1.4. О философских проблемах в квантовании макроскопических объектов

Экстремальная слабость квантовых гравитационных эффектов могла бы теперь поставить некоторые философские проблемы; может быть природа пытается сказать нам что-либо новое, может быть мы не должны пытаться квантовать гравитацию. Возможно ли, что мы не должны настаивать на единообразии природы, чтобы все могло бы быть проквантовано? Возможно ли, чтобы было так, что гравитация не квантуется, а все остальное в мире квантуется? Существуют некоторые аргументы, которые были приведены в прошлом, что мир не может быть полуклассическим и полуквантовым. Теперь постулат, который определяет квантово-механическое поведение, заключается в том, что существует амплитуда для различных процессов. Не может быть, следовательно, чтобы частица, которая описывается амплитудой, такая как электрон, имела взаимодействие, которое описывается не амплитудой, а вероятностью. Мы рассмотрим дифракционный эксперимент с двумя щелями и вставим гравитационный детектор, который, как мы предполагаем, является классическим, который в принципе может сказать нам, через какую щель прошел электрон (рис. 1.2). Представим себе, что детектор еще не получил сигнал, говорящий нам, через какую щель прошел электрон; положение электрона описывается амплитудой, половина которой проходит через верхнюю щель, а половина через нижнюю. Если гравитационное взаимодействие передается полем, то отсюда следует, что гравитационное поле должно было бы также иметь амплитуду; половина которой соответствует гравитационному полю электрона, проходящему через каждую щель. Но все это в точности характеристика квантового поля, которое должно было бы описываться амплитудой предпочтительнее, чем вероятностью! Таким образом, кажется, что должно быть невозможным нарушить квантовую природу полей.

Несмотря на эти аргументы, мы хотели бы быть свободными от предубеждений.

Ведь все еще остается возможность, что квантовая теория абсолютно не гарантирует, что гравитация должна быть квантуема. Я хочу, чтобы здесь я был правильно понят, отсутствие предубеждений не значит отсутствие всяких убеждений. Я имею ввиду, что возможно, если мы рассматриваем альтернативные теории, которые не кажутся нам a priori оправданными, и мы вычисляем, что бы имели, если бы такая теория была верна, возможно было бы неожиданным открытием, что такой путь в действительности существует! Мы никогда не сделаем это открытие с позиции, что "конечно, всегда необходимо наслаждаться возможностью сомнений", а действовать и вычислять только с одним предубеждением. Рассуждая в этом духе, я хотел бы предположить, что квантовая механика не выполнима при больших расстояниях и для больших объектов. Теперь следите за моими утверждениями, я не говорю, что квантовая механика будет не выполняться на больших расстояниях, я только сказал, что это не является несогласованным с тем, что мы знаем. Если такая несостоятельность квантовой механики связана с гравитацией, то умозрительно рассуждая, мы могли бы ожидать, что это происходит для масс таких, что или , что соответствует приблизительно частиц. Квантовая механика дает довольно глупые ответы для объектов такого размера; если мы вычислим вероятность того, что песчинка перепрыгнула через стену, то получим такие ответы как которые представляются довольно нелепыми. Следовательно, мы не должны пренебрегать рассмотрением того, что возможно квантовая механика не верна для больших масштабов и не выполнима для объектов нормального (немикроскопического) размера. В этой связи мы могли бы обсудить, как теория наблюдения и измерения создает некоторые проблемы. Для примера давайте поговорим о придуманном Шредингером парадоксе кота. Это не настоящий парадокс в том смысле, что имеется два различных ответа при использовании соответствующих логических рассуждений, это означает, что необходимо отметить наличие философской трудности в квантовой механике, и каждый физик должен решить, какой ответ он предпочитает.

Представим себе закрытый ящик, в который помещен живой кот и подвешено ружье; причем кот размещен таким образом, что если ружье выстрелит, то кот умрет. Ружье выстреливает с помощью счетчика Гейгера, который считает частицы от радиоактивного распада; предположим, что источник такой, что мы ожидаем один отсчет в час. Имеется следующий вопрос: Какова вероятность того, что кот остался жив спустя один час, если мы оставили его запертым в ящике?

