Тайна квантовой реальности: почему наблюдатель решает всё

Ни одна из ведущих интерпретаций квантовой теории не может считаться по-настоящему убедительной. Они предлагают верить в то, что мир нашего опыта фундаментально отделён от субатомного мира, из которого он построен. Или что существует бесконечное множество параллельных вселенных. Или что некий таинственный процесс заставляет квантовую реальность спонтанно схлопываться. Это неудовлетворительное положение вещей было ключевой темой книги «За пределами странного», опубликованной в 2018 году и посвящённой смыслу квантовой механики. Неудивительно, что спустя столетие после разработки теории эксперты остаются столь же разделёнными в вопросах о том, что квантовая теория говорит о реальности.

Однако после публикации книги «Декогеренция и квантовый дарвинизм», вышедшей в марте 2025 года, появилась надежда на ответ, избавляющий от всех этих умозрительных построений. Её автор — физик Войцех Зурек из Лос-Аламосской национальной лаборатории в Нью-Мексико, который на протяжении десятилетий работал над разрешением вопроса о том, как квантовые законы, управляющие поведением атомов и субатомных частиц, переходят в законы классической физики, действующие в масштабах повседневной жизни.

Что скрывается за квантовой странностью

Если есть некоторое знакомство с квантовой механикой, можно подумать, что главная странность заключается в квантовой природе: в идее, что мир в мельчайших масштабах зернист, что частицы могут изменять свою энергию только резкими квантовыми скачками, обмениваясь маленькими порциями энергии фиксированного размера. Но это само по себе не так уж трудно для понимания. Или можно предположить, что самое странное — это знаменитый принцип неопределённости Вернера Гейзенберга, который утверждает, что существуют пары свойств — например, положение и импульс частицы, — которые невозможно точно измерить одновременно. Измерьте точно, где находится частица, и то, куда она движется, станет непознаваемым. Но эта неопределённость — лишь симптом более глубокой проблемы.

В конечном счёте, споры вокруг квантовой механики имеют гораздо более серьёзные последствия: они касаются природы реальности. Основная проблема заключается в том, что теория говорит о том, что можно ожидать наблюдать при измерениях квантовой системы, такой как атом или электрон. Это может звучать не так уж отличается от любой другой научной теории, но это не так. Квантовая механика предоставляет лишь вероятности результатов измерений. Это само по себе не позволяет сделать вывод о том, каким был мир до того, как было произведено измерение. Теория не говорит, каков мир, а лишь то, что увидят при наблюдении.

В формулировке квантовой механики, представленной Эрвином Шрёдингером в 1926 году, состояние квантовой системы описывается математическим объектом, называемым волновой функцией. Волновая функция — это абстрактная конструкция, позволяющая предсказывать вероятности различных возможных исходов измерения этой квантовой системы. До измерения какого-либо из её свойств — например, местоположения электрона — все его возможные положения представлены в волновой функции как «суперпозиция», означающая, что каждое из них потенциально наблюдаемо с некоторой вероятностью. Любое конкретное наблюдение или измерение всегда увидит лишь один из этих исходов, а последовательные идентичные эксперименты могут давать разные результаты. Акт измерения словно заставляет эту туманную квантовость исчезнуть, уступая место чему-то определённому и более соответствующему нашему опыту классической реальности.

Таким образом, волновая функция не может сказать, какова квантовая система до измерения. В противоположность этому, в макроскопической, классической, ньютоновской физике вещи имеют чётко определённые свойства и положения, даже когда никто на них не смотрит. Классический и квантовый миры кажутся разделёнными тем, что Гейзенберг в конце 1920-х годов назвал «разрезом». Для него и Нильса Бора в Копенгагене реальность должна была описываться классической физикой, в то время как квантовая механика была теорией, которая нужна нам, классическим существам, чтобы описывать наблюдаемое в микроскопическом мире. Не более того.

Но почему должно существовать два различных типа физики — классическая и квантовая — для больших и малых вещей? И где и как одна переходит в другую? Для Бора и его коллег масштаб атомов и масштаб людей казались настолько глубоко различными, что этот вопрос не казался важным. В любом случае, говорили они, у нас есть некоторый выбор, где поместить разрез, в зависимости от того, что мы решим включить в наши квантовые уравнения. Но сегодня мы можем исследовать мир на множестве масштабов длины, включая промежуточный мезомасштаб в несколько нанометров, где неясно, должны ли применяться квантовые или классические законы. И на самом деле, если эксперименты достаточно контролируемы и чувствительны, квантовое поведение можно обнаружить в объектах, достаточно больших, чтобы их можно было увидеть с помощью обычного оптического микроскопа. Так что не избежать проблемы объяснения перехода от квантового к классическому — процесса «становления реальным», который, кажется, происходит, когда мы отдаляемся или производим измерение.

