывно связано огромное число различных частиц, эффекты различных возможных линейных комбинаций распространяются все дальше и дальше во вселенную, охватывая огромное число степеней свободы. Не существует практического способа (например, по наблюдению соответствующих эффектов интерференции), который позволил бы отличить эти комплексные линейные суперпозиции от вероятностно-взвешенных альтернатив. Это не должно быть связано просто с вопросом об изоляции содержимого контейнера от внешней среды. Сама кошка состоит из огромного числа частиц. Таким образом, комплексную линейную комбинацию дохлой кошки и живой кошки можно трактовать как если бы она была просто смесью вероятностей. Но лично я отнюдь не считаю такую трактовку удовлетворительной. Как и в предыдущем рассуждении, мы можем спросить, на какой стадии получение интерференционных эффектов официально объявляется «невозможным», в результате чего квадраты модулей амплитуд в комплексной суперпозиции могут быть объявлены вероятностными весами «дохлой» и «живой» кошки. Даже если «реальность» мира «в действительности» становится (в некотором смысле) действительнозначным вероятностным весом, каким образом это превращается в единственную альтернативу, ту или иную? Я не усматриваю, каким образом реальность может трансформироваться из комплексной (или действительной) линейной суперпозиции двух альтернатив в одну или другую из этих альтернатив на основе одной лишь эволюции U. Мне кажется, что подобный взгляд возвращает нас к субъективной точке зрения на мир.

Иногда высказывают мнение, что сложные системы должны в действительности описываться не «состояниями», а их обобщением, получившим название матриц плотности (фон Нейман [1955]). Последние включают в себя и классические вероятности и квантовые амплитуды. В этом случае для описания реальности берутся много квантовых состояний. Матрицы плотности полезны, но сами по себе они не решают глубоко проблематичные вопросы квантового измерения.

Можно попытаться придерживаться той точки зрения, что реальная эволюция — это детерминистский U-процесс, а вероятности возникают из-за неопределенностей в нашем знании того, что в действительности представляет собой квантовое состояние сложной системы. Такая точка зрения очень близка к «классическому» взгляду на происхождение вероятностей, согласно которому вероятности возникают из неопределенностей в начальном состоянии. Можно представить, что крохотные различия в начальном состоянии могут привести к огромным различиям в эволюции, таким, как «хаос», который встречается у классических систем (см., например, о предсказании погоды в главе 5, «Вычислима ли жизнь в бильярдном мире?»). Однако такие «хаотические» эффекты просто не могут возникнуть в рамках действия одной лишь U-процедуры, так как U линейна: нежелаемые линейные суперпозиции остаются таковыми навсегда при действии U! Чтобы выделить из нежелаемой суперпозиции ту или иную альтернативу, требуется нечто нелинейное, поэтому самой U-процедуры для этого недостаточно.

Можно придти к другой точке зрения, если заметить, что единственное очевидное несоответствие с наблюдением в эксперименте с кошкой Шредилгера возникает, по-видимому, потому, что имеются сознательные наблюдатели один (или два!) внутри и один снаружи контейнера. Возможно, законы комплексной квантовой линейной суперпозиции неприменимы к сознанию! Грубая математическая модель, отражающая эту точку зрения, была предложена Эугеном П. Вигнером [1961]. Вигнер предположил, что линейность уравнения Шредингера может нарушаться для существ, наделенных сознанием (или просто «живых» существ), и это уравнение подлежит замене на некоторую нелинейную процедуру, согласно которой та или иная из альтернатив должна быть отброшена. Читателю может показаться, что поскольку я пытаюсь выяснить, какого рода роль могут играть в нашем сознании квантовые явления (а я действительно пытаюсь это выяснить), я должен был бы принять такую точку зрения как очень желательную. Однако она меня совсем не удовлетворяет. Мне кажется, что она приводит к весьма одностороннему и искаженному взгляду на реальность окружающего мира. Те уголки вселенной, где обитает сознание, могут быть весьма малочисленными и разделенными огромными расстояниями. С рассматриваемой точки зрения, только в этих редких и разбросанных на большие расстояния уголках комплексные квантовые линейные суперпозиции могут быть расщеплены на реальные альтернативы. Возможно, что для нас такие особые уголки выглядели бы так же, как и остальная вселенная, так как куда бы мы ни посмотрели (или что бы ни наблюдали каким-либо другим способом), объект наблюдения в силу самого акта нашего сознательного наблюдения оказался бы «расщепленным на альтернативы», независимо от того, было ли или не было такое расщепление произведено до нашего наблюдения. Столь сильная односторонность могла бы привести к весьма искаженной картине реальности нашего мира, и я со своей стороны принял бы ее весьма неохотно.

