Необратимость и стрела времени

Когда заканчивается измерение? Идеализм утверждает, что оно заканчивается только когда произошло самосоотносительное наблюдение. По контрасту с этим, некоторые физики доказывают, что измерение заканчивается, когда детектор обнаруживает квантовое событие. Чем же детектор отличается от прежнего измерительного прибора? Эти физики утверждают, что обнаружение детектором необратимо.

Что такое необратимость? В природе есть некоторые процессы, которые можно называть обратимыми, поскольку наблюдая эти процессы в обратном порядке, невозможно определить направление хода времени. Примером может служить движение маятника (по крайней мере, в течение короткого промежутка): если вы снимете его движение на кинопленку и затем пустите ее в обратную сторону, то не обнаружите никакого видимого различия. По контрасту с этим, киносъемку необратимого процесса нельзя прокручивать в обратную сторону, не раскрывая ее секрет. Например, предположим, что, снимая движение маятника на столе, вы также снимаете чашку, которая падает на пол и разбивается. Когда вы прокручиваете фильм в обратную сторону, осколки, взлетающие с пола и снова становящиеся целой чашкой, раскроют ваш секрет — что вы прокручиваете фильм в обратную сторону.

Чтобы понять разницу между обратимым измерительным прибором и детектором, рассмотрим следующий пример. Фотоны имеют характеристику, именуемую поляризацией, которая может принимать два значения: это некоторая ось, направленная (или поляризованная) только в одном из двух взаимно перпендикулярных направлений. Поляризованные солнцезащитные очки поляризуют обычный неполяризованный свет. Они пропускают только те фотоны, ось поляризации которых параллельна оси поляризации очков. Вы можете это проверить, поставив двое поляризованных очков перпендикулярно друг другу и посмотрев через них. Вы увидите только темноту. Почему? Потому что одно поляризованное стекло поляризует фотоны, скажем, вертикально, а другое пропускает только фотоны, поляризованные горизонтально. Иными словами, оба стекла вместе действуют как двойной фильтр, который задерживает весь свет.

Фотон, поляризованный под углом 45°, представляет собой когерентную суперпозицию наполовину вертикально и наполовину горизонтально поляризованных состояний. Если такой фотон проходит через поляризационную коробку с вертикально и горизонтально поляризованными каналами, то он случайным образом появляется либо в вертикально поляризованном, либо в горизонтально поляризованном канале. Об этом можно судить по показаниям детекторов, помещенных за каждым из каналов (рис. 28, а).

Теперь предположим, что в установке, изображенной на рис. 28, а, мы помешаем между поляризационной коробкой и детекторами поляризатор с углом поляризации 45° (рис. 28, б). Оказывается, что фотон восстанавливает свое первоначальное состояние поляризации под углом 45° — состояние когерентной суперпозиции; он возрождается. Таким образом, для измерения фотонов одного поляроида недостаточно — поскольку фотоны по-прежнему сохраняют свой потенциал становиться когерентной суперпозицией. Для измерения необходим детектор, в котором происходят необратимые процессы, например флуоресцентный экран или фотографическая пленка.

Рис. 28. Эксперименты с фотонами, поляризованными под углом 45°

Если думать с точки зрения обращения времени, то движение фотонов, поляризованных под углом 45°, которые проходят через поляризационную коробку, а потом опять через поляризатор с углом поляризации 45°, обратимо во времени. Однако если фотоны обнаруживаются неким детектором с необратимыми процессами, то, представляя себе этот процесс в обратном направлении, вы способны различать между движением вперед и назад.

Вспомните историю о сцене, снимавшейся для немого кино. Предполагалось, что героиня привязана к рельсам перед приближающимся поездом. По сюжету фильма героиня должна была быть спасена — поезд в последнее мгновение останавливался. Поскольку актриса (по понятным соображениям) не хотела рисковать своей жизнью, режиссер снимал всю сцену задом наперед — начиная с момента, когда актриса привязана к рельсам, а поезд неподвижно стоит рядом с ней. Затем поезд начинал двигаться задом. Но что, как вы думаете, видели зрители, когда фильм прокручивали в обратную сторону? В те дни поезда водили паровозы, работавшие на угле. В фильме, запущенном в обратную сторону, дым входил в паровозную трубу, вместо того чтобы выходить из нее, тем самым раскрывая секрет фильма. Образование дыма — необратимый процесс.

Означает ли это, что близко решение проблемы квантового измерения — причем без допущения участия сознания? Нам нужно только признать необратимость определенных измерительных приборов, именуемых детекторами, и тогда, возможно, мы можем вырваться из цепочки фон Нойманна. Как только детекторы сработали, когерентная суперпозиция больше не может быть восстановлена, и, следовательно, можно сказать, что она действительно закончилась.

