Pavel Gulchouck (gul_kiev) wrote,
Pavel Gulchouck
gul_kiev

Квантовая редукция состояния и свобода воли

Предупреждение: пишу то, над чем размышляю - кому-то это может показаться дилетантством, кому-то, наоборот, слишком сложными построениями.

В стандартной модели квантовой механики, вопреки распространённому мнению, нет случайных процессов, там всё детерминировано. Есть величины, называемые вероятностями, но это не всамделишние вероятности, хотя бы потому что они комплексные. Это некая величина, связанная с частицей, и при взаимодействии частиц эти "вероятности" трансформируются вполне определённым образом без всяких случайностей "может так, а может иначе". Частица (или, точнее, квантовая система) может находиться в суперпозиции состояний, т.е. как бы в нескольких состояниях одновременно, и для каждого из состояний есть своя комплексная "вероятность". Эти состояния эволюционируют, изменяются во времени.

Многие представляют себе квантовую механику и квантовые неопределённости как будто это классические величины, но которые мы по каким-то законам не можем узнать. Что электрон находится либо здесь, либо там, но мы не знаем, где именно, поэтому говорим о вероятности его нахождения в той или иной точке. Так вот - это не так, и тому есть множество экспериментальных подтверждений. Электрон на самом деле одновременно находится и там, и там, и эти вероятности - это не совсем настоящие вероятности. Экспериментально это можно подтвердить, например, двухщелевым эффектом, или множеством других способов.

Именно в этом заключается парадоксальность мысленного эксперимента с кошкой Шрёдингера. Не было бы ничего странного в том, что пока мы не открыли ящик, мы не знаем состояние кошки, и она с вероятностью 50% мертва, и с вероятностью 50% жива. Странно то, что эта кошка в соответствии с квантовой механикой должна быть на самом деле одновременно жива и мертва.

Есть ещё один любопытный момент. В квантовой механике частицы могут быть связаны, применяется термин "квантовая запутанность". То есть, частицы, которые как-то провзаимодействовали (например, родились в результате распада какой-то другой частицы), остаются между собой связаны неким нелокальным взаимодействием. Нелокальным - значит, для этого взаимодействия нет препятствий в виде расстояний, оно может одинаково проявляться как в пределах атома, так и через миллионы световых лет, причём действует оно мгновенно (а не передаётся со скоростью света). Передавать информацию при помощи такого взаимодействия нельзя (теория относительности устояла), но всякие любопытные эффекты получить можно. И вот, в квантовой механике описан процесс появления такой запутанности, но нет хорошего объяснения распутывания. И получается, что все частицы во Вселенной должны быть связаны друг с другом, и то, что происходит у нас, может зависеть от происходящего на другом конце Вселенной. Это захватывающая перспектива, но она не соответствует реальному опыту: на поведение физического тела влияет только его ближайшее окружение (что бы ни говорили астрологи). То есть, частицы со временем каким-то образом "распутываются".

Переход из суперпозиции (когда система как бы одновременно находится в разных состояниях, для каждого из которых есть своя "вероятность") к определённости (когда каждая частица на своём месте и ни с кем не запутана) называется редукцией состояния. В этот момент комплексные "вероятности" превращаются в обычные вероятности (шансы зарегистрировать частицу в том или ином месте/состоянии) пропорционально квадратам комплексных "вероятностей". Мы можем экспериментально доказать, что система находилась в суперпозиции разных состояний, но мы не можем непосредственно увидеть эту суперпозицию: как только мы хотим что-то увидеть, происходит редукция, и кошка становится либо мёртвой, либо живой. Что это за момент, чем он определяется, когда квантовая система с комплексными "вероятностями" становится привычной классической системой, которую мы можем наблюдать? На этот вопрос современная физика ответа не даёт. Точнее, она даёт много разных ответов, которые, скорее, можно назвать догадками или предположениями. Опишу некоторые из них.

