Начало:
Понятна ли классическая механика? Математика и материя
Понятна ли классическая механика? Уровни организации
‘Чтобы все встало на свои места [в квантовой механике], достаточно признать, что во Вселенной мы существуем не в одном экземпляре. Шонов Кэрроллов бесконечно много. Как и каждого из нас.’
Высказывание выше взято из аннотации книги Шона Кэрролла и оно хорошо передает суть книги. Следует отметить, что книга неплохо написана; она в популярной форме передает специфику квантовой механики и раскрывает вопрос, почему же возникают трудности с пониманием устройства мира в рамках квантовой механики.
Когнитивный диссонанс, который пытается преодолеть Шон Кэрролл, кратко можно выразить таким образом. С одной стороны, уравнение Шрёдингера детерминировано, а с другой, в квантовой механике появляются вероятности. Что в этом случае следует отнести к реальности — детерминированную волновую функцию или вероятностные результаты измерений? Происходит ли коллапс волновой функции или же классический мир также описывается уравнением Шрёдингера?
Мое рассмотрение не будет затрагивать эти вопросы напрямую, оно посвящено тому, насколько далеко может зайти ученый в желании понять квантовую механику. Также я сделаю попытку охарактеризовать то «понимание», которое предлагает достичь Кэрролл в своей книге.
Кэрролл не обсуждает связь математики и мира, поэтому этот вопрос не будет рассматриваться. В то же время вопрос уровней организации будет ключевым. Есть мир на фундаментальном уровне, который обсуждается в книге Кэрролла, и есть человеческие свойства, например, то же самое понимание, которое Кэрролл хочет достигнуть.
Исходной точкой рассмотрения является представление о фундаментальном уровне организации, когда переход состояния мира из предыдущего состояние в последующее происходит согласно законам физики. Именно такая позиция является идеалом для Кэрролла. Для сравнения выражу проблему, обсуждаемую в предыдущей заметке о классической механике, следующим образом.
Представим себе мир классической механики и находящегося в нем Шона Кэрролла. Он говорит примерно так: ‘Я понимаю классическую механику. Мир описывается уравнениями физики’, — при этом он записывает эти уравнения на доске. — ‘Важно отметить, что когда я говорю и записываю эти фундаментальные уравнения во мне нет ничего иного кроме обычной материи, подчиняющейся законам физики.’
Как отмечалось в предыдущей заметке, все человеческое в такой постановке вопроса является эпифеноменом. Человеческое является функцией движения материи на фундаментальном уровне и в то же время человеческое не может повлиять на это движение. Тем не менее, описанная выше ситуация на человеческом уровне по крайней мере совместима с происходящим движением на фундаментальном уровне согласно законам классической механики.
Для Кэрролла классическая механика является научным идеалом и он хочет, как минимум, достичь нечто подобного в квантовой механике. Препятствием на этом пути служит коллапс волновой функции, поскольку он не описывается уравнением Шрёдингера. Таким образом, схема перехода системы на фундаментальном уровне из предыдущего состояния в последующее по законам физики подвисает. Целью книги Кэрролла является восстановление такой схемы в рамках квантовой механики.
Перед многомировой интерпретацией Кэрролл кратко рассматривает супердетерминизм (его продвигает в том числе Сабина Хоссенфельдер). Для сравнения имеет смысл на этом остановиться. Супердетерминизм является продолжением поиска так называемых скрытых параметров в квантовой механике. Идея заключается в том, что на самом деле есть внутренние параметры, которые не включены в уравнение Шрёдингера в явном виде, но которые ведут к коллапсу волновой функции.
Теорема Белла и последующие эксперименты, подтверждающие запутанность квантовых частиц, вроде бы исключили возможность существования теорий скрытых параметров. Однако супердетерминизм является лазейкой, которая позволяет обойти эти эксперименты. Рассмотрим высказывание Кэрролла о супердетерминизме. Оно важно как для сравнения с миром классической механики, так и для последующего сравнения с миром в рамках многомировой интерпретации.
