Если квантовая суперпозиция реальна, существуем ли мы одновременно во всех возможных состояниях?

В глубинах квантового мира частицы ведут себя так, словно существуют одновременно во многих местах и состояниях, бросая вызов нашему повседневному восприятию реальности. Этот удивительный феномен, известный как квантовая суперпозиция, заставляет нас задуматься над одним из самых головокружительных вопросов современной науки: если элементарные частицы, из которых мы состоим, могут находиться в суперпозиции, то возможно ли, что и мы сами существуем одновременно во всех мыслимых вариантах нашей жизни?

Что такое квантовая суперпозиция на самом деле?

Если вы когда-нибудь пытались объяснить подростку, почему нельзя сидеть одновременно на двух стульях, то в квантовом мире вам пришлось бы взять свои слова обратно. В этом микроскопическом царстве частицы запросто нарушают правила привычной нам классической физики.

Квантовая суперпозиция — это состояние, в котором квантовая система, например, электрон, одновременно существует в нескольких состояниях, пока не производится измерение. Это примерно как если бы вы могли быть одновременно и дома на диване с книжкой, и на пробежке в парке, и на встрече с друзьями, пока кто-то не позвонит вам и не спросит: "Ты где?" — и только в этот момент вы "решаете", где находитесь.

Хрестоматийным примером суперпозиции служит прохождение электрона через двухщелевой эксперимент. Когда физики пропускают электроны через экран с двумя щелями, на принимающем экране формируется интерференционная картина — чередующиеся полосы, где частицы попадают чаще или реже. Это возможно только в том случае, если каждый электрон каким-то образом проходит через обе щели одновременно, интерферируя сам с собой, как волна. Стоит установить детектор, чтобы узнать, через какую именно щель проходит электрон, картина разрушается, и электрон "выбирает" одну щель.

Кот Шрёдингера: квантовая неопределенность в масштабе кота

Чтобы нагляднее объяснить парадоксальную природу квантовой механики в масштабах нашего мира, австрийский физик Эрвин Шрёдингер предложил свой знаменитый мысленный эксперимент. В запечатанном ящике находится кот вместе с устройством, содержащим радиоактивный атом. Если атом распадается, срабатывает механизм, выпускающий ядовитый газ, убивающий кота. Согласно квантовой механике, до момента наблюдения атом находится в суперпозиции распавшегося и нераспавшегося состояний. А значит, и кот, судьба которого связана с атомом, пребывает в суперпозиции живого и мертвого состояний.

Звучит дико, не правда ли? И тем не менее, это прямое следствие квантовых принципов. Конечно, в реальности мы никогда не наблюдаем котов, находящихся в состоянии "ни жив, ни мертв". Этот парадокс указывает на фундаментальную проблему: как квантовые законы, действующие на уровне элементарных частиц, согласуются с классическими законами, описывающими наш макромир?

Шрёдингер создал этот мысленный эксперимент не для того, чтобы убедить нас в возможности квантовых котов, а чтобы показать абсурдность прямого переноса квантовых принципов на макрообъекты. Тем не менее, вопрос остается открытым: где именно проходит граница между квантовым и классическим мирами?

Интерпретации квантовой механики: версии реальности

Несмотря на то, что математический аппарат квантовой механики хорошо разработан и успешно применяется в физике уже почти столетие, вопрос о том, что на самом деле означают эти уравнения, до сих пор вызывает жаркие споры. Существует несколько конкурирующих интерпретаций, и каждая по-своему отвечает на вопрос о суперпозиции.

Согласно Копенгагенской интерпретации, долгое время считавшейся стандартной, суперпозиция существует только до момента измерения, после которого волновая функция "схлопывается", и система принимает одно конкретное состояние. Здесь суперпозиция — не реальное сосуществование разных состояний, а математическое описание нашего незнания о том, в каком именно состоянии находится система. По этой логике, мы не существуем одновременно во множестве состояний — просто квантовая механика не может точнее предсказать, в каком именно состоянии мы окажемся.

А вот многомировая интерпретация, предложенная Хью Эвереттом, предлагает гораздо более захватывающую картину. Согласно ей, при каждом квантовом событии вселенная "расщепляется" на множество параллельных реальностей, где реализуются все возможные исходы. То есть, кот Шрёдингера действительно и жив, и мертв — просто в разных параллельных мирах. И если эта интерпретация верна, то где-то существуют миллиарды версий вас, которые приняли все возможные решения в жизни.

Существуют и другие интерпретации: от теории квантовой декогеренции, объясняющей переход от квантового к классическому через взаимодействие с окружением, до совсем экзотических вроде трансакционной интерпретации, включающей обмен информацией между будущим и прошлым. Но ни одна из них пока не стала общепринятой — и возможно, эта неопределенность тоже своего рода суперпозиция научных теорий.

Суперпозиция и человеческое существование: возможно ли это?

Итак, если элементарные частицы могут находиться в суперпозиции, то возможно ли это для объектов макромира, состоящих из триллионов этих частиц? И, в конечном счете, для нас самих?

Загвоздка в том, что чем больше и сложнее система, тем труднее ей сохранять квантовую когерентность — согласованное поведение волновых функций. Процесс декогеренции происходит чрезвычайно быстро из-за взаимодействия с окружающей средой. Грубо говоря, сохранить суперпозицию для молекулы уже сложнее, чем для электрона, а для кота — практически невозможно.