Декогеренция: ключ к разгадке

Здесь в игру вступает работа Зурека. Начиная с 1970-х годов, он и физик Х. Дитер Це пристально изучали, что сама квантовая теория говорит об измерениях. (Это могло произойти гораздо раньше, если бы исследователям на протяжении десятилетий не запрещали задавать вопросы об этих фундаментальных, но нерешённых проблемах теории под предлогом, что это всё бессмысленная философия.)

Центральный элемент подхода Зурека — явление, называемое квантовой запутанностью, ещё одним из неинтуитивных феноменов, происходящих в квантовых масштабах. Шрёдингер назвал это явление в 1935 году, утверждая, что это, по сути, ключевая особенность квантовой механики. Он придумал этот термин после того, как Альберт Эйнштейн с коллегами указали, что после контакта двух квантовых частиц через физические силы они оказываются странным образом взаимосвязаны; если измерить одну из них, создаётся впечатление, что свойства другой изменяются мгновенно, даже если они больше не находятся рядом. «Создаётся впечатление» — здесь ключевой термин: на самом деле квантовая механика говорит, что взаимодействие и возникающая запутанность делают частицы больше не отдельными сущностями. Они описываются единой волновой функцией, определяющей возможные состояния обеих частиц.

Когда частицы взаимодействуют, запутанность неизбежна. Это имеет значение для процесса измерения: наблюдаемые квантовые объекты запутываются с атомами измерительного прибора. «Измерение» здесь не обязательно подразумевает зондирование объекта каким-то сложным научным оборудованием; оно применимо к любому квантовому объекту, взаимодействующему со своим окружением. Молекулы в яблоке описываются квантовой механикой, и фотоны света, отражающиеся от поверхностных молекул, запутываются с ними. Эти фотоны несут информацию о молекулах к глазам — например, о красноте кожуры яблока, которая проистекает из квантовых энергетических состояний составляющих его молекул.

Другими словами, осознали Зурек и Це, запутанность вездесуща, и она является информационным каналом между квантовым и классическим. Когда квантовый объект взаимодействует со своим окружением, он запутывается с ним. Используя лишь обычную квантовую математику, Це и Зурек показали, что эта запутанность «разбавляет» квантовость объекта, поскольку она становится общим свойством с запутанным окружением, так что квантовые эффекты быстро становятся ненаблюдаемыми в самом объекте. Они назвали этот процесс декогеренцией. Например, суперпозиция квантового объекта распространяется среди всех его запутанностей с окружением, так что для вывода о суперпозиции пришлось бы исследовать все быстро умножающиеся запутанные сущности. Это не более реально, чем восстановить каплю чернил, растворившуюся в океане.

Декогеренция происходит невероятно быстро. Для пылинки, парящей в воздухе, столкновения с фотонами и окружающими молекулами газа вызовут декогеренцию примерно за 10⁻³¹ секунды — около миллионной части времени, за которое свет проходит через один протон. По сути, декогеренция разрушает тонкие квантовые явления почти мгновенно, как только они сталкиваются с окружением.

Квантовый дарвинизм: выживание сильнейших состояний

Но измерение — это не только декогеренция. Именно запутанность с окружением запечатлевает информацию об объекте в этом окружении — например, в измерительном устройстве. Последние два десятилетия Зурек разрабатывал, как это происходит. Оказывается, некоторые квантовые состояния обладают математическими особенностями, позволяющими им создавать множественные отпечатки в окружении, не будучи размытыми до невидимости декогеренцией. Эти состояния, таким образом, соответствуют свойствам, которые «выживают» в наблюдаемом, декогерированном классическом мире.

Это возможно потому, что взаимодействия, создающие каждый отпечаток, сохраняют квантовую систему в том состоянии, в котором она была до взаимодействия, а не переводят её в другое состояние или смешивают с другими. Фотоны, например, могут отразиться от атома и унести информацию о его положении, не изменяя квантового состояния системы.

Зурек называет эти устойчивые состояния «состояниями-указателями», потому что именно они могут заставить стрелку измерительного прибора указывать на конкретный исход. Состояния-указатели соответствуют свойствам, которые наблюдаемы классически, таким как положение или заряд. Квантовые суперпозиции, тем временем, не обладают этим свойством; они не могут создавать копии устойчиво, и поэтому мы не можем наблюдать их напрямую. Другими словами, они не являются состояниями-указателями.

Зурек показывает, что состояния-указатели могут эффективно и устойчиво запечатлеваться снова и снова в окружении. Такие состояния являются «наиболее приспособленными», объясняет он. «Они могут пережить процесс копирования, и поэтому информация о них может размножаться». По аналогии с дарвиновской эволюцией, они «отбираются» для перевода в классический мир, потому что они хороши в усилении — можно сказать, репликации — таким образом. Это и есть «квантовый дарвинизм», вынесенный в название книги Зурека.

