Проблема измерения в квантовой теории

При складывании циферблатов, соответствующих разным диаграммам Фейнмана, появляется эффект квантовой интерференции. Как и в случае с двухщелевым экспериментом, когда нужно было принять во внимание все возможные траектории пути частицы к экрану, мы должны учесть все вероятности перехода пары частиц из исходных положений в окончательные. Это позволяет прийти к правильному ответу, потому что становится возможной интерференция между различными диаграммами. Только в конце процесса, когда все циферблаты просуммированы и все интерференции учтены, нужно возвести в квадрат размер итогового циферблата и вычислить вероятность протекания процесса. Просто. А теперь посмотрите на рис. 10.2.

Рис. 10.2. Человеческий глаз смотрит на происходящее

Что случится, если мы попытаемся определить, что делают электроны при перескакивании в точки Х и Y ? Единственный способ исследовать, что происходит, – взаимодействовать с системой по правилам игры. В квантовой электродинамике это значит, что мы должны придерживаться правила рассеивания электронов‑фотонов, поскольку никаких других правил нет. Итак, попробуем взаимодействовать с одним из фотонов, который может быть испущен одним из двух электронов. Определим его с помощью личного детектора фотонов – собственных глаз. Заметьте, мы задаем теоретически иной вопрос: «Какова вероятность найти электрон в точке Х , другой электрон в точке Y , а также фотон в собственном глазу?» Мы знаем, что сделать для получения ответа: нужно сложить все циферблаты, связанные с различными диаграммами для двух электронов, которые завершаются нахождением одного электрона в точке Х , второго в точке Y и фотона «в собственном глазу». Точнее, мы должны говорить о том, как фотон с этим «моим собственным глазом» взаимодействует.

Хотя все звучит относительно просто, процесс вскоре вырывается из‑под контроля. Например, фотон отрывается от электрона, находящегося в одном из атомов моего глаза; это запускает цепочку событий, которая в конечном счете ведет к моему восприятию фотона: я сознательно наблюдаю вспышку света в собственном глазу. Итак, чтобы полностью описать то, что происходит, мы должны определить положение каждой частицы моего мозга, поскольку все они реагируют на появление фотона. И тут мы вплотную подходим к так называемой проблеме измерения в квантовой теории.

До сих пор мы довольно подробно описывали методы вычисления вероятностей в квантовой физике. Под этим понимается, что квантовая теория позволяет вычислить шансы измерения некоего определенного исхода эксперимента. В этом процессе нет никаких двусмысленностей – достаточно следовать правилам игры и не отклоняться от вычисления вероятности того, что может произойти. Однако случается нечто неприятное. Представьте, что ученый проводит эксперимент, для которого возможны лишь два исхода – «да» и «нет». Итак, эксперимент состоялся, и в результате экспериментатор записал исход «да» или «нет», но уж никак не то и другое одновременно. Пока все хорошо.

Теперь представим, что позже второй экспериментатор измеряет нечто другое (что именно – не имеет значения).

Снова примем как данность, что эксперимент прост и возможных исходов два – «есть щелчок» и «нет щелчка». Правила квантовой физики диктуют: мы должны вычислить вероятность того, что второй эксперимент даст «щелчок», просуммировав циферблаты, связанные со всеми вероятностями, ведущими к такому исходу. Это может включать в себя вариант, что первый экспериментатор получает исход «да», и дополняющий его вариант с исходом «нет». Только после суммирования двух исходов мы получим правильный ответ и узнаем, какова вероятность результата «есть щелчок» во втором эксперименте. Но так ли это? Действительно ли нужно принимать в расчет необходимость поддержания связности мира даже после того, как некое измерение завершилось? Или же на самом деле после получения результата «да» или «нет» в первом эксперименте будущее зависит лишь от измерения? Например, во втором эксперименте это значит, что если первый экспериментатор получает «да», то вероятность исхода «есть щелчок» во втором эксперименте должна вычисляться не исходя из суммы вероятностей «да» и «нет», а лишь после учета вероятностей, при которых мир может развиться от «первый экспериментатор получает ответ да» до «второй эксперимент дает щелчок». Разумеется, при этом получится не тот ответ, как при суммировании обоих исходов «да» и «нет», так что, если мы стремимся к полному пониманию, нужно выяснить, как следует поступать.

