MonteDegro

Вопрос трактовки так-то не праздный. Например, в своё время было 3 трактовки движения планет – по Птолемею, Браге и Кепплеру. Математически они были эквивалентны и предсказания давали одинаковые (была ещё неэквивалентная им модель Коперника, но она как раз с предсказаниями фейлила). Но модель Кепплера позволила догадаться об универсальности законов физики и создать классическую механику. А вот другие трактовки такого буста науки дать не могли.

1. Плохие, негодные трактовки

Так вот, в квантмехе исторически превалировали 3 трактовки – копенгагенская, многомировая и никакая. Математически они между собой (да и менее популярными) опять-таки эквивалентны. Для понимания различий между ними представим в качестве квантовой системы простой советский игральный кубик (допустим, что он себя ведёт в соответствии с математикой квантмеха). Помещаем его в непрозрачный стакан, стакан встряхиваем и ставим на стол. Как трактовать состояние квантового кубика до того, как стакан приподняли (и наблюдатель узнал его состояние), и как после наблюдения?

Копенгагенская (именно она наиболее широко представлена в культуре) подразумевает реальное существование особого квантового состояния, т.е. на кубике одновременно выпали все 6 граней и он находится в суперпозиции (размазан между всеми возможными исходами). Этому состоянию соответствует волновая функция, которая описывает распределение вероятностей выпадения каждой из граней (в данном случае, они все равновероятны по 1/6). В момент наблюдения происходит взаимодействие наблюдателя с кубиком, и волновая функция коллапсирует, т.е. кубик начинает лежать строго 1 гранью вверх. В общем, из этой трактовки вытекают прямо-таки волшебные свойства наблюдателя: сам факт наблюдения им объекта физически влияет на этот объект. Отсюда следует соллипсизм и прочая ересь (луна зависит от того, смотрит ли на неё мышь, и всё такое).

По многомировой интерпретации в момент наблюдения кубика вся Вселенная (а чего мелочиться?) расщепляется на 6 параллельных, и в каждой из них выпадет своя грань кубика. И, соотоветственно, каждый из 6 новых наблюдателей пронаблюдает лишь 1 выпавшую грань. Изначально в трактовке планировали убрать волновую функцию и сделать все вновь образующиеся вселенные равноправными, но в итоге ввели им параметр “толщины”, соответствующий вероятности из волновой функции. В общем, те же яйца по-копенгагенски, только в профиль. Колдунство наблюдателя стало ещё забористее.

Неудивительно, что как реакция на ЭТО, возникла никакая интерпретация под лозунгом “Заткнись и считай”. Типа, формулы на практике подтверждаются? Вот и славно, не рефлексируйте, распространяйте. С таким подходом, на мой взгляд, науку тоже далеко не разовьёшь.

Разумеется, многих учёных (одним из них был Эйнштейн) такое положение дел устроить не могло, и они выдвигали менее контринтуинтивные варианты. Это так называемые теории скрытых параметров. Идея в том, что кубик не находится в суперпозиции, на нём и до наблюдения выпала 1 грань. Это наблюдатель просто не знает, какая, и узнаёт только при наблюдении. Но теоретически, зная полные данные о кубике до броска, возможно рассчитать, что выпадет. Концепция стройная и понятная, но есть маленький такой недостаток – теории скрытых параметров систематически убивались об эксперименты.

Тут надо в дополнение к квантовому кубику вообразить себе ещё и квантовые носки. Квантовые носки образуют пары, в которых один является правым, а другой левым. Соответственно, если изменить состояние одного носка с правого на левое (переодеть его на левую ногу), то изменится и состояние второго. Это т.н. спутывание. Если из двух спутанных носков правый оставить на Земле, а левый отправить на Альфа-Центавру, а потом изменить состояние правого, то состояние носка на Альфа-Центавре изменится, причём мгновенно (а как бы по теории относительности скорость распространения физических взаимодействий между носками из пары должна быть ограничена скоростью света, и должно ведь пройти время). Такая мгновенность взаимодействия называется нелокальностью.

Копенгаген-like интерпретациям такое не мешает, а вот теории скрытых параметров с нелокальностью не дружат. Некто Белл придумал эксперимент, позволяющий подтвердить или опровергнуть существование спутывания (соблюдение / несоблюдение неравенств Белла). Этот эксперимент был многократно проведён и проверен. Результаты: спутывание существует, изменение квантового состояния спутанной пары носков мгновенно. Но при этом передать информацию с помощью такой пары быстрее скорости света нельзя. Кроме того, в процессе не нарушается принцип причинности.