‘В частности, теорема Белла включает два допущения, в которых можно усомниться. Первое заключается в простой идее, что Боб «решает» измерить спин своего кубита вдоль определенной оси. По-видимому, в нашу теорему о квантовой механике просочился фактор человеческого выбора или свободной воли. Конечно, едва ли этот случай уникален: ученые всегда полагали, что вправе измерять все, что им заблагорассудится. Но в каком-то смысле это просто фигура речи, ведь сами ученые тоже состоят из частиц и сил и подчиняются законам физики. Таким образом, мы можем вообразить, что прибегаем к супердетерминизму – идее о том, что истинные законы физики в высшей степени детерминированы (ни для каких случайностей нет места) и, более того, что исходные условия Вселенной были заложены при Большом взрыве именно таким образом, что определенные «варианты» никогда не могут быть выбраны. Тогда вполне вероятно, что кто-то изобрел бы совершенно локальную супердетерминистическую теорию, которая имитировала бы предсказания квантовой запутанности просто потому, что Вселенная была заранее предопределена быть такой, какая она есть.’
В рамках супердетерминизма ситуация с Шоном Кэрроллом в мире классической механике на первый взгляд практически остается без изменения. Мир на фундаментальном уровне меняется в рамках супердетерминизма, а на высших уровнях организации Кэрролл произносит свою фразу и пишет уравнение, связанное с супердетерминизмом в квантовой механике.
Реальный Шон Кэрролл, тем не менее, отбрасывает супердетерминизм и переходит ко второй возможности, многомировой интерпретации. Попробуем разобраться, что его не устроило в супердетерминизме. Вопрос, связанный со свободой воли, следует отбросить. Это видно как из приведенного выше высказывания, так и из рассмотрения свободы воли в других разделах книги. Позиция Кэрролла достаточна прозрачна — свобода воли никак не связана с квантовой механикой в частности и с физикой в целом. Следует также отметить, что Кэрролл в книге также решительно отвергает связь квантовой механики с сознанием.
В чем понимание в супердетерминизме для Кэрролла расходится с таковым в классической механике? Причину следует искать в заключительном рассмотрении супердетерминизма (продолжение цитаты выше):
‘Сама мысль об этом малоприятна для большинства физиков. Ведь если бы вам удалось настолько тонко настроить свою теорию, то, в принципе, она могла бы дать вам любой желаемый результат, а в таком случае какой вообще смысл заниматься физикой? Но некоторые умные люди являются сторонниками этой идеи.’
Что Кэрролл имеет в виду? Мир классической механики вроде бы также детерминирован. Почему с точки зрения Кэрролла есть смысл заниматься физикой в мире классической механики и нет смысла в мире супердетеминизма? В книге нет другого ответа кроме утверждения выше, поэтому могу только предложить свои измышления.
Расширим предложенную ситуацию выше на проведение Кэрроллом эксперимента в физике. Представим себе, что Кэрролл в мире классической механики проводит измерение, связанное, например, со вторым законом Ньютона. После этого Кэрролл заявляет: ‘Я провел эксперимент, который хорошо подтверждает правильность второго закона Ньютона. Можно теперь уверенно сказать, что мир описывается уравнениями физики’, — при этом он записывает эти уравнения на доске. -‘Важно отметить, что когда я говорю и записываю эти фундаментальные уравнения во мне нет ничего иного кроме обычной материи, подчиняющейся законам физики.’
Поскольку мир детерминирован, то все сказанное выше следует понимать опять же только в духе эпифеномена. Тем не менее, этот эпифеномен позволяет на человеческом уровне по крайней мере говорить об экспериментальном подтверждении законов физики. На уровне эпифеномена можно вполне представить себе ситуацию, когда эксперимент отверг бы законы Ньютона.
В супердетерминизме ситуация по всей видимости меняется. Рассмотрим проведение эксперимента с запутанными квантовыми частицами. Супердетерминизм утверждает, что проведение такого эксперимента всегда предрешено. Таким образом, становится невозможно даже вообразить себе результат, который отвергает супердетерминизм. Такова моя интерпретация высказывания Кэрролла. Было бы интересно услышать, что говорят по этому поводу сторонники супердетерминизма.
Продолжение следует — Шоны Кэрроллы о многомировой интерпретации.
Информация
Шон Кэрролл, Квантовые миры и возникновение пространства-времени, 2022.
Книга вышла на английском в 2019 году:
Sean M. Carroll, Something Deeply Hidden: Quantum Worlds and the Emergence of Spacetime.
См. также: Квантовый супердетерминизм