Существует другая точка зрения, связанная в чем-то с предыдущей, которая сводит роль сознания к другому (противоположному) пределу. Она была выдвинута Джоном Уилером [1938] и получила название соучаствующей (партисипаторной) вселенной. Отметим, например, что эволюция сознательной жизни на нашей планете обусловлена подходящими мутациями, происходившими в различное время. Предположительно это были квантовые события, поэтому они могли бы существовать только в виде линейной суперпозиции до тех пор, пока они не довели эволюцию до мыслящих существ, самое существование которых зависит от всех «правильных» мутаций, имевших место в действительности! Именно наше присутствие, согласно этой идее, вызывает к существованию наше прошлое. Парадоксальность, присущая этой картине, может вызвать определенный интерес, но я лично вижу в ней много проблем и не считаю правдоподобной.

Другая точка зрения, также по-своему логичная, но приводящая к не менее странной картине — так называемая теория множественности миров, впервые выдвинутая Хью Эвереттом III [1957]. Согласно этой теории R-процедура вообще не имеет места. Вся эволюция вектора состояния (который считается реалистическим) все время управляется детерминистской U-процедурой. Отсюда следует, что несчастная кошка Шредингера вместе с облаченным в защитный костюм наблюдателем внутри контейнера действительно должны существовать в некоторой комплексной линейной комбинации, причем кошка должна представлять собой некоторую суперпозицию живой и дохлой. Однако дохлое состояние коррелировано с одним состоянием сознания наблюдателя, находящегося внутри контейнера, а живое состояние — коррелировано с другим состоянием его сознания (и, частично, с сознанием кошки, а в конечном счете и с состоянием сознания внешнего наблюдателя, после того, как содержимое контейнера открывается его наблюдению). Состояние каждого наблюдателя, с точки зрения Эверетта, надлежит считать «расщепляющимся», так как наблюдатель теперь как бы существует в двух экземплярах, причем каждый из экземпляров обладает различным жизненным опытом (один видит кошку живой, другой — дохлой). В действительности не только наблюдатель, но и весь мир, в котором он обитает, расщепляется на два мира (или на большее число миров) при каждом измерении, производимом им над окружающим миром. Такое расщепление повторяется снова и снова — не только из-за измерений, производимых наблюдателями, но и из-за усиления до макроскопических масштабов квантовых событий, вследствие чего «ветви» этого мира чудовищно множатся. Действительно, каждая альтернативная возможность сосуществовала бы в некоторой огромной суперпозиции. Вряд ли теория множественности миров — самая экономичная точка зрения, но мои собственные возражения связаны отнюдь не с отсутствием экономичности. В частности, я не понимаю, почему сознание непременно должно быть осведомлено только об «одной» из альтернатив в некоторой линейной суперпозиции. Что такое в сознании настоятельно требует, чтобы мы не могли быть «осведомлены» о дразнящей линейной комбинации дохлой и живой кошек? Мне кажется, что необходимо разработать теорию сознания, прежде чем теорию множественности миров удастся обтесать, чтобы она согласовывалась с реальными наблюдениями. Я не вижу, какая взаимосвязь существует между «истинным» (объективным) вектором состояния вселенной и тем, что, как предполагается, мы «наблюдаем». Высказывались мнения, будто в такой картине можно эффективно вывести «иллюзию» R-процедуры, но я не думаю, что подобные утверждения соответствуют истине. В конце концов, для того, чтобы описанная выше схема заработала, необходимы еще некоторые дополнительные компоненты. Мне кажется, что теория множественности миров привносит сама по себе множество новых трудностей, не затрагивая по-настоящему реальные загадки квантового измерения (см. Де Витг, Грэхем [1973]).

 

К чему мы пришли после всего сказанного?