Эти отпечатки размножаются чрезвычайно быстро. В 2010 году Зурек и его соавтор Джесс Ридель подсчитали, что в течение микросекунды фотоны от солнца запечатлеют местоположение пылинки около 10 миллионов раз.

Теория квантового дарвинизма Зурека — которая, опять же, использует не более чем стандартные уравнения квантовой механики, применённые к взаимодействию квантовой системы и её окружения — делает предсказания, которые сейчас проверяются экспериментально. Например, она предсказывает, что бóльшая часть информации о квантовой системе может быть получена всего из нескольких отпечатков в окружении; информационное содержание быстро «насыщается». Предварительные эксперименты подтверждают это, но предстоит сделать ещё многое.

Единство реальности: почему все видят одно и то же

Каждый отпечаток, как мы видели, соответствует классическому наблюдению: чему-то, что можно считать элементом реальности. Например, электрон ориентирован магнитным полем вверх в этом отпечатке. Но не может ли быть так, поскольку исходное квантовое состояние содержит вероятности различных исходов, что один отпечаток может соответствовать «вверх», а другой — «вниз», так что разные наблюдатели видят разные реальности — не совсем суперпозицию, но явное следствие из неё в форме множественных версий классической реальности?

Это подводит к ещё одному открытию теории декогеренции, тому, которое убеждает в полноте теории Зурека. Она предсказывает, что все отпечатки должны быть идентичны. Таким образом, квантовый дарвинизм утверждает, что уникальный классический мир может и должен возникать из квантовых вероятностей. Это навязывание консенсуса устраняет необходимость в довольно таинственном и специальном процессе коллапса в пользу чего-то более строгого. Наблюдаемый объект, окружённый облаком идентичных, наблюдаемых отпечатков себя в своей макроскопической среде, формирует элемент «относительно объективного существования», как выражается Зурек. Он становится частью конкретной классической реальности.

Именно здесь теория обещает разрешить споры об интерпретации. Зурек утверждает, что достигает того, что могло показаться невозможным: примирения копенгагенской интерпретации и интерпретации многих миров. В первой волновая функция считается эпистемической: она описывает то, что можно знать о квантовом мире. Во второй волновая функция онтична: это обьективная реальность — описание всех ветвей реальности сразу — хотя можно испытать лишь одну ветвь этой квантовой мультивселенной. Зурек утверждает, что волновая функция на самом деле является и тем, и другим. «Два конфликтующих взгляда на квантовые состояния, эпистемический и онтический, и настаивание на том, что состояния должны быть либо одним, либо другим, ошибочны», — говорит он. Вместо этого состояния являются «эпионтическими». То есть до того, как происходит декогеренция, все квантовые возможности в некотором смысле присутствуют. Но декогеренция и квантовый дарвинизм выбирают лишь одну из них как элемент наблюдаемой реальности, без необходимости приписывать всем остальным классическую реальность в каком-то другом мире. Другие состояния существуют в абстрактном пространстве возможностей, но остаются там, никогда не получая шанса вырасти через запутанность в наблюдаемые реальности.

Нерешённые вопросы

Было бы преждевременно утверждать, что картина Зурека окончательно проясняет квантовую механику. Почему, например, в данном измерении выбирается именно этот исход, а не другой? Должны ли мы, как настаивали Бор и Гейзенберг, просто принять, что это происходит случайно, без всякой причины? И в какой момент квантовый мир безвозвратно привязывается к конкретному результату измерения, так что больше нельзя «собрать» суперпозицию из запутанной паутины взаимодействий между объектом и окружением? И самое главное: как можно более строго проверить теорию?

Некоторые эксперты выражают сдержанный энтузиазм по поводу картины Зурека. Салли Шрапнел из Университета Квинсленда в Австралии, например, отмечает, что программа Зурека «представляет элегантный подход к объяснению возникновения классичности из базовых постулатов квантовой теории», но она всё ещё не затрагивает «трудный вопрос о том, чем на самом деле является лежащая в основе квантовая субстанция». Как, например, следует думать о области, в которой все возможности всё ещё существуют до декогеренции? Насколько она «реальна»?

Ренато Реннер из Швейцарской высшей технической школы Цюриха не убеждён, что разрешение конфликта между копенгагенской интерпретацией и интерпретацией многих миров решает все проблемы. Он указывает, что можно сконструировать странные, но экспериментально осуществимые сценарии, в которых разные наблюдатели не могут прийти к согласию об исходе. Даже если такие исключения кажутся надуманными, он считает, что они показывают, что ещё предстоит найти квантовую интерпретацию, которая действительно работает.