Чтобы узнать, какой из методов верен, требуется определить, есть ли что‑то особенное в самом процессе измерения. Изменяет ли он мир, препятствуя сложению квантовых амплитуд, или просто оказывается частью обширной сложной сети вероятностей, оставаясь всегда в одной и той же суперпозиции? Людям приятно считать, что измерение каким‑то образом (получением ответа «да» или «нет», например) необратимо меняет будущее, так что, если это правда, никакое будущее измерение не может пойти одновременно путями «да» и «нет». Но совершенно непонятно, действительно ли это так, потому что, судя по всему, всегда существует вероятность найти такое будущее состояние Вселенной, к которому можно подойти обоими способами. Для таких состояний законы квантовой физики, если воспринимать их буквально, прямо‑таки заставляют вычислять вероятность их проявления путем суммирования вариантов «да» и «нет». Каким бы странным это ни казалось, это не более странно, чем суммирование историй, которым мы постоянно занимались в этой книге. Все дело в том, что мы настолько серьезно относимся к этой идее, что готовы совершать соответствующие действия даже применительно к людям и их действиям. С этой точки зрения никакой «проблемы измерения» не существует. Только если мы настаиваем, что акт измерения и его результат – «да» или «нет» – реально меняет природу вещей, возникают проблемы, потому что в этом случае на нас лежит обязанность объяснить, что же запускает процесс изменений и нарушает квантовую связность.

Подход к квантовой механике, который мы обсуждаем, отвергает саму идею, что природа каждый раз, когда кто‑то (или что‑то) «проводит измерение», выбирает конкретную версию реальности. Он лежит в основе так называемой интерпретации множественности миров. Это очень привлекательно, потому что выступает логическим следствием серьезного восприятия законов, управляющих элементарными частицами, и распространения их на все феномены. Но последствия такого серьезного восприятия шокируют, потому что придется представить, что Вселенная – это когерентная суперпозиция любых действий, которые могут произойти, а воспринимаемый нами мир (который, как мы предполагаем, конкретная реальность) таков лишь потому, что мы ошибочно считаем, что при измерении теряется когерентность. Иными словами, мое сознательное восприятие мира объясняется тем, что крайне маловероятно, чтобы альтернативные (потенциально интерферирующие) истории могли привести к тому же самому состоянию «сейчас», а значит, квантовой интерференцией можно пренебречь.

Если измерение не разрушает квантовой связности, то в каком‑то смысле вся жизнь протекает внутри одной гигантской диаграммы Фейнмана, и наше желание думать, что происходят некие определенные вещи, – следствие нашего слишком приблизительного восприятия мира. Можно предположить, что в какой‑то момент будущего с нами может произойти нечто, что может быть объяснено лишь тем, что в прошлом мы произвели одновременно два противоречащих друг другу действия. Разумеется, этот эффект незначителен, так как очевидно, что «я получил работу» и «я не получил работу» – два события, оказывающие совершенно противоположное воздействие на нашу жизнь, и не так‑то просто придумать сценарий, который привел бы к идентичным будущим Вселенным (помните, что мы должны складывать только те амплитуды, которые ведут к одинаковым исходам). В этом случае получение и неполучение работы не слишком интерферируют, и мы воспринимаем мир так, что одно событие произошло, а другое нет. Однако все обстоит тем менее однозначно, чем менее два альтернативных сценария противоположны, и, как мы уже видели, для взаимодействий небольшого количества частиц суммирование разных возможностей совершенно необходимо. Так как в повседневной жизни задействовано огромное количество частиц, две существенно разные конфигурации атомов в определенное время (например, ситуации получения и неполучения работы) с крайне малой вероятностью могут привести к значительным изменениям в некоем будущем сценарии. В свою очередь, это значит, что мы можем двигаться вперед, считая, что мир необратимо изменился в результате измерения, даже если на самом деле ничего подобного не произошло.

Но все это не так важно, когда дело доходит до серьезной задачи – вычисления вероятности, что нечто произойдет при постановке эксперимента. Мы знаем правила решения этой задачи и можем без каких‑либо проблем их применить. Но когда‑нибудь такое удачное стечение обстоятельств может измениться: сейчас экспериментальное разрешение вопроса о том, как наше прошлое может с помощью квантовой интерференции повлиять на будущее, попросту невозможно. Та степень, до которой умствования по поводу «истинной природы» мира (или миров), описываемого квантовой теорией, могут мешать научному прогрессу, отлично отражается позицией физической школы «заткнись и считай», которая последовательно отвергает любые попытки рассуждений о реальности вещей.

