Почему квантовая вселенная - штука гораздо более странная, чем вы думаете

Квантовый мир полон странных удивительные и интересных вещей, но есть причина, по которой с нашей точки зрения все выглядит совершенно нормально, считает физик Себастьян Деффнер. Об этом он рассказывает в своей научно-популярной статье.

Впечатление художника о трех сливающихся воедино черных дырах. Image provided by New Scientist Online magazine / Declan Hillman/Shutterstock

Разве мы не живем в интересное для квантовой физики время? За последние несколько лет глобальные инвестиции в квантовые технологии выросли с нескольких сотен миллионов долларов США десять лет назад до почти 2,5 миллиардов долларов в 2022 году. В то же время Голливуд подпитывает наше воображение, выпуская все больше и больше "квантовых фильмов", как, например, последняя часть "Человека-муравья" из кинематографической вселенной Marvel - "Квантомания".

"Квантовая мания", вероятно, является самым удачным описанием всей этой "кутерьмы", в которой мы пребываем, и в которой не совсем понятно, что реально, а что вымысел. Отчасти это просто старая добрая история, а отчасти - запутанность квантовой физики. Однако не стоит по этому поводу быть слишком строгими к себе. Понять, как на самом деле выглядит квантовый мир, для нас практически невозможно. Так уж устроена Вселенная.

В повседневной жизни мы воспринимаем наш мир через то, что можем увидеть, потрогать, услышать, попробовать на вкус и понюхать. Это дает нам удивительное чувство понимания и интуиции в отношении вещей, с которыми мы сталкиваемся. Например, нам не нужно думать о том, как поднять чашку с водой - мы просто делаем это.

Однако если мы попытаемся представить себе, как та же самая чашка с водой падает в черную дыру в центре Млечного Пути, то у нас ничего не получится. Почему так? Да потому, что мы никогда не видели этого своими глазами. Вещи и процессы, которые мы можем воспринимать, управляют нашей интуицией и помогают нам сформировать ожидания относительно того, как должен вести себя окружающий мир. Это то, что физики называют "классическим режимом".

На расстоянии 13,2 млрд световых лет обнаружена самая древняя черная дыра, ровесница Вселенной

Как и в случае с черными дырами в космосе, нам довольно сложно понять, как ведут себя очень маленькие системы при очень низких температурах. В таких ситуациях мы как правило ожидаем, что все будет происходить точно так же, как и в нашей повседневной жизни. Однако уже более века назад ученые знали, что в квантовой физике все становится действительно странным.

Самой известной - или, скорее, печально известной - попыткой объяснить, чем квантовый мир отличается от нашей классической реальности, является "кот Шредингера". В этом мысленном эксперименте кошку помещают в герметичный ящик вместе с ядовитым газом, который должен высвободиться при попадании в него частицы, образующейся при радиоактивном распаде некоего элемента. Поскольку мы не можем точно предсказать, когда произойдет этот распад, никто за пределами этой коробки не может знать, умерла ли кошка или еще жива. Другими словами, пока коробка не открыта, можно сказать, что кот находится в "суперпозиции" он и жив, и мертв одновременно.

Хотя этот эксперимент был интересен с точки зрения разработки нюансов квантовой теории, он также имел несчастье быть совершенно неверно истолкованным во многих произведениях научной фантастики. Было бы абсурдно, если бы живое, дышащее существо находилось в каком-то макабрическом состоянии смерти и жизни одновременно.

На самом же деле Шредингер хотел сказать, что наблюдатель за пределами коробки не знает, что может случиться или не случиться с кошкой. Именно такую "наблюдательную неосведомленность" физик Вернер Гейзенберг назвал "принципом неопределенности". Классическое состояние физического объекта является неопределенным до тех пор, пока оно не будет оценено классическим наблюдателем. А вот в квантовом состоянии объект вполне может существовать в нескольких классических состояниях одновременно.

Но это тоже вызывает вопросы. Что такое классический наблюдатель? И почему мы, люди, являемся классическими наблюдателями? И почему мы никогда не видим квантовых явлений в нашей повседневной жизни? Чтобы в этом разобраться, нам нужно понять, что на самом деле подразумевается под "наблюдением".