Затронутые выше вопросы в том или ином обличье присутствуют в любой интерпретации квантовой механики — в том виде, в каком эта теория существует в настоящее время. Приведем краткий обзор того, что стандартная квантовая теория в действительности говорит нам о том, каким образом мы должны описывать мир, особенно в отношении этих удивительных вопросов, и затем спросим: куда мы намерены двигаться дальше?

Прежде всего напомним, что описания, даваемые квантовой теорией, по-видимому, разумно (полезно?) применимы только на так называемом квантовом уровне — молекул, атомов или субатомных частиц, а также на бо́льших масштабах при условии, что разности энергии между альтернативными возможностями остаются очень малыми. На квантовом уровне мы должны рассматривать такие «альтернативы» как нечто способное сосуществовать в виде суперпозиции с комплексными коэффициентами. Используемые в качестве весов комплексные числа называются амплитудами вероятности . Каждая из совокупности различных альтернатив с комплексными коэффициентами определяет свое, отличное от других, квантовое состояние, и любая квантовая система должны допускать описание таким квантовым состоянием. Нередко (наиболее ярко это проявилось в примере со спином) бывает и так, что нам нечего сказать относительно того, каковы должны быть «реальные» альтернативы, образующие квантовое состояние, и каковы должны быть всего лишь «комбинации» альтернатив. В любом случае пока система остается на квантовом уровне, квантовое состояние эволюционирует полностью детерминистским образом. Эта детерминистская эволюция и есть U-процесс, управляемый важным уравнением Шредингера .

Когда эффекты различных квантовых альтернатив оказываются увеличенными до классического уровня, так что различия между альтернативами становятся столь большими, что мы можем воспринимать их непосредственно, тогда такие суперпозиции с комплексными коэффициентами, по-видимому, перестают существовать. Вместо этого надо образовывать квадраты модулей комплексных амплитуд (т. е. брать квадраты их расстояний до начала координат на комплексной плоскости), и эти действительные числа теперь играют роль настоящих вероятностей для рассматриваемых альтернатив. В реальности физического эксперимента в соответствии с R-процедурой (называемой редукцией вектора состояния, или коллапсом волновой функции; полностью отличной от U) выживает только одна из альтернатив. Именно здесь и только здесь в игру вступает индетерминизм квантовой теории.

Можно серьезно обосновать тезис о том, что квантовое состояние дает объективную картину. Но эта картина может быть сложной и даже парадоксальной. Когда в процессе участвуют несколько частиц, квантовые состояния могут становиться (и обычно становятся) очень сложными. Индивидуальные частицы не имеют своих собственных «состояний», а существуют только в сложных взаимосвязях с другими частицами, называемых корреляциями. Когда частица «наблюдается» в одной области в том смысле, что она «запускает» какой-то эффект, который затем увеличивается до классического уровня, после этого должна вступить в действие R-процедура, а это, по-видимому, оказывает одновременно влияние на все другие частицы, коррелированные с данной частицей. Эксперименты типа Эйнштейна — Подольского — Розена (ЭПР) (например, эксперимент Аспекта, в котором квантовый источник испускает в противоположных направлениях два фотона, а затем, когда фотоны оказываются на расстоянии нескольких метров друг от друга, производится порознь измерение их поляризаций) выявляют четкую наблюдательную суть озадачивающего, но существенного факта квантовой физики: она нелокальна (и поэтому фотоны в эксперименте Аспекта не могут рассматриваться как отдельные независимые сущности)! Если считать, что R-процедура действует объективно (а именно это, насколько можно судить, должно следовать из объективности квантового состояния), то тем самым нарушается дух специальной теории относительности. По-видимому, не существует объективного пространственно-временно́го описания (редуцируемого) вектора состояния, которое не противоречило бы требованиям специальной теории относительности! Однако наблюдательные эффекты квантовой теории не нарушают требований специальной теории относительности.

Квантовая теория умалчивает о том, когда и почему в действительности (или в воображении?) должна иметь место R-процедура. Кроме того, сама по себе R-процедура не дает надлежащего объяснения, почему мир на классическом уровне «выглядит» классическим. «Большинство» квантовых состояний совсем не похожи на классические состояния!