Антиматерия

Вернемся к нашему миру. На рис. 10.3 показан еще один способ расхождения двух электронов. Один из входящих перескакивает из точки А в точку Х , по дороге испуская фотон. Вроде все как всегда, но в данном случае электрон поворачивает во времени – обратно в точку Y , где поглощает еще один фотон, и направляется в будущее, в котором он может быть обнаружен в точке С . Эта диаграмма никак не противоречит правилам перехода и рассеяния, потому что электрон испускает и поглощает фотоны в точном соответствии с предписаниями теории. Это может произойти в соответствии с правилами, а стало быть, как утверждает название этой книги, действительно происходит. Но подобное поведение, судя по всему, нарушает правила здравого смысла, потому что приходится принять тот факт, что электроны движутся назад во времени. Это интересная научная фантастика, но нарушениями причинно‑следственных связей Вселенную не построишь. Кроме того, таким образом квантовая теория, кажется, вступает в конфликт со специальной теорией относительности Эйнштейна.

Рис. 10.3. Антиматерия… или электрон, который движется назад во времени

Впрочем, как ни странно, подобные путешествия во времени не запрещены субатомным частицам, как в 1928 году установил Дирак. Мы можем понять, почему все не так невероятно, как кажется, если переистолковать происходящее на рис. 10.3 с точки зрения «движения вперед». Достаточно вести отсчет событий на диаграмме слева направо. Начнем со времени Т = 0, когда существует мир всего из двух электронов, находящихся в точках А и В . Мы продолжаем рассматривать мир из двух электронов до времени T 1, когда нижний электрон испускает фотон; между временными точками T 1 и T 2 мир состоит из двух электронов и одного фотона.

Во время T 2 фотон погибает и заменяется электроном (который заканчивает свой путь в точке С ) и второй частицей (финиширующей в точке Х ). Эту вторую частицу мы не можем назвать электроном, потому что это «электрон, который движется назад во времени». Вопрос вот в чем: как выглядит электрон, который движется назад во времени, с точки зрения наблюдателя (например, с вашей), двигающегося вперед во времени?

Для ответа на этот вопрос представим, что мы ведем видеосъемку электрона, двигающегося поблизости от какого‑то магнита, как показано на рис. 10.4. Если электрон движется не слишком быстро[48], он будет совершать обычные круговые движения. Возможность отклонения электронов магнитом – это, как мы уже говорили, основная идея работы не только старомодных телевизоров на катодно‑лучевых трубках, но и ускорителей частиц, в том числе Большого адронного коллайдера.

Рис. 10.4. Электрон, движущийся вокруг магнита

А теперь представьте, что будет, если пустить видеозапись задом наперед. Именно так «электрон, который движется назад во времени» и будет выглядеть с точки зрения наблюдателя, который «движется вперед во времени». Теперь мы видим, как «движущийся назад во времени» электрон вращается в противоположном направлении по мере того, как идет запись. С точки зрения физика видеозапись частицы, движущейся назад во времени, идентична видеозаписи частицы, движущейся вперед во времени, с тем исключением, что эта частица будет нести положительный электрический заряд. Итак, мы получили ответ на свой вопрос: электроны, движущиеся назад во времени, выглядят как «электроны с положительным зарядом».

Таким образом, если электроны действительно совершают путешествия назад во времени, мы можем ожидать, что столкнемся к некими «электронами с положительным зарядом».

Такие частицы действительно существуют и называются «позитронами». Понятие этих частиц ввел в начале 1931 года Дирак, чтобы решить проблему, вставшую при выводе квантово‑механического уравнения для электрона: уравнение, судя по всему, предсказывало существование частиц с отрицательной энергией. Позднее Дирак рассказал, о чем думал в этот момент, и признался, в частности, что был твердо уверен в правильности математики: «Я смирился с тем фактом, что отрицательные энергетические состояния нельзя исключить из математической теории, и решил, что нужно просто найти для них физическое объяснение».

Всего через год Карл Андерсон, который, судя по всему, не был знаком с предсказаниями Дирака, заметил некоторые странности в работе своего экспериментального аппарата по наблюдению частиц из состава космического излучения. Он сделал следующий вывод: «Кажется необходимым призвать на помощь положительно заряженную частицу, масса которой сопоставима с массой электрона». Это еще один образец всей мощи математических рассуждений. Чтобы объяснить математическое уравнение, Дирак ввел идею новой частицы – позитрона, и уже через несколько месяцев было обнаружено, что эта частица порождается в столкновениях частиц космического излучения. Позитрон – наша первая встреча с краеугольным камнем научной фантастики: антиматерией.

Вооружившись интерпретацией путешествующих во времени электронов как позитронов, мы можем закончить работу по объяснению рис. 10.3. Нужно сказать, что, когда фотон достигает точки Y во время T 2, он распадается на электрон и позитрон. Каждая из этих частиц движется вперед до времени T 3, когда позитрон из точки Y достигает точки X , где сливается с исходным верхним электроном и производит второй фотон. Этот фотон распространяется до времени T 4, когда он поглощается нижним электроном.

