Самосознающая вселенная. Как сознание создает материальный мир - Госвами Амит - Страница 26

Рис. 22. Микроскоп Бора—Гейзенберга

Несмотря на неопределенность в проведении линии раздела, Бору казалось, что мы должны ее проводить вследствие «необходимого использования классических понятий при интерпретации всех правильных измерений». Бор неохотно признавал, что экспериментальную обстановку следует описывать чисто классическим языком. Следует допускать, что дихотомия квантовых волн заканчивается в измерительном приборе. Однако, как убедительно показал философ Джон Шумахер, все действительные эксперименты содержат в себе второй встроенный микроскоп Гейзенберга: процесс видения следа в эмульсии связан с такого же рода соображением, как то, что привело Гейзенберга к принципу неопределенности (рис. 23). Фотоны от эмульсии усиливаются собственным зрительным аппаратом экспериментатора. Можем ли мы игнорировать квантовую механику нашего собственного зрения? Если нет, то не являются ли наши мозг-ум—сознание неразрывно связанными с процессом измерения?

Рис. 23. Механика зрения. Еще один микроскоп Гейзенберга в действии?

Когда мы задумываемся об этом, становится ясно, что Бор заменял одну дихотомию другой — дихотомию кошки дихотомией мира, разделяемого на квантовые и классические системы. Согласно Бору, мы не можем отделять волновую функцию атома от всего остального в клетке (различных измерительных приборов для определения распада атома, вроде счетчика Гейгера, бутылки с ядом и даже кошки), и потому линия, которую мы проводим между микромиром и макромиром, оказывается совершенно произвольной. К сожалению, Бор также говорил о необходимости признавать, что измерение с помощью механизма — измерительного прибора — разрешает дихотомию квантовой волновой функции.

Однако любое макроскопическое тело, в конечном счете, представляет собой квантовый объект; не существует такой вещи, как классический объект, если только мы не готовы признавать порочную дихотомию квантового/классического в физике. Верно, что в большинстве ситуаций поведение макроскопического тела можно предсказывать, исходя из правил классической механики. (В таких случаях квантовая механика дает те же математические предсказания, что и классическая механика, — это принцип соответствия, который открыл сам Бор.) По этой причине мы часто приближенно считаем макроскопические тела классическими. Однако процесс измерения — не такой случай, и принцип соответствия к нему не применим. Разумеется, Бор это знал. В своих знаменитых дебатах с Эйнштейном Бор часто привлекал квантовую механику для описания макроскопических тел при измерении, чтобы опровергать острые возражения, выдвигавшиеся Эйнштейном против волн вероятности и принципа неопределенности.

В качестве примера спора между Бором и Эйнштейном рассмотрим ситуацию двухщелевого эксперимента, но с одним дополнительным аспектом. Предположим, что до попадания на двойную щель электроны проходят через одиночную щель в диафрагме — ее цель состоит в точном определении начального положения электронов. Эйнштейн предлагал устанавливать эту первую щель на крайне чувствительных пружинах (рис. 24). Он доказывал, что если первая щель отклоняет электрон к верхней из двух щелей, то в силу принципа сохранения импульса первая диафрагма будет отходить вниз, а если электрон отклоняется вниз, к нижней из щелей, то будет происходить противоположное. Таким образом, измерение отдачи диафрагмы будет говорить нам, через какую щель, в действительности, проходит электрон — то есть давать информацию, невозможную с точки зрения квантовой механики. Если бы первая диафрагма действительно была классической, то Эйнштейн был бы прав. Защищая квантовую механику, Бор указывал, что, в конечном счете, эта диафрагма тоже подчиняется квантовой неопределенности. Поэтому при измерении ее импульса становится неопределенным ее положение. Бор был способен продемонстрировать, что это расширение первой щели фактически уничтожает интерференционную картину.

Рис. 24. Идея Эйнштейна: начальная щель на пружинах для двухщелевого эксперимента. Если перед прохождением через перегородку с двумя щелями (не показана) электроны проходят через щель в диафрагме, установленной на пружинах, то можно ли определять, через какую щель проходит электрон, не уничтожая интерференционную картину?

Однако предположим далее, что действует принцип дополнительности и что иногда макроскопический прибор все же приобретает квантовую дихотомию (как показывает спор Бора—Эйнштейна), но что в другие моменты этого не происходит — как в случае с измерительным прибором. Эта оригинальная идея, именуемая макрореализмом, исходит от блестящего физика Тони Леггетта, чья работа привела к созданию великолепного экспериментального устройства под названием SQUID (СКВИД — Сверхпроводящий Квантово-Интерференционный Детектор).

Обычные проводники проводят электричество, но всегда оказывают некоторое сопротивление прохождению электрического тока, что приводит к потере электрической энергии в виде тепла. По контрасту с этим сверхпроводники позволяют току течь без сопротивления. Если вы создали электрический ток в сверхпроводящем контуре, то этот ток будет течь практически вечно — даже без источника энергии [27]. Сверхпроводимость обусловлена особой корреляцией между электронами, распространяющейся по всему сверхпроводнику. Для того чтобы вырваться из этого коррелированного состояния, электронам требуется энергия, и потому такое состояние относительно невосприимчиво к беспорядочному тепловому движению, присутствующему в обычном проводнике [28].

СКВИД представляет собой кусок сверхпроводника с двумя отверстиями, которые почти соприкасаются в точке, именуемой «слабым звеном» (рис. 25). Предположим, мы создаем ток в контуре вокруг одного из отверстий. Ток создает магнитное поле, точно так же, как любой электромагнит, и силовые линии магнитного поля проходят через отверстие — это тоже обычное явление. В случае сверхпроводника, необычное заключается в том, что магнитный поток — число силовых линий на единицу площади — является квантованным; магнитный поток, проходящий через отверстие, дискретен. Это дало Леггетту его ключевую идею.

Рис. 25. Будет ли линия потока делиться между двумя отверстиями, показывая квантовую интерференцию на макроскопическом уровне?

Предположим, что мы создаем настолько малый ток, что имеется только один квант потока. Тогда мы создали ситуацию двухщелевой интерференции. Если есть только одно отверстие, то очевидно, что квант может быть где угодно в нем. Если звено между двумя отверстиями будет слишком толстым, то поток будет локализован только в одном отверстии. Можно ли при подходящем размере слабого звена создать квантовую интерференцию, чтобы квант потока был нелокализованным, находясь в обоих отверстиях одновременно? Если да, то квантовые когерентные суперпозиции явно сохраняются даже на уровне макроскопических тел. Если никакой такой делокализации не наблюдается, то мы можем сделать вывод, что макроскопические тела действительно являются классическими и не допускают когерентных суперпозиций в качестве своих разрешенных состояний.

До сих пор нет никаких свидетельств нарушения квантовой механики в случае СКВИДа, но Леггетт упорно ожидает краха квантовой теории. На недавней конференции он говорил: «Но временами, когда ярко светит полная луна, я делаю то, что в физическом сообществе может быть интеллектуальным эквивалентом превращения в оборотня: я задаюсь вопросом, является ли квантовая механика полной и окончательной истиной о физической вселенной... Я склонен считать, что в каком-томесте между атомом и человеческим мозгом она [квантовая механика] не только может, но должнатерпеть крах».