1. Редукция не является объективным процессом, на самом деле все частицы запутаны со всеми, но при переходе на макроуровень можно использовать статистические законы, в которых запутанность давно не взаимодействовавших частиц можно не учитывать. Редукция является математическим трюком, позволяющим с достаточной точностью описывать поведение частиц, не включая в формулы все остальные частицы во Вселенной. Это напоминает законы термодинамики: случайное скопление всех молекул воздуха в одном углу комнаты может не противоречить никаким законам взаимодействия между молекулами, но при описании поведения газа мы такое стечение обстоятельств не учитываем. А описывать состояние газа через состояние каждой из молекул (плюс ещё и всех частиц, которые могут с ними провзаимодействовать - например, свет из окна или нейтрино из космоса) бессмысленно. Это, наверное, наиболее популярный среди физиков вариант, и именно его высмеивал Шрёдингер в мысленном эксперименте с кошкой, которую мы должны были бы увидеть в суперпозиции состояний "живая" и "мёртвая".

2. Вариант Дэвида Дойча. Когда частица находится в суперпозиции состояний и положениях с разными "вероятностями" - по сути это разные параллельные реальности (теория мультивселенной или "интерпретация Эверетта"). Эти реальности могут взаимодействовать между собой (и мы можем наблюдать это взаимодействие в экспериментах), только если все частицы находятся на одинаковых местах и летят в одинаковую сторону. Хотя у этих частиц может быть разная история, разная траектория, соответственно, разная фаза - именно в этих случаях мы и наблюдаем интерференцию этих реальностей. Как только мы измеряем путь частицы, эти реальности начинают отличаться состоянием частиц нашего измерительного прибора, и интерференция пропадает (происходит редукция). Это похоже на багу в суперкомпьютере, эмулирующем нашу реальность: просчитывая разные варианты, он проверяет соответствие координат частиц, но не проверяет их историю, и считает одинаковыми фактически разные реальности. А физики этим пользуются, стремясь построить квантовый компьютер, по сути распараллеливающий вычисления в разных параллельных реальностях, а потом собирающий полученные результаты вместе нужным образом сделанной редукцией. Дэвид Дойч, кстати, наряду с Ричардом Фейнманом, является автором идеи квантовых компьютеров.

3. Каждая элементарная частица с какой-то вероятностью (например, в среднем раз в сто миллионов лет) случайным образом распутывается (на неё "нападает редукция"). Эта редукция действует на все частицы, с которыми она связана - одна частица не может распутаться сама по себе, редукция происходит со всеми связанными с ней частицами. В таком случае для мельчайшей капельки воды размером один микрон суперпозиция может продлиться в среднем одну миллионную секунды. Тогда, опять же, как только мы ставим детектор и хотим выяснить, где именно находится частица, в процесс вовлекается множество частиц, составляющих детектор и наблюдателей, и мгновенно из-за какой-то из них происходит редукция, и система становится классической. Вроде бы, всё хорошо, но это объяснение выглядит искусственно. В частности, "время жизни запутанности" взято ниоткуда, просто чтобы примерно соответствовать наблюдаемым эффектам.

4. Вариант Роджера Пенроуза. Пространство в определённом смысле дискретно, наименьшей единицей является планковская длина, что-то около 10-33м. Квантовые законы говорят, что бессмысленно рассуждать о том, что происходит на меньших масштабах, это как бы размер "пикселя" пространства. Общая теория относительности (ОТО) тоже является распространённой теорией, хорошо соответствующей экспериментам, но эти эксперименты касаются других областей и масштабов (и успешно применяется, например, в GPS). И ОТО говорит, что масса искривляет пространство. Так вот, Пенроуз предположил, что редукция происходит в случае, когда разные варианты развития событий отличаются настолько, что пространство искривляется по-разному, и разница между этими искривлениями превосходит планковскую длину. Планковская длина - это очень мало, но и гравитационные силы очень слабы, и в результате получаются вполне разумные цифры для редукции. Тут важно, что даже большая квантовая система может оставаться когерентной (запутанной), если разные возможные варианты не связаны с заметными перемещениями массы (а, например, атомы остаются связаны кристаллической решёткой). Это предположение остроумно связывает теорию относительности с квантовой механикой (теории, которые до сих пор плохо уживаются друг с другом), имеет вполне проверяемые следствия (т.е. соответствует критерию Поппера, а значит, является действительно научной теорией), а заодно пытается нейтрализовать небольшое нарушение закона сохранения энергии в теории относительности (связанное с энергией распространения гравитационных волн) с небольшим нарушением закона сохранения энергии при квантовой редукции состояния.