Но так ли это на самом деле? Достаточно ли детектора для окончания цепочки фон Нойманна? Сам фон Нойманн отвечает — нет. Детектор должен становиться когерентной суперпозицией показаний стрелки, по той простой причине, что он тоже подчиняется квантовой механике. То же справедливо и для любого последующего измерительного прибора — обратимого или «необратимого». Цепочка фон Нойманна продолжается.

Суть в том, что квантовое уравнение Шредингера обратимо во времени: оно не меняется при перемене знака времени. Как показал математик Жюль Анри Пуанкаре, поведение любого макроскопического тела, подчиняющегося уравнению, обратимому во времени, не может быть подлинно необратимым. Поэтому складывается общепринятая точка зрения, что абсолютная необратимость невозможна; кажущаяся необратимость, которую мы наблюдаем в природе, обусловлена низкой вероятностью обращения пути эволюции макроскопического тела к исходной конфигурации, обладающей большей относительной упорядоченностью.

Учет необратимости дает важный урок. Хотя, в конечном счете, все объекты представляют собой квантовые объекты, видимая необратимость некоторых макрообъектов позволяет нам проводить приблизительное различие между классическим и квантовым. Мы можем говорить, что квантовый объект восстанавливается, тогда как время восстановления классического объекта чрезвычайно велико. Иными словами, можно говорить, что в то время как квантовые объекты не имеют заметного сохранения своей истории — не имеют памяти, классические объекты — например, детекторы — обладают памятью, в том смысле, что для стирания памяти требуется длительное время.

Возникает еще один важный вопрос: если в движении материи нет абсолютной необратимости, то как идеалистическая интерпретация справляется с представлением об однонаправленном течении времени, стреле времени? Согласно идеалистической интерпретации, в трансцендентной области время представляет собой улицу с двусторонним движением, демонстрируя признаки лишь приблизительной необратимости для движения все более и более сложных объектов. Когда сознание коллапсирует волновую функцию ума-мозга, оно проявляет наблюдаемое нами однонаправленное время. Необратимость и стрела времени входят в природу в процессе самого коллапса — квантового измерения, — как много лет назад подозревал физик Лeo Сциллард.

По-видимому, необратимость детекторов не решает проблему измерения. К подобному решению можно обращаться только если мы готовы признавать необратимость в форме неупорядоченности, еще более фундаментальной, чем квантовая механика. Существует предложение поступать именно так.

Предположим, что материя фундаментально беспорядочна и беспорядочное поведение субстрата частиц посредством случайных флуктуаций порождает приблизительно упорядоченное поведение, которое мы можем называть квантовым. Если бы это было так, то сама квантовая механика была бы эпифеноменом — как и все другое упорядоченное поведение. В поддержку такого рода теории нет никаких экспериментальных данных, хотя если бы ее можно было доказать, это было бы оригинальное решение проблемы измерения. Однако некоторые физики все же допускают, что существует скрытая основополагающая среда, вызывающая случайность; они проводят аналогию с беспорядочным движением молекул, вызывающим видимое в микроскоп беспорядочное движение частиц пыльцы в воде (именуемое броуновским движением). Однако допущение наличия основополагающей среды противоречит данным эксперимента Аспекта, если только не включает в себя нелокальность. А в рамках материального реализма трудно принимать нелокальное броуновское движение.

Девять жизней

Стивен Хоукинг говорит: «Всякий раз, когда я слышу о кошке Шредингера, мне хочется схватить пистолет». Аналогичное побуждение испытывает почти каждый физик. Все хотят убить кошку — то есть парадокс кошки, — но у нее, судя по всему, девять жизней.

В первой жизни кошку трактуют статистически, как часть ансамбля. Кошка оскорблена (поскольку эта интерпретация лишает ее своеобразия), но невредима.

Во второй жизни философы макрореализма рассматривали кошку как пример дихотомии квантового/классического. Кошка отказывается менять свою дихотомию жизни/смерти на еще одну дихотомию.

В третьей жизни кошке предъявляют необратимость и случайность, но кошка говорит — докажите это.

В четвертой жизни кошка встречается со скрытыми переменными (идеей, что ее состояние никогда не становится двойственным, но, в действительности, полностью определяется скрытыми параметрами), и то, что происходит, остается скрытым[31].

В пятой жизни представители нео-Копенгагенской школы пытаются избавиться от кошки, используя философию логического позитивизма. По большинству оценок кошка остается невредимой.

В шестой жизни кошка встречается с множественными мирами. Как знать, возможно, она погибла в какой-то вселенной, но насколько мы можем судить, не в этой.

В седьмой жизни кошка встречается с Бором и его принципом дополнительности, но ее спасает вопрос: что составляет измерение?

В восьмой жизни кошка лицом к лицу встречается с сознанием (дуалистического сорта), но ее спасает друг Вигнера.

Наконец, в девятой жизни кошка находит спасение в идеалистической интерпретации. На этом заканчивается история девяти жизней кошки Шрёдингера.