Удивительные числа Вселенной - Антонио Падилья

о двойниках (вы еще помните их?). Теперь мы знаем, что корги и окружающая среда в итоге представляют собой суперпозицию запутанных состояний. Это пример чистого состояния. Несмотря на свою сложность, оно все же ведет себя как волна и содержит полную информацию об истинном квантовом состоянии собаки и среде, в которой находится. Однако в реальности чистое состояние для больших систем нам никогда точно не известно. Отслеживание такого количества квантовой информации нецелесообразно, а иногда и невозможно, особенно когда вокруг существуют черные дыры, уничтожающие информацию о своих узниках. Чтобы справиться с этим, нам нужно воскресить дух Больцмана. Иными словами, взять средние значения.

В рассказанной истории главная забота королевы — благополучие любимого питомца. Ее не интересует точное состояние атомов собаки, молекул воздуха, которые ее окружают, или ящика, в котором она находится. И уж точно ее не волнует состояние радикально настроенной группы преподавателей естественных наук, захвативших ее корги. Чтобы описать квантовое состояние здоровья собаки и просто здоровье животного, ей нужно проигнорировать лишнее и определить средние значения. Для этого требуется взять все возможные среды, сцепленные со всеми возможными состояниями ее любимого корги, и вычислить их средний вклад. Что останется в итоге? Она получит так называемое смешанное состояние. По сути, это список возможных состояний, связанных с благополучием корги (например, состояние мертвой собаки или состояние живой собаки), и соответствующие вероятности. Эти вероятности дают ей представление о том, что можно увидеть, если в конце концов заглянуть внутрь ящика.

Возможно, вам покажется, что такие смешанные состояния не особо отличаются от чистых, о которых мы говорили выше, но это не одно и то же. Чистое состояние — настоящая волна, суперпозиция, когда одна рябь накладывается на другую и дает новую, более сложную, но все-таки волну. Смешанное состояние — просто какой-то список, а не суперпозиция. Оно не ведет себя как волна. Когда мы думаем о каком-то чистом состоянии, описывающем собаку и среду, безусловно, существуют суперпозиции, в которых мы можем рассматривать собаку как одновременно живую и мертвую. Однако когда мы начинаем думать о смешанном состоянии, описывающем только собаку, мы не можем в реальности сказать, мертва она или жива, или даже говорить о какой-то комбинации этих двух свойств. Причина в том, что у нас нет абсолютно никакого представления. Мы можем выдать список некоторых конкретных чистых состояний, в которых, на наш взгляд, корги может находиться, и соответствующих вероятностей, но это максимум, что в наших силах.

Один из способов лучше понять это — вообразить, что вы слушаете Let It Be, классическую песню The Beatles. Вы пользуетесь наушниками, которые действуют так: в одном воспроизводится пробирающая до глубины души фортепианная музыка, а в другом звучит Пол Маккартни, который поет а капелла, с характерным очарованием выговаривая мудрые слова. Если вы наденете оба наушника сразу, вы, естественно, услышите суперпозицию (наложение) обоих звуков и сможете насладиться песней в том виде, в котором она появилась в чартах 1970 года. Каждый из этих звуков можно рассматривать как чистое состояние: инструментальная партия фортепиано, пение Маккартни, а также великолепное сочетание того и другого. Все три представляют собой суперпозицию волн — только звуковых, а не волн вероятности, как в квантовой механике.

А теперь представьте другой сценарий, в котором вы случайно сломали наушники, так что один из них не работает. Вы не знаете, какой звук должен быть в том или ином наушнике, и поэтому до включения записи не знаете, какой из двух компонентов будет отсутствовать. Вы потеряли часть информации. Теперь у вас есть смешанное состояние: это список из двух чистых состояний — фортепианной инструментальной партии и пения Маккартни, и в оставшемся наушнике музыка и пение могут прозвучать с вероятностью 50 процентов.

Чистое состояние говорит вам все, что нужно знать о квантовой системе. Если угодно, это полная квантовая информация. Конечно, это не означает абсолютной предопределенности в результатах эксперимента. Они все еще окутаны вероятностью, поскольку в квантовой механике чистое состояние — это волна вероятности, и она не может сказать вам, где появится электрон. Максимум, на что она способна, — сообщить вам, где электрон появится с большой вероятностью. С другой стороны, в смешанном состоянии квантовая информация фактически отсутствует. Мы не можем даже уверенно сказать, какая конкретная суперпозиция описывает систему, потому что это знание сцеплено с непознаваемой средой. Если нас волнует только вопрос, мертва собака или жива, то существует куча ненужной информации, о которой нам незачем беспокоиться. Наши знания неполны, ну и что с того? Смешанное состояние дает нам представление о том, чего можно ожидать, когда мы выполняем важные для нас измерения.

Я взял вас в трудное квантовое путешествие вглубь микроскопического мира вероятностей и неопределенностей и заверяю, что это не просто любопытная прогулка. Оно важно для цели обнаружить вашего двойника и понять, кто он и кто вы. Теперь мы знаем, что вас нельзя идентифицировать с помощью определенного расположения атомов, потому что такое описание невозможно. Для этого требуется знать точное положение и импульс всех частиц в человеческом организме, а это запрещает квантовый закон Гейзенберга. В реальности мы должны думать о себе как о сложном квантовом состоянии, управляемом волнами вероятности, которые накладываются друг на друга. Но нужно ли в реальности знать все об этом сложном состоянии, чтобы иметь возможность сравнить себя с двойником? Нужно ли, чтобы вы были чистым состоянием?

Где ваш двойник?

Кто есть вы? Что значит быть таким же, как вы? Например, у меня есть брат Рамон, и у нас много общего в ДНК. Нам нравится панк-группа Stiff Little Fingers, мы болеем за футбольный клуб «Ливерпуль». Если бы это было все, что нас интересует, мы оказались бы двойниками. Однако по многим другим параметрам мы различаемся: например, моя шея чудовищно длинная, а у него нормальная. Но если мы собираемся рассматривать истинных двойников, нельзя мириться с любыми различиями. Впрочем, как мы увидим, на деле это может оказаться опасной игрой.

По сравнению с электроном вы — большой объект. Этого и следовало ожидать. Чтобы сконструировать нечто столь же сложное, как человек, читающий эту книгу, требуется очень многое: кварки, из которых состоят протоны и нейтроны; глюоны, которые их связывают; атомные ядра, окутанные вероятностными облаками электронов; атомы, соединенные в сложные молекулы; триллионы этих молекул, которые образуют множество клеток организма. Ситуацию усложняет то, что все эти объекты сцеплены с окружающим миром. Помните, как в школьные годы по классу распространялась какая-нибудь сплетня? Часто она принимала форму бумажки, на которой было написано