Это был краткий обзор некоторых вопросов квантовой механики. :)

Если отвлечься от научного метода познания и немного пофантазировать, то можно заметить, что во всех случаях близкие реальности как бы существуют параллельно, и в будущем можно оказаться в любой из них, а при нарастании отличий (например, при получении информации) вместо суперпозиции множества реальностей остаётся только одна (ну или как минимум пространство реальностей сужается). Если представить себе, что весь наш мир - это одна большая виртуальная реальность, обсчитываемая каким-то суперкомпьютером, то получается, что он параллельно рендерит несколько возможных вариантов, но при их отдалении по каким-то условиям прекращает обсчитывать некоторые варианты как ставшие невозможными. Мы называем это редукцией и пытаемся понять, что это за условия. Но продолжая фантазировать, можно поставить вопрос, а зачем, собственно, нужны эти параллельные множественные варианты, почему одной реальности недостаточно? Физики, конечно, не ставят такой вопрос, вопрос "зачем?" неприменим к физическим законам, он предполагает осознанность действий и приводит к наличию бога. И всё-таки, ответ "просто потому что так сложилось" тоже не выглядит убедительным. А потому попробуем придумать, какой смысл может быть в "обсчёте" множества близких вариантов?

Я вижу ответ в том, что одна реальность, жёстко определяемая физическими законами, означает отсутствие свободы воли, а значит, и сознания. Для того, чтобы существовало сознание, и чтобы оно могло хоть как-то влиять на физический мир, должны быть разные варианты развития событий при одинаковых исходных данных. А выбор из этих вариантов - это и есть роль сознания.
Пока мы чего-то не знаем - мы существуем в суперпозиции вариантов, когда узнаём - пространство вариантов сужается. Тут интересно то, что возможные варианты не существуют независимо друг от друга, а (пока они одновременно реальны) они могут взаимодействовать друг с другом и давать интересные эффекты интерференции, невозможные ни в одном из этих вариантов по отдельности (после редукции). И этим можно научиться пользоваться.

На это есть очевидное возражение: это значило бы, что экспериментатор может силой мысли влиять на результат эксперимента (особенно при изучении квантовых эффектов), но мы ничего подобного не наблюдали. С этим всё просто: экспериментатор влияет на выбор своей, а не вашей реальности. Другие физики видят "случайного" экспериментатора в одной из реальностей и, соответственно, результат эксперимента - того, которого выбирают они. Для постороннего наблюдателя никакого психокинетического влияния нет - разве что, своё собственное, которое он, если и наблюдает, то не может объективно доказать другим (а если и сможет, то это будет не в вашей реальности). Однако, и тут не всё безнадёжно. Если "случайный" экспериментатор (т.е. экспериментатор из случайной реальности) будет всё-таки склонять результат в какую-то одну сторону, это может быть заметно и посторонним наблюдателям. Как мы это наблюдаем, например, в эффекте плацебо. Нет объективных причин для улучшения здоровья, но вера в лекарство способна сместить реальность пациента настолько, что это может зафиксировать и объективная статистика.

Научная ли это теория, можно ли поставить критический эксперимент? Пока мне кажется, что каждый может проверить эту теорию лично (происходили ли с вами невероятные вещи? Не замечали ли вы отклонений в случайных азартных играх, зависящих от ваших ожиданий/желаний/намерений? В конце концов, более научно - можно поиграться с псилероном), но нельзя поставить объективный эксперимент, который могли бы признать все люди. Впрочем, допускаю, что такой эксперимент возможен. И даже просто наличие свободы воли косвенно говорит о влиянии сознания на выбор реальности.
Tags: физика
Subscribe
  • Post a new comment

    Error

    default userpic

    Your reply will be screened

    Your IP address will be recorded 

    When you submit the form an invisible reCAPTCHA check will be performed.
    You must follow the Privacy Policy and Google Terms of use.
  • 43 comments