Продолжение. См. № 2, 4, 6, 8, 10, 12, 16, 18, 20, 22/06

Проф. М.Б.МЕНСКИЙ,
ФИАН им. П.Н.Лебедева, г. Москва
mensky@lebedev.ru

Странности квантового мира и тайна сознания

Печатается выборочно и в сокращении по книге М.Б.Менского «Человек и квантовый мир (странности квантового мира и тайна сознания)» (Фрязино: Век2, 2005; <vek-2@mail.ru>)

ГЛАВА 4. ОПРОВЕРЖЕНИЕ КЛАССИЧЕСКОГО ПОНИМАНИЯ РЕАЛЬНОСТИ (окончание)

4.3. Проблема измерения (окончание)

Проблему, которую мы попытались очертить выше, часто называют проблемой измерения. Она была поставлена ещё на заре квантовой механики, при её анализе была выработана копенгагенская интерпретация (связанная прежде всего с именем Бора). Но не все согласились, что тем самым проблема измерения была решена. Проблема эта продолжала активно обсуждаться, и обсуждение отражало стремление выйти за рамки копенгагенской интерпретации, блестяще решавшей практические задачи, но вызывавшей некоторое неудовлетворение с концептуальной точки зрения. В попытки решить проблему измерения внесли вклад многие выдающиеся физики, в том числе Паули, Шрёдингер, Гейзенберг, Эйнштейн (и, конечно, сам Бор с его блестящим анализом особенностей квантовой механики). Однако и сейчас эту проблему ни в какой мере нельзя считать решённой.

У «проблемы измерения» длинная история, и в разные периоды сообщество физиков относилось к ней по-разному. В какой-то мере каждое поколение физиков начинает осмысление этой проблемы заново и лишь после трудного и долгого периода вхождения оказывается в состоянии внести в её решение что-то новое. И всё же, как нам кажется, в ходе исследований по этой проблеме можно выделить три этапа, качественно отличающиеся друг от друга.

Первый этап, на котором все отцы-основатели квантовой физики в той или иной мере прикоснулись к этой теме, отличался энтузиазмом и оптимизмом. Энтузиазм и интерес к вопросу поддерживался тем, что вопрос этот выводил физиков в совершенно новую, прежде не знакомую и потому интересную область метанауки и философии, заставлял сопоставлять имеющиеся и появляющиеся вновь конкретные положения науки с самыми общими методологическими, а часто и мировоззренческими вопросами. Оптимизм, всегда естественный на ранней стадии, увеличивался ещё и потому, что в исследовании участвовали чрезвычайно мощные интеллектуальные силы.

В этот период разведка велась по разным направлениям. Но серьёзные успехи были достигнуты лишь в одном: была сформулирована и отшлифована до состояния чёткого алгоритма копенгагенская интерпретация квантовой механики, основанная на вероятностных предсказаниях и редукции фон Неймана. Эта интерпретация, по сути дела, была компромиссом, позволявшим работать в квантовой механике, не сомневаясь в том, что эта работа производится корректно. Концептуальные трудности, по существу, не были устранены, но те, кого они не интересовали, могли о них забыть, не боясь из-за этого потерять всякую ориентировку (как могло бы быть на стадии становления квантовой механики).

Когда стало понятно, что первый натиск мало что дал для решения «проблемы измерения», кроме, может быть, лучшего понимания и самой проблемы, и её необычности, и её масштабов, начался второй этап. Он характеризовался почти всеобщей верой в копенгагенскую интерпретацию и отличался маргинализацией исследований по «проблеме измерения». Прошло время, когда понимание квантовой механики (на уровне интуиции) казалось, да и было, на самом деле, необходимым для эффективной работы. Теперь уже существовала чётко сформулированная система правил, в рамках которой для получения результатов требовалась лишь математическая проработка конкретной задачи, т.е. расчёты. Вопрос о понимании стал казаться лишним, и большинство физиков уже не занимал. Характер работ по «проблеме измерения», которые всё же регулярно появлялись, изменился и стал более схоластичным. Вместо смелых новых решений предлагались иные формулировки старых, менявшие эти старые формулировки в таких тонких словесных нюансах, что смысл изменений был полностью ясен (да и вообще интересен) лишь узкому кругу активных участников дискуссии. Большинству физиков казалось, что эта дискуссия вообще не имеет отношения к физике.

