Квантовые технологии Научно-популярное Физика Репортаж В 2025 году была опубликована работа из области философии квантовой механики, которая объясняет как можно превратить квантовую механику в полноценную физическую теорию (как принято определять физическую теорию в философии физики), не модифицируя её (как это делает, например, GRW), не прибегая к онтологии многих миров (как это делает MWI и некоторые другие интерпретации) и избегая иных проблем (свойственных, например, бомовской механике). Я хочу рассказать об этой работе, которая существенно продвигает наше понимание квантовой физики, даже если и не является окончательным ответом на загадку квантовой механики. Предупреждение. Для обывателя есть, грубо говоря, три источника научных знаний: учебники, монографии и статьи. В учебниках содержится наиболее достоверная информация: то, что установлено твёрдо, то, что не будет (в определённом смысле) опровергнуто никогда. "Наука не отдаёт завоёванных позиций" — эта фраза в первую очередь именно про то, что попало в учебники. В монографиях содержится более свежая, менее проверенная информация, но всё же достаточно надёжная. Статьи же — это передний край научной мысли. Бывает, что выходит статья (в солидном, а не каком-то мусорном журнале), а через пару месяцев появляется другая статья, где выводы и методы первой подвергаются критике. Это нормальная научная жизнь. То есть то, что написано в статье — это ещё не твёрдо установленное знание, это может оказаться неверным. Я буду рассказывать именно о том, что написано в (научной) статье, а не в учебнике. Имейте это в виду. Простая система В квантовой механике много по-человечески странного. Запутанность, интерференция, квантовая нелокальность и другие квантовые явления трудны для интуитивного осмысления. Но что, если я вам скажу, что все эти явления можно найти в простой умозрительной системе, в которой на первый (и на второй) взгляд нет ничего квантового? Представим некое устройство или, как говорят физики, систему, которая имеет несколько возможных состояний и в каждый момент времени находится в одном их них. Вообразите ящик, у которого на передней панели высвечиваются, скажем, заглавные латинские буквы, меняющиеся с течением времени. Согласитесь, в таком устройстве нет и вроде не может быть ничего загадочного. Но погодите. Появляющиеся буквы (меняющееся состояние системы) не обязаны, вообще говоря, подчиняться какому-либо закону. Но обычно закон есть. Такой закон — если он есть — называется в философии физики законом динамики системы или просто динамикой. Бывает простая динамика. Например, представим, что мы заметили, что каждая буква появляется ровно на одну секунду, а затем сменяется следующей по алфивиту пока не дойдёт до , после чего переходит к . Такой простой закон обладает свойством, называемым детерминизм: зная динамику и зная, что показывает прибор в данный момент, мы можем достоверно предсказать, что он покажет через секунду, через пять секунд, можем сказать, что он показывал секунду назад, десять секунд назад. Бывает динамика и похитрее детерминистической. Например, можно сконструировать прибор так, чтобы каждую секунду он с вероятностью переходил к предыдущей букве и с вероятностью переходил к следущей. Такая динамика недетерминистична, но для неё выполняется другое важное свойство: делимость. Это означает, что мы можем мысленно прервать процесс в любую секунду и зная текущие показания предсказать возможные показания и их вероятности через секунду, через две, через 10 секунд. Так, если прибор показывет , то через секунду он с вероятностью покажет и с вероятностью покажет , а через две секунды он покажет либо , либо , либо с вероятностями, соответственно, , , . Но что, если система не обладает делимостью? Пусть устройство на сей раз выдаёт только 2 буквы — и . И пусть закон динамики выглядит так: где , — вероятности найти систему в состоянии или, соответственно, в момент , а нацело делится на . Обратите внимание: не любое, а кратное 12 секундам и в этом вся соль. И только при таком ограничении сформулированный закон динамики непротиворечив. Пусть мы знаем состояние в момент . Вопрос, какое будет состояние в момент ? Ответ: неизвестно. Динамика не обладает свойством делимости в момент , поэтому знание состояния в этот момент ничего не даёт. Чтобы что-то предсказать, надо знать состояние в точке делимости, например при . При этом, система очень простая в том плане, что её очень просто смоделировать, например, на компьютере. И она совсем не квантовая в смысле например многомировой интерпретации: в каждый момент времени система пребывает в одном, определённом состоянии. А для моделирования такой системы не нужно знать из квантовой механики ничего. Однако, оказывается, что такая система проявляет казалось бы чисто квантовые свойства, перечисленные выше. Амплитуды и интерференция Оказывается, что матрица переходов нашей простой системы допускает важное и интересное преставление через другую матрицу. Именно, где черта — это комплексное сопряжение, а — произведение по Адамару, то есть просто поэлементное произведение. Элементы полностью аналогичны тому, что в квантовой механике называется амплитудами вероятности. Важной чертой матрицы является то, что она унитарна, в частности обратима. Поэтому эта матрица элементарно доопределяется для произвольной пары времён: что, как и должно, не зависит от , но только от разности . Иначе говоря, на уровне амплитуд, а не вероятностей, любой