Квантовая механика систематически изучается вот уже около ста лет, и по-прежнему актуальны слова Ричарда Фейнмана о том, что никто вполне её не понимает – а Шон Кэрролл добавляет, что её не понимают даже физики. Квантовая механика действительно полна парадоксов, противоречащих как классической физике, так и обычному здравому смыслу. Один из наиболее известных парадоксов такого рода — мысленный эксперимент «кот Шрёдингера» — демонстрирует, что на квантовом уровне даже граница между жизнью и смертью оказывается размытой. Этот эксперимент популяризован в самых разных источниках, однако, если вас интересует более подробный разбор его деталей и экскурс в смежные эксперименты, такие, как «друг Вигнера» — рекомендую почитать об этом на Хабре статью уважаемого @dionisdimetor «Интерпретации квантовой механики. На каком свете кот Шрёдингера».

Я же сегодня хочу затронуть ещё одну близкую тему — мысленный эксперимент под названием «Квантовое самоубийство», предложенный выдающимся современным шведско-американским физиком Максом Тегмарком, автором книг «Наша математическая Вселенная» и «Жизнь 3.0». 

Конфликт интерпретаций

Квантовое самоубийство, иногда называемое в научной литературе «квантовой русской рулеткой» — это активный вариант шрёдингеровского эксперимента с котом — причём, насколько мне известно, оба эксперимента в реальности никто не ставил. Квантовое самоубийство основано на субъективном, а не только на объективном опыте. Этот эксперимент призван определить, имеет ли право на существование многомировая интерпретация квантовой механики, впервые предложенная Хью Эвереттом в 1957 году.  

Концепцию этого эксперимента независимо друг от друга опубликовали Ханс Моравец в 1987 году и Бруно Маршал в 1988 году, после чего уже в 1998 году за развитие этой идеи взялся Макс Тегмарк. Можно сказать, что мысленный эксперимент с квантовой русской рулеткой — это продолжение эксперимента с котом Шрёдингера, но уже с точки зрения кота.

Знаменитая «Копенгагенская интерпретация» квантовой механики, предложенная Бором и Гейзенбергом в 1927 году, предлагает абстрагироваться от квантовых парадоксов и использовать квантовую механику как инструмент для прогнозирования, не вдаваясь в тонкости её смысла – например, не пытаясь рационализировать квантовый дуализм и мгновенную передачу информации между двумя частицами, находящимися в состоянии квантовой запутанности друг с другом (нелокальность). С другой стороны, многомировая интерпретация предполагает, что при каждом акте квантовой декогеренции, наступающей, например, в результате измерения состояния электрона или любой другой квантовой частицы, либо при просто срабатывании счётчика Гейгера, совершаются оба варианта событий - и реальность ветвится.

Именно из-за невозможности объяснить квантовые явления с позиций здравого смысла американский физик Дэвид Мермин позволил себе формулировку «заткнись и считай!» (shut up and calculate). Попытки всё-таки осмыслить происходящее с «классических» позиций породили множество существующих ныне интерпретаций.

В классической физике те математические уравнения, которые описывают происходящие процессы, дают конкретные (дискретные) значения, а квантовые эксперименты дают вероятностные значения, присваиваемые процессам до того момента, как произойдёт измерение. Например, спин электрона будет одновременно направлен как по часовой стрелке, так и против, и конкретное значение спина выяснится только по факту измерения. От такого квантового состояния может зависеть целая последовательность событий, вариант ветвления реальности, и, как только одно из возможных значений конкретизируется, развиваться начнёт лишь соответствующая ему «ветка», а все остальные значения станут неактуальными (сколлапсируют). Именно такой смысл вкладывается в коллапс волновой функции, объективно наблюдаемый при квантовых экспериментах.

Это странное свойство квантовой механики называется «квантовым недетерминизмом», и объяснить его пытаются как копенгагенская, так и многомировая интерпретация.