В 1957 г. вышла работа Эверетта «Relative state formulation of quantum mechanics», в которой была предложена очень смелая и принципиально новая «многомировая» интерпретация квантовой механики. Она положила начало новому, третьему этапу в работе над проблемой измерения. Первоначально работа Эверетта была замечена немногими. Среди тех, кто ею заинтересовался, были, правда, такие известные физики, как ДеВитт и Уилер, однако широкой научной общественностью эта работа не была замечена. Однако она сыграла и продолжает играть главную роль на новом этапе исследований по проблеме измерений.

Затем, в 1964 г., появилась работа Джона Белла, которая позволила формулировать и обсуждать «проблему измерения» более конструктивно, а затем, в начале 80-х гг. XX в., были поставлены опыты, показывавшие, что неравенства Белла нарушаются, и, следовательно, в квантовой механике действительно несправедливо обычное классическое понимание реальности.

По-настоящему новый этап начался примерно два десятилетия назад и продолжается до сих пор. Интерес к «проблеме измерения» резко возрос, количество людей, занимающихся ею, существенно увеличилось. Для таких изменений были свои причины. Квантовая механика изменилась по существу, став инженерной наукой, и поэтому общее число физиков, вовлечённых в неё, стало намного больше. Кроме того, всё предыдущее развитие квантовой механики показало, что она может найти приложения в самых неожиданных областях, и для поиска и последующего освоения новых приложений всё больше требовались люди, не скованные догмами.

Были и более конкретные причины. На повестку дня встал расчёт не только коллективов квантовых систем (атомов, электронов, фотонов и пр.), но и индивидуальных систем (единичный электрон в одноэлектронных устройствах, единичный ион в магнитной ловушке и пр.). Для расчёта поведения таких систем естественная для вероятностного подхода идеология квантового ансамбля (воображаемого коллектива большого количества одинаковых систем в одинаковых состояниях) уже не совсем подходила. Нужно было уметь описывать не только ансамбль систем, но и индивидуальную систему. Более того, для чисто практических нужд (скажем, в квантовой оптике) было необходимо рассчитывать не одно-единственное измерение, а целую серию измерений над одной и той же индивидуальной системой, или измерение, непрерывное во времени. В таких условиях настойчиво повторявшееся во многих учебниках по квантовой механике утверждение, что вектор состояния (волновая функция) описывает не индивидуальную систему, а воображаемое множество одинаковых систем (квантовый ансамбль), стало все больше вызывать неудовлетворение^*. Ансамблевая идеология, в которой концептуальных проблем вообще не возникает, стала явно недостаточной.

Кроме того, появились качественно новые приложения квантовой механики, которые требовали для своей реализации гораздо более глубокого понимания специфики квантовых систем. Эти новые приложения были объединены под именем квантовой информатики и включали квантовую криптографию, квантовую телепортацию и, главное, квантовый компьютер. Возникшие на этой основе новые технологии существенно использовали как раз те специфические черты квантовых систем, которые порождают «проблему измерения» (ключевым здесь является понятие запутанных состояний). Для разработки квантово-информационных систем вообще и квантовых компьютеров в особенности нужно было гораздо более глубокое понимание сути квантовой механики, её отличий от классической. Помимо этого, нужно было уметь корректно описывать поведение таких систем, которые обладают одновременно и квантовыми, и классическими свойствами.

Нельзя, конечно, сказать, что для решения практических технологических задач требовалось сначала решить «проблему измерения». Однако для разработки методов решения практических задач требовалось работать на таком высоком уровне понимания квантовой механики, который близок к уровню, на котором формулируется эта проблема. Это расширило круг интересующихся концептуальными проблемами квантовой механики и круг активно работающих в этой области.

Вот такой период резкой активизации интереса к проблеме измерения мы переживаем в настоящее время. Исследования по этой проблеме ведутся прежде всего на основе интерпретации Эверетта. В гл. 5 мы попытаемся проследить некоторые возможные направления таких исследований. Наибольший интерес представляет надежда, по нашему мнению, вполне обоснованная, на то, что попытки решить квантово-механическую проблему измерения могут не только устранить внутренние концептуальные трудности квантовой механики, но привести к новым подходам в гораздо более широкой и чрезвычайно интересной области – теории сознания и даже понимании феномена жизни.

____________________

^*Во избежание недоразумений заметим, что понятие квантового ансамбля является корректным и часто привлекается для анализа вероятностных предсказаний. Однако, как правило, достаточно того, чтобы понятие ансамбля присутствовало неявно, а явно во всех рассуждениях фигурировало лишь понятие вероятности, применимое, разумеется, к индивидуальной системе.}