процесс делим в любой точке. И эта картина полностью аналогично явлению интерференции в квантовой механике: чтобы подсчитать вероятности надо перейти на язык амплитуд, перемножить матрицы с амплитудами для всего процесса и только потом возводить амплитуды в квадрат для получения вероятностей. Квантовое состояние А можно ли как-то приписать системе другое, не настоящее состояние (давайте назовём его квантовым) так, чтобы зная это квантовое состояние в момент можно было найти и квантовое состояние и вероятности обычного состояния в момент ? Оказывается можно. Пусть в точке делимости система находится в состоянии . Возьмём в качестве квантового состояния соответствующую колонку (то есть вторую): Тогда несложно проверить, что во-первых в любой момент что очень напоминает правило Борна, хотя и не совсем оно по смыслу (правило Борна работает в любом базисе, а наше соотношение верно только в базисе, связанном с реальными или, как ещё говорят, онтологическими состояниями), а во-вторых что похоже на решение уравнения Шрёдингера. Пользуясь этими двумя формулами можно, зная квантовое состояние в какой-нибудь момент времени, предсказать квантовое состояние через секунду или через две или пятнадцать секунд назад. А зная квантовое состояние всегда можно рассчитать и вероятности настоящего состояния в этот момент. Вы видите теперь, к чему всё идёт. Эффективный способ работы с системами с неделимой динамикой — это использовать квантовую механику с амплитудами вероятностями и странными состояниями типа "и жив и мёртв". Но пользуясь этим всем не стоит забывать, что на самом деле никакого состояния типа "и жив и мёртв" нет, что на самом деле система просто переходит от одного состояния к другому и пребывает в одном конкретном состоянии в каждый момент времени. Оказывается, это работает и в обратную сторону. Любая квантовая система есть эффективное описание какой-то (возможно и не одной) системы с неделимой динамикой. Запутанность Если система состоит из двух частей с и состояний соответственно, то такое объединение имеет состояний. Если системы не взаимодействуют, то матрица переходов — назовём её — представляет тензорное произведение матриц переходов частей: Но если системы взаимодействуют, то такое разложение не имеет места. И даже если системы перестали взаимодействовать с какого-то момента времени , всё равно даже для матрица переходов не может быть разложена, вообще говоря, в тензорное произведение. Это и есть запутанность. Только если и , и , то есть если имеет место точка делимости после взаимодействия, запутанность разрушается и матрица переходов раскладывается на тензорное произведение. Важным случаем запутанности является система, запутанная с окружением (например, молекулами воздуха). Точка делимости, индуцированная взаимодействием с окружением Представим себе опять систему типа описанной выше. Но пусть теперь кроме неё есть некоторое окружение, которое мы для простоты представим опять же системой с двумя состояниями (чтобы не путать с состояниями системы обозначим их цифрами 1 и 2), но с тривиальной динамикой: окружение просто вечно сохраняет то состояние в котором находилось в начальный момент. Если система и окружение никак не взаимодействуют, то не происходит ничего интересного. Но предположим, что на очень короткое время в районе происходит взаимодействие, которое запутывает систему с окружением. То есть, до динамика системы есть просто которой соответствует матрица амплитуд Пусть в момент система+окружение находились в состоянии . Тогда квантовое состояние в момент было бы (первая колонка ) но взаимодействие запутывает систему с окружением, поэтому на самом деле квантовое состояние в момент будет Умножим это на всё то же , чтобы найти дальнейшую эволюцию состояния: то есть по "правилу Борна" а значит и то же самое мы получили бы, если бы начали с любого другого состояния. То есть оказывается точкой делимости для системы. Таким образом, взаимодействие с окружением может приводить к формированию точек делимости. Коллапс Анализ измерения произвольной наблюдаемой слишком сложен, поэтому я опишу в общих чертах простейший случай, когда измеряется онтологическое состояние. В этом случае измерение (то есть взаимодействие с прибором, который в свою очередь взаимодействует с окружением) приводит в формированию точки делимости для системы — примерно так же, как было показано в предыдущем разделе. То есть если измерение имело место в момент (считаем, что измерение бесконечно быстрое), то для получаем закон динамики системы где — некоторая матрица переходов. Поэтому человек, который знает результат измерения ( или ), может приписать такой системе новое квантовое состояние, совпадающее с соотвествующим столбцом матрицы амплитуд . Это и есть знаменитый коллапс. Это не физический процесс, а всего лишь следствие измения наших знаний. Заключение и литература Вот в общих чертах как новая теория, основанная на доказанном двустороннем соответствии между квантовыми системами и стохастическими системами с неделимой динамикой, объясняет основные загадочные стороны квантового мира. С новой точки зрения квантовая механика — всего лишь удобная машинерия для работы с неделимыми процессами. The Stochastic-Quantum Correspondence J. Barandes. Philosophy of Physics 3(1): 8 (2025). arXiv:2302.10778 . A Deflationary Account of Quantum Theory and its Implications for the Complex Numbers J. Barandes. philsci:26048 . Теги: Source: https://habr.com/ru/articles/972832/