Может показаться, что все это несколько притянуто за уши: античастицы появились из нашей теории, потому что мы разрешили частицам путешествовать назад во времени. Правила перехода и рассеяния позволяют частицам перескакивать как вперед, так и назад во времени, и несмотря на то, что мы, возможно, хотели бы им это не позволить, оказывается, что мы не можем и не должны им в этом препятствовать. Более того, оказывается, что, если мы не разрешаем частицам перескакивать назад во времени, как раз тогда и нарушается закон причины и следствия. Это странно: кажется, что должно быть ровно наоборот. Однако все не случайно и намекает на лежащие в основе глубинные математические структуры. Возможно, у вас создалось впечатление, что правила перехода и рассеяния частиц установлены как‑то произвольно. Можно ли установить еще какие‑то правила рассеяния и подрегулировать правила перехода и изучить последствия? Но если сделать так, мы почти наверняка получим плохую теорию – например, такую, которая будет нарушать закон причины и следствия. Квантовая теория поля (QFT) – название той самой глубинной математической структуры, которая и лежит в основе правил перехода и рассеяния. Удивительно, но это единственный способ создать квантовую теорию мельчайших частиц с учетом специальной теории относительности. Вооружившись аппаратом квантовой теории поля, правила перехода и рассеяния частиц становятся незыблемыми, и мы лишаемся свободы выбора. Это очень важный результат для исследователя фундаментальных законов, потому что использование «симметрии» для устранения выбора создает впечатление, что Вселенная просто должна быть «вот такой», и это создает ощущение лучшего ее понимания. Мы использовали здесь слово «симметрия», потому что оно кажется очень подходящим: можно считать, что теории Эйнштейна накладывают симметрические ограничения на структуру пространства и времени. Иные «симметрии» еще более ограничивают правила перехода и рассеяния, и мы вкратце рассмотрим их в следующей главе.

Прежде чем закончить с квантовой электродинамикой, необходимо устранить последнее непонимание. Как вы помните, первый доклад на конференции в Шелтер‑Айленде касался лэмбовского перехода – аномалии в спектре водорода, которая не объяснялась в рамках квантовой теории Гейзенберга и Шрёдингера. Через неделю после этой встречи Ганс Бете выдал первые, еще приблизительные вычисления ответа. На рис. 10.5 показан атом водорода с точки зрения квантовой электродинамики. Электромагнитное взаимодействие, связывающее протон и электрон, можно представить в виде ряда диаграмм Фейнмана возрастающей сложности, как и в случае с двумя взаимодействующими электронами на рис. 10.1. Мы изобразили две простейшие возможные диаграммы на рис. 10.5. До квантовой электродинамики расчеты энергетических уровней электрона включали в себя только верхнюю диаграмму на рисунке, которая отражает физику электрона, удерживаемого в потенциальной яме, которая создана протоном. Но мы уже выяснили, что при взаимодействии может произойти еще много всего. Вторая диаграмма на рис. 10.5 показывает кратковременную флуктуацию фотона в электрон‑позитронной паре, и этот процесс тоже стоит учесть при расчете возможных энергетических уровней электрона. Эта диаграмма, как и многие другие, вносит в результат подсчетов[49]небольшие коррективы.

Рис. 10.5. Атом водорода

Бете совершенно справедливо включил в расчеты важные результаты «однопетлевых» диаграмм, подобных изображенным на рисунке, и обнаружил, что они оказывают некоторое влияние на сдвиг энергетических уровней, а следовательно, и на видимый спектр. Его результаты соответствовали измерениям Лэмба. Иными словами, квантовая электродинамика заставляет представить атом водорода в виде невероятной какофонии субатомных частиц, порождающихся и прекращающих существование. Лэмбовский сдвиг стал первой непосредственной встречей человечества с этими эфирными квантовыми флуктуациями.

Прошло немного времени – и эстафетную палочку перехватили двое других участников встречи в Шелтер‑Айленде: Ричард Фейнман и Джулиан Швингер. Через пару лет квантовая электродинамика уже развилась в ту теорию, которую мы знаем сейчас, – прототип квантовой теории поля и образец для тех теорий, которым еще предстояло появиться на свет и которые описывали сильное и слабое взаимодействия. За свои заслуги Фейнман, Швингер и японский физик Синъитиро Томонага в 1965 году получили Нобелевскую премию «За фундаментальные работы по квантовой электродинамике, имевшие глубокие последствия для физики элементарных частиц». К этим глубоким последствиям мы и переходим.