К чему мы пришли после всего сказанного? Я убежден, что необходимо вполне серьезно рассматривать возможность того, что квантовая механика просто неверна , когда ее применяют к макроскопическим телам, или, точнее, что законы U и R дают только превосходные приближения к некоторой более полной, но еще не разработанной теории. И лишь комбинация законов U и R, но не «законы U» в отдельности, дает все то чудесное согласие с наблюдением, которым так радует существующая ныне теория. Если бы линейность U-процедуры допускала распространение на макроскопический мир, то мы должны были бы принять как физическую реальность комплексные линейные комбинации различных пространственных положений (или различных спинов и т. д.) крикетных шаров и тому подобных макроскопических объектов. Но здравый смысл говорит нам, что мир в действительности ведет себя не так! Крикетные шары действительно могут быть хорошо аппроксимированы описаниями классического мира. Крикетные шары обладают разумно хорошо определенными положениями в пространстве, и их нельзя видеть в двух местах одновременно, как это разрешают линейные законы квантовой механики. Если U и R-процедуры подлежат замене каким-то более широким законом, то в отличие от уравнения Шредингера, этот новый закон должен быть нелинейным (так как R-процедура сама действует нелинейно). Некоторые люди возражают против такого утверждения, совершенно справедливо ссылаясь на то, что глубокое математическое изящество стандартной квантовой теории во многом обусловлено ее линейностью. Однако я считаю, что было бы удивительно, если бы квантовая теория в будущем не претерпела бы некоторых фундаментальных изменений, преобразуясь в такую теорию, к которой линейный вариант стандартной квантовой механики был бы всего лишь приближением. Примеры тому уже имеются. Созданная Ньютоном изящная и мощная теория всемирного тяготения во многом опиралась на то обстоятельство, что силы тяготения суммируются линейно . Но с появлением общей теории относительности Эйнштейна стало ясно, что эта линейность всего лишь приближение (хотя и превосходное), и что изящество теории Эйнштейна превосходит даже изящество теории Ньютона!

Я никогда не скрывал свое убеждение, что решение загадок квантовой теории должно лежать в построении усовершенствованной теории. И хотя подобная точка зрения не общепринята, но также и не совсем отвергнута. (Ее придерживались многие из основателей квантовой теории. Я уже изложил взгляды Эйнштейна. Шредингер [1935], де Бройль [1956] и Дирак [1939] также рассматривали стандартную квантовую механику как неокончательную теорию.) Но даже если некто убежден в необходимости каким-то образом модифицировать квантовую теорию, ограничения на то, каким образом может быть произведена такая модификация, оказываются весьма жесткими. Возможно, что в конце концов приемлемой сочтут точку зрения, связанную с использованием «скрытых переменных». Но нелокальность, столь наглядно проявившаяся в экспериментах типа ЭПР, бросает суровый вызов любому «реалистическому» описанию мира, которое может комфортно вписаться в обычное пространство-время — пространство-время того особого типа, которое было дано нам в соответствии с принципами специальной теории относительности, — поэтому я убежден в необходимости гораздо более радикальных изменений. Кроме того, между квантовой механикой и экспериментом не было обнаружено никаких расхождений, если не рассматривать, разумеется, явное отсутствие линейной суперпозиции крикетных шаров как контраргумент. Мое личное мнение сводится к тому, что несуществование линейных суперпозиций крикетных шаров действительно является контраргументом! Но само по себе от этого не много толку. Мы знаем, что на субмикроскопическом уровне квантовые законы действительно работают; но на уровне крикетных шаров действует классическая физика. Где-то между ними находится закон, который нам необходимо понять, чтобы увидеть, каким образом квантовый мир возникает внутри классического мира. Кроме того, я убежден, что этот новый закон нам непременно понадобится, если мы собираемся понять, как функционирует наш разум! А для всего этого, по моему глубокому убеждению, нам необходимо искать новые подходы.

В своем изложении квантовой теории в этой главе я придерживался всецело традиционной точки зрения, хотя, может быть, сильнее, чем обычно, подчеркивал геометрический и «реалистический» аспекты. В следующей главе мы уделим особое внимание поиску недостающих ключевых моментов — того, что, по моему глубокому убеждению, должно нам дать указания на то, какой должна быть усовершенствованная квантовая механика. Наше путешествие начнется у порога нашего дома, но затем мы будем вынуждены значительно удалиться от него. Оказывается, что нам необходимо исследовать весьма далекие области пространства и обратиться даже к самому началу времен!