Роль спостерігача у квантовій механіці

Олексій Мазур

Головна проблема квантової механіки - це питання про те, що відбувається в момент редукції хвильової функції. Чому плоска хвиля електрона «реалізується» в одній точці фотопластини? Чи є наша нездатність «вирахувати», яка саме з наявних можливостей «реалізується», фундаментальним законом природи, або ж наслідком недосконалості використовуваних нами методів та приладів. Сам процес редукції так само не вловив, як лінія горизонту або підстава веселки. В якій момент він відбувається? У момент взаємодії хвильової функції з фотопластини, що є «класичним» об'єктом, або ж у момент «спостереження» експериментатора за фотопластини? І чим же так виділений «спостерігач», що йому дано право вибирати за яким з можливих шляхів піде світ далі?

Давайте спробуємо розібратися, де проходить межа між «класичним» і квантовим об'єктом. Під час перебування студентами (а саме тільки студенти, мабуть, у наш час і задаються такими питаннями), мій батько В. А. Мазур і його друг А. В. Гайнера міркували приблизно так. Процес «спостереження» - це є процес взаємодії хвильової функції з приладом, який має настільки складну хвильову функцію, що розрахувати її немає жодної можливості. Тому він є класичним об'єктом. Результат взаємодії хвильової функції електрона з таким об'єктом непередбачуваний і носить імовірнісний характер, але не тому, що це є фундаментальний закон природи, а тому, що наші методи дослідження недосконалі. Бажаючи спростити модель «спостереження», вони гіпотетично поставили такий експеримент. Беремо плоску хвилю електрона, що падає на ідеально плоску фотопластини, що складається з атомів водню, розташованих у шаховому порядку. Всі атоми знаходяться в основному стані. Обчислити результат взаємодії не складає великих труднощів. Хвильова функція пластини після взаємодії являє собою суму N (де N -- число атомів у пластині) доданків, кожне з яких має «вагу» 1/N. Перше доданок - атом номер 1 збуджений, інші - в основному стані, другий доданок - атом номер 2 збуджений, інші - в основному стані і т.д. Висновок, що звідси зробили мій батько і А. В. Гайнера - така пластини не є класичним об'єктом, а залишається квантовим, реальні ж пластини влаштовані досить складно, щоб бути класичними.

Я ж пропоную довести їх гіпотетичний експеримент до кінця, і розглянути, що буде після взаємодії цієї пластини з спостерігачем. Звичайно, змоделювати хвильову функцію спостерігача нам не під силу. Але деякі аналогії здаються досить очевидними. Отже, наш «квантовий» спостерігач подивився на цю фотопластини. Що станеться з його хвильової функції? Як легко можна зрозуміти, вона розпадеться на N доданків. Умовно їх можна назвати так: перший доданок - спостерігач бачить збуджений атом номер 1, другий доданок - спостерігач бачить збуджений атом номер 2 і т.д. Знову, здавалося б, момент редукції від нас вислизнув. Але давайте розглянемо суб'єктивні відчуття спостерігача. Припустимо, він провів цей експеримент три рази. Як легко бачити, його хвильова функція має вже N в кубі доданків. І ось тут і сталася редукція. Припустимо, що він зустрів «класичного», а не «квантового» спостерігача, який запитав у його результати цих експериментів. І від N в кубі доданків нашого «квантового» спостерігача залишиться тільки одне. Але зауважте - він буде твердо впевнений у тому, що в першому випадку він бачив порушеною атом, скажімо номер 27, у другому - 3, а в третьому - 137. Ніяких спогадів про інші доданків своєї хвильової функції в ньому не залишиться. Про цих своїх «Суб'єктивних» відчуттях він і розповість «класичного» спостерігачеві.

Звідси ми бачимо, що процес редукції може бути зовсім не пов'язаний з процесом «спостереження». У момент «спостереження» не спостерігач «вибирає» одне з можливих станів світу, а сам «розпадеться» на складові. Кожне з цих доданків відповідає складовою «вимірюваного» об'єкта. Припустимо, що редукція відбувається взагалі дуже рідко. Раз на рік, наприклад. Всі спостерігачі, і ми з вами, в тому числі, після редукції та уявлення не будемо мати про те, що наші хвильові функції мали інші, «нереалізовані» складові.

Очевидно, що особливої необхідності в «реалізації», як такої, немає. Вона виникала з суб'єктивного відчуття тих спостерігачів, які «бачили» як з рівноймовірно можливостей випадковим чином «реалізується» тільки один. Адже жодна з доданків хвильової функції спостерігача не містить інформації про інші доданків.

Тут ми упираємося в питання про те, що таке «я» спостерігача. Легко зрозуміти, що «Суб'єктом» є не весь ансамбль «доданків», а лише одне з них. Причому - Будь-яке. Тобто, людина являє собою не «світову лінію», а «дерево», причому точками розгалуження є моменти «спостережень», простіше кажучи - моменти взаємодії з навколишнім світом. І стосується це, як ви розумієте, не тільки людей.

Картина світу, яка з'являється після усвідомлення вищевикладеного, виглядає зовсім фантастично. Все, що могло статися - сталося. Усі втрачені можливості були реалізовані, вони існують в одному світі і просторі з нами, але ніякого впливу на нас не впливають. І, треба визнати, що ця картина світу є прямим наслідком законів квантової механіки, а не дозвільними домислами псевдонаукових фантастів.

Скептики, звичайно, можуть сказати - а які наслідки з цих міркувань? Ніякого практичного значення вони не в собі не несуть. Це не зовсім так.

По-перше, стає очевидним, що немає межі між квантовим і класичним об'єктом. Момент редукції для нашого суб'єктивного «Я» відбувається дійсно в момент спостереження. Але це не ми щось робимо зі світом, а світ щось робить з нами. Але для простоти можна залишити поняття редукції і пишатися тим, що кожен «Реалізує» свій світ.

По-друге, легко пояснюється той експеримент, який був поставлений чи то наприкінці сорокові, чи то на початку п'ятдесятих. Якась частинка, розпадалася на два осколка, кожен з яких летів в протилежних напрямках. Так, як у момент розпаду частка лежала, то всі напрямки польоту 1-го осколка були рівноймовірно. Але ось другий, відповідно до закону збереження імпульсу, повинен був летіти в строго протилежному напрямку. Детектори, що вловлюють осколки, були поставлені так, щоб різниця часів між «упійманням» осколків була меншою, ніж потрібно світла, щоб дійти від одного детектора до другого (щоб виключити можливий вплив результатів на одному детекторі на результати на одним). Парадокс був у тому, що хвильові функції двох осколків «Реалізовувалися» узгоджено один проти одного, згідно з законами збереження, але ставлячи в безвихідь фізиків - як хвильова функція осколка номер два «дізнається» про що сталася редукції хвильової функції осколка номер один? Дізнається швидше за швидкість світла?

Як ми тепер розуміємо, редукція осколка номер два відбувається не в момент його взаємодії з детектором, а в момент взаємодії спостерігача з детектором, так що причинно-наслідкові зв'язку не порушуються.

P.S. До жаль, останні сім років автор не мав можливості стежити за розвитком фізики. Але, начебто, аналогічна трактування квантової механіки вже висунуто Евереттом (?), З працями якого автору поки не вдалося ознайомитися.

Список літератури

Для підготовки даної роботи були використані матеріали з сайту http://www.nt.org/