Природа - квантовый инженер. Image provided by New Scientist Online magazine / Solla Solandras /Shutterstock

Считается, что большинство из нас получает около 90 процентов информации об окружающем мире через глаза. На микроскопическом уровне это означает, что мы узнаем о своем внешнем пространстве, перехватывая фотоны - энергетические пакеты, несущие импульс, - которые грубо говоря, отскакивают от физических объектов. Поскольку мы никогда не видим никаких квантовых эффектов, возникает вопрос, почему фотоны не несут никакой информации о квантовых свойствах этих объектов.

Все дело в их взаимодействии со светом. Физические объекты ежесекундно подвергаются обстрелу огромного количества фотонов. Фотоны прилетают под разными углами, и этот поток в конце концов заставляет физические объекты переходить в равновесное состояние, в котором они не перемещаются. Единственная информация, которую свет несет от данного объекта, относится к свойствам его "стационарного состояния".

Значит ли это, что квантовые состояния не реальны, раз мы можем их видеть? Реальны - но их "квантовость" очень быстро разрушается.

Что делает квантовые состояния действительно "квантовыми", так это то, что они могут являться суперпозициями классических состояний. Проблема в том, что суперпозиции непостоянны; они плохо переносят удары фотонов. Физики-теоретики установили, что только простые классические состояния могут пережить этот процесс, который называется "декогеренцией". Таким образом, классические состояния — это те позиции, которые сохраняются после того, как все остальные квантовые состояния разрушаются (а какие именно классические состояния выживают, зависит от распределения различных фотонов в окружающей среде).

Моделирование показало, что пролетающая мимо звезда может выбросить Землю из Солнечной системы

Задумывались ли вы когда-нибудь, почему и вы, и ваш приятель видите одни и те же вещи? Это происходит потому, что наши глаза перехватывают лишь крошечную часть рассеянных фотонов, и каждая часть несет в себе совершенно одинаковую информацию: неподвижные свойства объекта, которые пережили столкновение с частицами света. Как только система достигает равновесия с окружающей средой, перехват любого фрагмента фотонов дает вам точно такую же информацию. Таким образом, наблюдение становится классически объективным - в итоге вы и ваш друг видите одну и ту же картину.

В этом и заключается суть "квантового дарвинизма", который объясняет, почему для нас Вселенная кажется классической и почему мы никогда не видим никаких квантовых процессов. Для большинства из нас термин "дарвинизм" может показаться немного неуместным в физике. Ведь мы говорим не об эволюционной адаптации живых существ к окружающей среде. Однако основной постулат дарвинизма - "выживание сильнейших", и в определенной степени именно так образуются стационарные состояния. Все неклассические состояния "не приспособлены" для выживания при декогеренции - только классические состояния адаптированы к этому.

Понимание того, что заставляет квантовые системы терять свои квантовые свойства, открывает перед учеными четкий и прямой путь к полному доступу к таким состояниям. Нам осталось только придумать, как полностью изолировать квантовые системы от окружающей среды, чтобы они не разрушались и не подвергались декогеренции.

Несмотря на то что эти аргументы звучат довольно убедительно, квантовый дарвинизм по-прежнему остается одной из наиболее активно развивающихся областей науки. Его основные принципы были разработаны около 20 лет назад Войцехом Зуреком, физиком-теоретиком, сотрудником Лос-Аламосской национальной лаборатории. Сегодня научное сообщество активно исследует дальнейшие тонкости и доказывает некоторые из упомянутых выше интуитивных аргументов чисто математическими способами…

На фоне новых доказательств ученые начинают рассматривать космическое пространство не как нечто разрозненное, а как квантовое целое, объединенное запутанностью. New Scientist

Но все же, что все это значит на самом деле? Смотреть на то, как Человек-муравей и Оса сражаются с Кангом в Квантовом царстве, безусловно, увлекательно. Однако мы также должны понимать, что Квантовое царство — это всего лишь наивная история, придуманная сценаристами фильма.

Настоящая квантовая вселенная еще более необычна, но мы никогда не сможем увидеть ее своими глазами. Тот факт, что для того, чтобы просто "видеть", необходимо перехватить фотоны, которые делают квантовую систему уже не такой квантовой, навсегда лишит нас возможности по-настоящему ощутить что-либо, кроме нашего собственного классического мира.