2. Хорошая, годная трактовка

Честно говоря, я некоторое время несмотря ни на что верил в скрытые параметры, а эксперименты по Беллу считал некорректными (каюсь, это грех, в научном понимании). Но, как оказалось, есть способ собрать квантовые парадоксы и объяснить их одной стройной интерпретацией. Для этого квантмех надо объединить с теорией принятия решений – байессианством. Суть байессианства в том, что вероятность – это не объективное свойство реальности, а субъективная мера незнания. Во Вселенной нет случайности, зато есть множество агентов, которые в ходе своей деятельности пытаются строить модели мира для уточнения прогнозов. И так как эти модели – всегда упрощение относительно реальности, прогнозы этих моделей допускают разные результаты, каждый со своей степенью уверенности в нём агента. Сразу оговоримся, что это не соллипсизм, т.к. роль агента при построении модели пассивная. Он не влияет силой мысли на реальность, только пытается её описать. Если нет агента, наблюдающего реальность, реальности на это фиолетово. Если есть, то реальности также фиолетово. Ещё уточним, что наличие сознания / разума у агента не требуется. Это может быть робот или бактерия (она строит модель окружающей воды по параметрам вроде “здесь соль, а там, возможно, нямка” и таки принимает на этом основании решение, куда плыть).

Комбинация квантмеха и байессианства – квантовое байессианство, оно же кубизм. Концепция в том, что “квантовая система” существует не в реальности, а в модели реальности отдельно взятого агента – наблюдателя. Волновая функция не относится к реальному кубику, это не обладающий полнотой информации наблюдатель вынужден в своей модели учитывать одновременно все возможные исходы. Правило Борна – это не физический закон, а правило, согласно которому наблюдатель может сделать лучший прогноз исходя из своих знаний (а так как знания заведомо неполные, гарантий правильности, увы, нет и быть не может). И да, для разных агентов волновая функция одного и того же кубика будет разной. Например, признаюсь, что использовал не простой кубик, а с утяжелённой гранью “1”. Для наблюдателя, который это узнаёт, уже не все грани становятся равновероятными (волновая функция кубика в модели изменилась, но с реальным кубиком ничего не произошло). Предельный случай увеличения знаний агента о кубике – это прямое наблюдение. Он видит, какая грань выпала, и держать остальные исходы в модели незачем. Вот и весь коллапс, до копейки.

С кубиком разобрались, переходим к носкам. Спутывание также относится не к реальным носкам, а к носкам внутри модели агента. При изменении состояния носка с правого на левый со вторым носком ничего не происходит, это сам агент решает, что раз в паре носков один левый, то другой правый. И вот это как раз-таки происходит мгновенно, ведь неважно, что носки в нескольких световых годах друг от друга – модель находится в пределах одной головы. Именно поэтому экспериметы по Беллу и дали такие казалось бы противоречивые результаты – их исходы относились к двум разным сущностям.

Попутно кубизм разрешает и ещё один класс квантовых парадоксов – эксперименты а-ля “друг Вигнера”. Там получается, что два наблюдателя не могут согласованно рассуждать о состоянии одной квантовой системы, присваивая ей разные волновые функции. В рамках кубизма парадокса нет: один наблюдатель, действительно, может у себя в голове построить модель не такую, как второй. Бонусный аргумент в пользу кубизма: автор фразы “Заткнись и считай” присоединился к этой интерпретации.

3. Следствия

Наука не нужна ради науки. Какие практические выводы следуют из кубизма?

Есть один вопрос, по кторому квантовые механики очень давно не могут прийти к консенсусу. Квантовые эффекты, как правило, наблюдаются на микро-уровне, но не на макро-. Где проходит граница применимости?

Тут предложу своё особо ценное мнение. Вот статья на Хабре про статью учёного, где показывается альтернативный способ представления уравнений квантмеха (что характерно, опять же математически эквивалентный). Типа есть такие марковские процессы (в них в каждый момент времени определена вероятность перехода из текущего состояния в любое возможное другое). А есть процессы с неделимой динамикой (в них такая вероятность определена лишь в некоторые моменты времени – точки делимости). И в этих статьях показывается, что любую квантовую систему можно представить в виде процесса с неделимой динамикой, и наоборот (точки делимости формируются при наблюдении и спутывании). Так вот, объединяя это с кубизмом, вангую, что необходимое и достаточное условие квантовости системы с точки зрения агента-наблюдателя:

1) информация о состоянии системы через наблюдения поступает к агенту не непрерывно, а дискретно (т.е., не поверите, квантуется);

2) взаимодействие агента с системой при наблюдении меняет состояние системы непредсказуемым для агента образом (т.е. между наблюдениями агент не может сказать наверняка, в каком из возможных состояний система находится).

Почему это так работает в микро-мире, понятно. Чтобы узнать, где сейчас находится электрон, надо, например, поймать отразившийся от него фотон. А масштабы таковы, что взаимодействие фотона с электроном поменяет положение и вектор скорости электрона. Непредсказуемым для нас образом. Соотношение неопределённостей Гейзенберга и всё такое.