Согласно копенгагенской интерпретации, такая неопределённость результата измерения связана не с процессом измерения, а с природой реальности — то есть элементарные частицы просто не обладают скоростью или импульсом до тех пор, пока эти величины не будут измерены. Акт измерения сужает весь спектр возможных значений до одного. Таким образом, согласно копенгагенской интерпретации, наблюдатель фундаментальным образом влияет на реальность, изменяя её. Такая интерпретация привлекательна с философской точки зрения и возвращает нас к вопросу о том, «слышен ли шум от падения в лесу, если этот шум некому услышать». Правда, попытки систематической экстраполяции квантовой неопределённости на макроскопические процессы приводят к выводам, которые кажутся, как минимум, эзотерическими и непроверяемыми.

С другой стороны эвереттовская многомировая интерпретация, которую популяризует в своих книгах Шон Кэрролл, подходит к трактовке эксперимента буквально: если, согласно расчётам, у эксперимента два результата (много результатов) — то почему бы не предположить, что их действительно два или много, а мы наблюдаем только один, поскольку именно он актуализировался в нашей реальности, тогда как в параллельных ветках реальности могут наблюдаться иные результаты? 

Серьёзная проблема с многомировой интерпретацией заключается в том, что она непроверяема. Мы не можем заглянуть в другие ветки реальности и даже не имеем никаких прямых доказательств, что они существуют. Эта проблема, сводящая эвереттовскую интерпретацию к философскому упражнению, описана, например, в статье «Мир расходящихся миров» Романа Фишмана, опубликованной в журнале «Популярная механика». Тем не менее, можно предположить, что проблема заключается не в реальности, а в самом наблюдателе, вернее, в его сознании. Если сознание имеет квантовую природу, то оно запутывается с наблюдаемой системой, и наблюдатель оказывается в ветке реальности, где кот жив или, напротив, умер, а из другой ветки реальности после акта измерения исключается.  

Таким образом, для проверки эвереттовской интерпретации нужен эксперимент, и именно такой (мысленный) эксперимент сформулировал Макс Тегмарк. Ниже я опишу его подробнее.

Квантовое самоубийство: мысленный эксперимент в постановке Тегмарка

Макс Тегмарк предложил представить «квантовое ружьё», которое всякий раз при нажатии на спусковой крючок измеряет спин частицы. Как известно, спин бывает верхним или нижним, и распределение таких направлений спина является вероятностным и совершенно случайным. Это устройство подключено к пулемёту, и всякий раз, когда спин оказывается нижним, из пулемёта делается одиночный выстрел, а когда спин оказывается верхним — прибор просто громко щёлкает.

Сначала в опыте используется мешок с песком. Экспериментатор располагает его перед пулемётом и просит ассистента спустить курок десять раз подряд. Согласно всем интерпретациям квантовой механики, должна получиться случайная последовательность выстрелов и щелчков.

После этого экспериментатор подставляет под пулемёт собственную голову и просит ассистента ещё десять раз измерить спин. При такой постановке опыта ему никак не выжить, только если не подтвердится многомировая интерпретация. При верности тех интерпретаций квантовой механики, где происходит объективный коллапс волновой функции, он будет убит в лучшем случае со второй-третьей попытки… но в многомировой интерпретации всё иначе.

В многомировой интерпретации можно со 100% вероятностью ожидать, что при всех десяти попытках экспериментатор услышит щелчок, а не выстрел, так как при каждом квантовом событии мир будет ветвиться надвое, и сознание экспериментатора — тоже. В каких-то версиях реальности ассистенту придётся избавляться от тела незадачливого физика, но сам физик в какой-то из веток реальности останется невредим и сочтёт, что многомировая интерпретация верна. Ассистент же в абсолютном большинстве реальностей осознает себя убийцей.

Иными словами, две интерпретации отличаются тем, как в них трактуется взаимодействие между квантовыми явлениями и человеческим сознанием. В вышеописанном эксперименте выстрел или щелчок обусловлены актом измерения квантового события, поэтому можно сказать, что экспериментатор убивает испытуемого собственным вмешательством в эксперимент.

В соответствии с копенгагенской интерпретацией, перед актом измерения спусковой крючок оказывается в суперпозиции, когда выстрел одновременно произошёл и не произошёл, и в данном случае «классическое» макроскопическое событие зависит от акта измерения микроскопического квантового события. Тем не менее, любой сторонний наблюдатель в результате эксперимента увидит живого или мёртвого учёного, но сам учёный непременно останется жив либо в нашей Вселенной, либо в альтернативной.