Ответ, получаемый из квантовой механики чрезвычайно прост; имеется два возможных конечных состояния, которые мы рассматриваем; амплитуда равна

Когда мы думаем об этом ответе, то у нас появляется ощущение, что кот не видит эти вещи таким же образом; он не чувствует, что у него жизни и смерти, а чувствует или одно, или другое. Итак, то, что может соответствующим образом описываться амплитудой внешнего наблюдателя, не обязательно описывается аналогичной амплитудой, когда наблюдатель составляет часть этой амплитуды. Таким образом, внешний наблюдатель обычной квантовой механики находится в выделенном положении. Для того, чтобы убедиться в том, жив кот или мертв, он делает маленькую дырочку в ящике и наблюдает; и только после этого он делает свое измерение, что система находится в хорошо определенном конечном состоянии; но ясно с точки зрения внутреннего наблюдателя, что результаты такого измерения внешнего наблюдателя определяются вероятностью, но не амплитудой. Таким образом, мы видим, что при традиционном описании квантовой механики мы имеем встроенное в теорию расхождение между описанием, включающим внешнего наблюдателя, и описанием без наблюдения.

Такого рода парадокс возникает всякий раз, когда мы рассматриваем усиление атомного события, так что мы узнаем, как это событие влияет на вселенную в целом. Традиционное описание общей квантовой механики всего мира чудовищно сложной волновой функцией (которая описывает всех наблюдателей), удовлетворяющей уравнению Шредингера

приводит к невероятно сложной бесконечности амплитуд. Если я играю в азартные игры в Лас Вегасе и собираюсь поставить некоторые деньги на номер 22 в рулетке, и ближайшая ко мне девушка выливает на меня свой напиток, потому что она увидела кого-то, кого она знает, и я останавливаюсь перед тем, как сделать ставку, и приходит число 22 на рулетке, я могу увидеть, что все течение вселенной для меня зависело от того факта, что некоторый маленький фотон попадет в нервное окончание сетчатки глаза девушки. Таким образом, вся вселенная бифурцирует на каждом атомном событии.

В настоящее время некоторые ученые, которые настаивают на том, чтобы свести всю квантовую механику к букве, удовлетворены подобной картиной; так как нет внешнего наблюдателя для волновой функции, описывающей вселенную в целом, они утверждают, что правильное описание мира включает в себя все амплитуды, которые, таким образом, бифурцируют в каждом атомном событии. Но тем не менее, мы, которые являемся частью такой вселенной, знаем, какой путь вселенной бифурцировал для нас, так что можем следовать треку нашего прошлого. Теперь философский вопрос для нас состоит в том, что когда мы делаем наблюдение нашего трека в прошлом, становится ли результат нашего наблюдения реальным в том смысле, что конечное состояние было бы определено, если бы внешний наблюдатель сделал бы наблюдение? Все это весьма смущает, особенно когда мы считаем, что даже хотя мы можем согласованно рассматривать себя всегда в качестве внешнего наблюдателя, когда мы смотрим на весь остальной мир, остальной мир в то же самое время наблюдает нас, и очень часто мы согласны с тем, что мы видим друг в друге. Означает ли это, что мои наблюдения становятся реальными только тогда, когда я наблюдаю наблюдателя, наблюдающего, как что-либо происходит? Это ужасная точка зрения. Серьезно ли вы обдумываете мысль, что без наблюдателя нет реальности? Какого наблюдателя? Любого наблюдателя? Является ли наблюдателем муха? Является ли звезда наблюдателем? Отсутствует ли реальность во вселенной за лет до н.э., т.е. до зарождения жизни? Или являетесь ли вы тем самым наблюдателем? Тогда нет реальности в мире после вашей смерти? Я знаю большое число респектабельных физиков, которые покупают страховку на случай смерти. Какой философией была бы понята вселенная без человека?

Для того, чтобы придать некий смысл рассуждениям, мы должны относиться без предубеждений к вероятности того, что для достаточно сложных процессов амплитуды становятся вероятностями. Факт, что именно амплитуды добавляются, может быть обнаружен только процессами, которые детектируют разность фаз и интерференцию. Теперь фазовые соотношения для очень сложных объектов могли бы быть чудовищно сложны, так что наблюдать интерференцию можно было бы только в том случае, если фазы всех частей сложного объекта эволюционируют очень, очень точным образом. Если существует некоторый механизм, с помощью которого эволюция фазы слегка изменяется, так что не является абсолютно точной, тогда наши амплитуды становятся вероятностями для очень сложных объектов.

Но можно быть уверенным, что если фазы действительно имели такое встроенное в теорию смещение, должны были бы быть некоторые следствия, связанные с этим смещением. Если одно такое следствие состояло бы в существовании гравитации самой по себе, не было бы квантовой теории гравитации, что было бы ужасающей идеей для остальных лекций.

Все это представляет собой весьма смелые рассуждения, и бесполезно продолжать их дискутировать; однако мы всегда должны помнить о том, что существует некоторая вероятность того, что квантовая механика может не выполняться, тале как у нас есть определенные трудности с философскими предрассудками относительно измерений и наблюдений.