Но, получается, это можно организовать и на макро-уровне. Например, если при приподнятии стакана с кубиком можно успеть рассмотреть, что на нём выпало, но потом сразу же стакан опускается вниз и встряхивается. И состояние кубика между наблюдениями агенту неизвестно (вероятность перехода из этой точки не определена).

Если же есть возможность всегда напрямую посмотреть на объект, практически на него не влияя, то ни теория вероятностей, ни квантмех для его описания просто-напросто не нужны. Обычно это так для макро-объектов, и не так для микро-. Но объективной фундаментальной разницы между ситуациями нет.

Второе (и более важное) следствие – тупиковость таких направлений как генераторы истинно случайных чисел и... квантовые компьютеры.

Со случайными числами ситуация простая. Дескать, стандартные алгоритмы дают лишь псевдослучайные числа (т.е. генерация на самом деле детерминирована, и зная алгоритм, можно предсказать всю последовательность генерируемых чисел). А вот на квантовых системах-то числа ого-го. В соответствии с кубизмом выходит пошлая вещь – пока не отдельно взятый агент не знает алгоритм генерации, числа для него истинно случайные. Как только узнаёт – для него становятся детерминированными. Ну а физическое устройство генератора влияет только на усилия, необходимые для выяснения алгоритма. Все генераторы псевдослучайны.

А с квантовыми компьютерами всё очень весело. Они основаны на копенгагенской интерпретации, поэтому подразумевается, что каждая их логическая ячейка (кубит) может спутываться с другими, находиться в суперпозиции и коллапсировать. И если она в суперпозиции и спутана с другими ячейками, то можно настроить, чтобы единственное непротиворечивое состояние системы кубитов после коллапса соответствовало ответу на решаемую задачу. Это позволяет, например, быстро разложить на простые множители большое число, что для обычного компьютера недоступно (но, в свою очередь, квантовый компьютер принципиально не способен эффективно решать задачи обычного, так что Doom на нём не запустишь). И тут вылезает клятый кубизм и отрицает, что кубит находится в суперпозиции. Нет, кубит находится только в одном из возможных состояний одновременно, и вся концепция рушится.

Но ведь квантовые компьютеры существуют и развиваются, как так они невозможны?

Ну что ж, посмотрим, как они развиваются. Теме больше 30 лет (обычные компьютеры за 30 лет между 1930-ми и 1960-ми так-то прилично развились), и длительное время исследователи бьются над проблемой масштабирования. Т.е. эффективно спутать сотню кубитов могут, а дальше каменный цветок не выходит. Есть, конечно, исследователи, которые о дохренилионах кубитов рапортуют и даже свои поделия продают (а потом их начинают ВНЕЗАПНО обвинять в мошенничестве, но то такое). А масштаб задач, решаемых на ста кубитах, даже по-копенгагенски не впечатляет. Возьмём то же разложение на множители – недавно был прорыв. Сумели разложить на простые множители число 35 (sic!). Так глядишь, всю таблицу умножения через 10 лет прорешают, и карачун всей традиционной криптографии.

С точки зрения кубизма при разложении квантовым компьютером числа на множители происходит следующее. Он генерит (псевдо)случайные числа, которые могут оказаться искомыми множителями. А могут и не оказаться, они же не обязаны. Если несколько раз сгенерировать пару чисел, то поразительным образом, среди них попадётся пара (5, 7), что есть разложение числа 35 (сторонник копенгагенской интерпретации гордо отчитается об успешном спутывании 6 кубитов). Если же надо разложить число 16734534859203560244601, то генерировать придётся долго (а для копенгагениста это будет выглядеть как череда неудач при попытке спутать большое число кубитов).

Я убеждён, что в будущем квантовые компьютеры будут вспоминать примерно с той же улыбкой, что и теплород и флогистон. Финансирование этой отрасли, разумеется, призываю немедленно прекращать.

И, наконец, третье следствие, самое болезненное для общества. Кот Шрёдингера – чушь собачья, прекращайте это форсить. У меня этот мем уже рвотные позывы триггерит. Прямо какой-то ритуал, когда один псевдоинтеллигент говорит другому клишированную фразу “тут всё неопределённо, как кот Шрёдингера, эффект наблюдателя в квантовой системе, такой-то мир непонятный и загадочный”, а второй обязан восхититься глубиной мысли (понимать суть сказанного им для этого незачем). Всю научную фантастику этим загадили (ещё форсилась реинкарнация схоластики под названием “теория струн”, но эта хрень вроде уже сдохла), плюс организовали благодатную почву для шизотериков и соллипсистов (нормиса заставить поверить в мистику намного проще, если предварительно ему учёный про волшебную силу наблюдателя затрёт).

P.S. Да, чуть не забыл. Ещё теперь становится очевидным, почему квантмех не уживается с теорией относительности. Теория относительности – про искривление пространства-времени на больших масштабах. Квантмех – про прогнозирование в масштабах головы отдельно взятого агента. Ясен пень, что мысли с гравитацией друг на друга слабо влияют.