Однако наука не стоит на месте. Ученые уже продемонстрировали квантовую суперпозицию для всё более крупных объектов. Если в 1990-х годах речь шла о суперпозиции отдельных атомов, то сейчас эксперименты проводятся с молекулами, содержащими тысячи атомов. В 2019 году физики создали суперпозицию для наночастицы, содержащей около 100 миллионов атомов — это, конечно, не макроскопический объект, но уже нечто видимое в микроскоп.

Существует даже гипотеза, что квантовые эффекты могут играть роль в работе мозга. Роджер Пенроуз и Стюарт Хамерофф предположили, что микротрубочки в нейронах могут поддерживать квантовую когерентность, влияя на сознание. Большинство ученых скептически относятся к этой идее, поскольку мозг — теплая и "влажная" среда, где декогеренция должна происходить практически мгновенно. Но окончательного ответа пока нет.

Впрочем, даже если отдельные белковые молекулы в наших клетках и могут на мгновения переходить в суперпозицию, для человека в целом это представляется невероятным. Мы слишком велики, слишком сложны и слишком тесно связаны с окружающей средой, чтобы сохранять квантовую когерентность. Как образно выразился физик Джим Аль-Халили: "Квантовые объекты — застенчивые создания, которые не любят, когда за ними наблюдают". А мы постоянно "наблюдаемы" триллионами взаимодействий с окружающим миром.

Философские и научные перспективы: где заканчивается наука?

Вопрос о квантовой суперпозиции макрообъектов, включая людей, выходит за рамки чистой науки и вторгается в область философии. Даже если мы не можем находиться в квантовой суперпозиции в буквальном смысле, многомировая интерпретация, если она верна, предполагает существование параллельных версий нас самих в бесчисленных вселенных.

Это поднимает глубокие вопросы о природе идентичности и сознания. Если где-то существуют другие версии меня, принявшие иные решения, то каково отношение между "мной" здесь и "мной" там? Имеет ли смысл говорить, что это один и тот же человек? И если каждое квантовое событие порождает новые вселенные, имеют ли наши решения реальное значение, если все возможные варианты всё равно реализуются где-то?

С практической точки зрения, многомировая интерпретация может оказаться неопровержимой и недоказуемой — ведь мы не можем наблюдать другие вселенные. А в науке гипотеза, которую нельзя проверить экспериментально, имеет ограниченную ценность. Впрочем, косвенные подтверждения могут быть найдены, например, в области квантовых вычислений, где уже сейчас используется принцип суперпозиции для решения задач, недоступных классическим компьютерам.

Интересно, что некоторые философы, например, Дэвид Льюис, независимо от квантовой механики развивали концепцию модального реализма — идею о том, что все логически возможные миры реально существуют. Квантовая многомировая интерпретация придает этой философской идее научное обоснование.

А что, если посмотреть на проблему с другой стороны? Может быть, вопрос не в том, существуем ли мы одновременно в разных состояниях, а в том, что именно мы понимаем под "существованием"? Понятие реальности, которое казалось интуитивно ясным в классической физике, становится всё более размытым по мере нашего продвижения в понимании квантового мира. И, возможно, нам понадобится пересмотреть само понятие реальности, чтобы согласовать наш повседневный опыт с квантовыми феноменами.

Так существуем ли мы в суперпозиции состояний?

Итак, вернемся к нашему первоначальному вопросу: если квантовая суперпозиция реальна, существуем ли мы одновременно во всех возможных состояниях?

С точки зрения современной физики, ответ, вероятно, таков: в буквальном смысле — нет. Мы слишком сложны и макроскопичны, чтобы поддерживать квантовую когерентность. Декогеренция делает практически невозможным сохранение суперпозиции для объектов нашего размера. Мы прочно "запутаны" с окружающей средой и непрерывно "измеряемся" ею, что разрушает любую потенциальную суперпозицию.

Однако если многомировая интерпретация верна, то в более широком смысле — да. В бесконечном мультиверсе существует бесконечное количество версий каждого из нас, проживающих все возможные варианты нашей жизни. В этом случае "мы" — это не отдельные индивиды, а скорее целый ансамбль версий, разделенных непроницаемыми барьерами между параллельными вселенными.

Красота квантовой механики в том, что она заставляет нас переосмыслить самые фундаментальные понятия: реальность, существование, идентичность. Возможно, самый важный урок квантовой физики состоит не в конкретных технических приложениях, а в том, что мир гораздо удивительнее и сложнее, чем подсказывает наша интуиция. Он приглашает нас расширить границы мышления и принять, что реальность может не соответствовать нашим повседневным представлениям.

И пока физики и философы продолжают споры о природе квантовой реальности, мы можем найти утешение в мысли, что, независимо от того, находимся ли мы на самом деле в суперпозиции состояний, наша способность понимать и исследовать такие глубокие вопросы уже сама по себе является удивительным феноменом. И кто знает, может быть, однажды мы найдем способ заглянуть за границу нашей вселенной и увидеть, что делают наши квантовые двойники в параллельных мирах. А пока — давайте наслаждаться уникальностью того единственного мира, который доступен нашему непосредственному опыту.

Источник: dzen.ru

Комментарии: