1 заметка с тегом

квантовая механика

Чеширский кот Шрёдингера глумится над квантовой теорией

#ηeωs (двухгодичной давности, но тем не менее)

Все знают, что квантовая механика — штука странная. Меж тем она прекрасно работает и даёт удивительно точные предсказания для микромира. В принципе она должна быть применима и к макрообъектам (и даже ко всей Вселенной). Но проверить это сложно, т. к. на таких масштабах квантовые эффекты усредняются и становятся почти незаметными. Но вот в журнале Nature вышла статья, в которой приводится мысленный эксперимент, который показывает, что применение квантовой теории на макроуровне приводит к ещё более странным результатам.

Первым квантовую механику к макрообъектам применил ещё Шрёдингер. Его знаменитый кот, который сидит в коробке ни жив ни мёртв, известен всем. Но не все знают, что Шрёдингер придумал своего кота и своё уравнение лишь для того, чтобы продемонстрировать, что эта ваша квантовая теория — чушь собачья (или кошачья). Вот, видите, какая ерунда у вас получается! А те посмотрели на уравнение — точно, так и получается, ура, спасибо!

Но на этом учёные не остановились. Юджин Вигнер засунул в коробку уже не просто кота, а целого своего друга физика, и заставил его там делать квантовые измерения. Друг измеряет спин частицы внутри коробки и получает один из двух исходов с равной вероятностью. Сам Вигнер снаружи не знает, что там его друг намерил, стало быть для него вся коробка (включая сознание друга) находится в суперпозиции двух состояний, пока друг не сообщит ему результат своего измерения. Но возникает вопрос — а в какой именно момент произошёл коллапс волновой функции? То ли когда друг измерил частицу, то ли когда сам Вигнер «измерил» коробку?

Но это только кажущийся парадокс. Ведь они измеряют разные системы, стало быть речь идёт о двух разных волновых функциях, у каждой свой собственный коллапс. А то, что сознание находится в суперпозиции, так это ничего страшного, квантовой теории всё равно. Ведь эти сознания не могут взаимодействовать друг с другом и существуют параллельно, а после коллапса остаётся только одно.

Но вот в последней работе таки удалось сформулировать настоящий парадокс. Для этого потребовалось (на единицу) больше коробок, больше друзей и больше вигнеров. Тогда выходит, что при помощи квантовой механики разные наблюдатели могут прийти к противоречащим выводам относительного одного события, например, подбрасывания монетки. Один может решить со 100% уверенностью, что выпала решка, а другой, с той же 100% уверенностью, — что орёл.

Работает это примерно так:

В одной коробке-лаборатории сидит Алиса. У неё есть читерская монета, которая выпадает орлом в два раза чаще, чем решкой. Алиса подбрасывает эту монету и, если выпала решка, то создаёт какую-нибудь частицу в чистом состоянии «спин вниз», а если выпал орёл, то в состоянии суперпозиции «спин вниз и вверх». После чего она отправляет эту частицу своей подруге Синди, которая сидит в другой коробке-лаборатории и измеряет спин полученной частицы.

Снаружи за лабораториями наблюдают мужики. После того как Синди сделает своё измерение, Боб измеряет лабораторию Алисы определённым образом, и сообщает результат Дику, который после этого измеряет лабораторию Синди тоже заранее определённым образом.

Но наши друзья не просто делают измерения. Они ещё используют квантовую теорию, чтобы делать выводы. Если у Алисы выпал орёл, то она знает, что раз частица в суперпозиции, то после её измерения Синди со своей лабораторий тоже окажется в суперпозиции «знаю, что спин вверх — знаю, что спин вниз». В таком состоянии измерение, которое проведёт Дик над лабораторией, может дать только один исход, назовём его «нет». Таким образом Алиса уверена, что Дик получит результат «нет» после своего измерения.

Теперь посмотрим, что знает Синди. Если вдруг она получила спин вверх, то она знает, что у Алисы выпал орёл. Ведь решка всегда приводит к спину вниз. Стало быть, хоть с точки зрения Синди она сама не находится в суперпозиции, она понимает, что Алиса уверена, что её лаборатория в суперпозиции и что у Дика выпадет «нет». Стало быть сама Синди тоже может быть уверена, что у Дика выпадет «нет».

Теперь Боб измеряет лабораторию Алисы таким образом, что если он получил ответ «да» на своё измерение, он может быть уверен, что у частицы был спин вверх. А раз так, то он понимает, что Синди уверена, что Алиса уверена и т. д. и тоже убеждается, что Дик получит ответ «нет». Боб радостно сообщает это Дику.

Дик по той же цепочке убеждается, что сейчас он получит ответ «нет» на своё измерение. Иными словами, когда у Боба выпало «да», все участники уверены, что у Дика будет ответ «нет». Ответы «да-да» никогда не должны получаться. Вот только та же квантовая теория говорит, что вообще-то вероятность получить ответы «да-да» в этом эксперименте не нулевая, а равна 1/12. В результате рано или поздно Дик получит ответ «да» ко всеобщему изумлению.

Что же всё это означает для квантовой теории? А вот что. Это типичная ситуация из серии «выберите любые два пункта»:
C) Объективная реальность существует независимо от наблюдателя.
S) Не бывает двух противоположных исходов одновременно.
Q) Квантовая механика применима к макрообъектам.

Любая интерпретация квантовой механики должна пожертвовать хотя бы одним пунктом. То есть либо разные наблюдатели могут приходить к противоположным выводам по поводу реальности, и это нормально. Либо эти противоположные исходы и в самом деле присутствуют объективно и одновременно. Либо квантовая механика неприменима к макромиру.

Вот только все три пункта для многих казались само собой разумеющимися. Но теперь оказывается, что они несовместимы друг с другом.

Правда, уже есть теории, которые явно отказываются от одного из этих пунктов. Например, QBism явно постулирует, что реальность субъективна. А в многомировой интерпретации каждый из несовместных исходов одинаково реален, просто случается в своей собственной параллельной вселенной. А теории спонтанного коллапса утверждают, что коллапс происходит автоматически без всякого измерения, и он тем вероятнее, чем больше частиц в системе. Поэтому макрообъекты практически не могут быть в суперпозиции.

Но и классической копенгагенской интерпретации теперь не отвертеться. Почему-то авторы пишут, что она становится субъективной, по аналогии с кубизмом. Но мне кажется, что им проще отказаться от третьего пункта, ведь измерительный прибор у них и так считается классической (неквантовой) системой.

Интересный вывод получается про теорию волны-пилота. Если применять её ко всей Вселенной, как того требует сама бомовская механика, то вроде как в ней сохраняются первые два пункта. Из этого авторы делают вывод, что должен нарушаться третий, хотя других аргументов не приводят. Но это выглядит странно. Если Вселенная — не макрообъект, тогда что макрообъект? Впрочем, это может говорить о том, что бомовская механика попросту противоречива сама по себе.

Такие дела.

30 декабря   ηeωs   волновая функция   квантовая механика   км   кот шрёдингера   реальность   спин