Полумёртвых котов не бывает

Мало того, что вышеописанный эксперимент противоречит здравому смыслу; здравый смысл также подсказывает, что не бывает ни полуживых, ни полумёртвых существ. Тем не менее, квантовая теория предсказывает именно такой исход, так как позволяет увязать классическое явление с квантовой суперпозицией, вернее, экстраполировать суперпозицию на макромир. Ситуация тем интереснее, что именно квантовые эффекты лежат в основе многих современных технологий, например лазера — то есть они проявляются в макромире, о чём в своё время писал на Хабре уважаемый @phenik Именно от этого противоречия открещиваются Бор, Мермин и другие сторонники копенгагенской интерпретации, пытаясь пользоваться точностью прогнозов квантовой теории, одновременно абстрагируясь от её противоречий. Здесь мы вновь сталкиваемся с идеей, которую пытались разрабатывать Роджер Пенроуз и Стюарт Хамерофф: как связаны сознание и коллапс волновой функции (конкретизация результата измерения). Эта тема настолько острая, что поднявший её на Хабре уважаемый @vsradkevich объявил, что совершает «хабра-харакири». Вероятно, он считал, что сообщество низложит его в read-only за вольнодумство, но в этой ветке реальности он получил за эту публикацию +13 (с моим участием), продолжает стабильно и интересно писать на Хабре, иногда улетая в небольшой минус. В любом случае, есть в нашем сознании что-то особенное, если оно позволяет нам осознать результат эксперимента, что может выглядеть как коллапс волновой функции. Но как быть с сознанием самого кота? Может ли так быть, что он смотрит на адскую машину, в ящике с которой оказался — но не схлопывает эксперимент, так как не понимает его смысла, а также не может совершить измерение? Может ли схлопнуть волновую функцию взгляд лягушки, взгляд мухи. Тем более, если эксперимент заснимет камера — волновая функция сколлапсирует, когда запись окажется скинута на диск либо когда эту запись просмотрит человек? Или не сколлапсирует вообще, поскольку запись эксперимента не есть эксперимент?

Квантовое бессмертие поневоле

Квантовое бессмертие — это идея, напрямую проистекающая из квантового самоубийства и многомировой интерпретации квантовой механики, идея довольно жуткая. Многомировая интерпретация буквально подводит нас к мысли, что в результате квантового самоубийства умереть невозможно — и, если после описанного опыта вы выжили, то, скорее всего, оказались в другой ветке реальности. Если же вы выжили после ста итераций этого опыта, то доказали справедливость многомировой интерпретации, но никто вам не поверит, так как за 100 попыток накопились триллионы таких веток реальности, в которых на той или иной итерации эксперимента вы погибли. Более того, этот эксперимент не даёт бессмертие, а лишь откладывает физическую смерть – конечно, если угасание сознания в умирающем мозге, в свою очередь, не является квантовым явлением. Если, напротив, околосмертный опыт и угасание сознания связаны с коллапсом волновой функции в микротрубочках мозга (по версии Хамероффа и, например, авторов этой статьи), то подтверждение многомировой интерпретации нас не обрадует. Но осмысливать её всё равно придётся.  

Уже собираясь публиковать этот странный текст, я обнаружил, что 1 июля из песочницы на Хабр пришёл уважаемый @black_warlock_iv со статьёй «В квантовой механике нет никакой магии». Эта статья показалась мне интересной и отнюдь не сводится к тезису «Наши ожидания — наши проблемы», хотя и заставляет о нём вспомнить. Автор очень интересно и доступно рассказывает об амплитудах и вероятностях, играющих важную роль в квантовых экспериментах, а в конце своей работы признаётся, что написал её, держа в уме перспективы «закрытия многомировой интерпретации, до которых ещё далеко». Я полностью согласен с автором в том, что квантовая механика не содержит магии, более того, это даже не та «достаточно продвинутая наука, которая неотличима от магии». Но до окончательного разрешения указанных Тегмарком парадоксов закрывать многомировую интерпретацию преждевременно, и я надеюсь, что разрешить их всё-таки удастся.