История о том, как я решал проблему измерения.
По мотивам статьи arxiv.org/abs/2603.15628
1. Деление
Всё началось с отливки великих формализмов для квантового описания атома. Один - матричная механика Гейзенберга, устанавливающая вероятности, с которыми атом покажет те или иные наблюдаемые свойства. А другой - волновая механика Шрёдингера, где электрон в атоме представлялся в размазанном по пространству виде (волновая функция) и никаких вероятностей не было.
Вообще говоря, Шрёдингер был наследником идей Гамильтона о том, что вся материя - это, на самом деле, волны, которые просто находятся в локализованных состояниях (сгустках) и с точки зрения больших масштабов выглядят, как частицы. Свою волновую функцию (а точнее, квадрат её модуля, это важно) он трактовал как простое распределение плотности заряда: на масштабах атома электрон размазан по пространству, но в макроскопике мы получаем небольшую область (читай, частицу-точку), в которой электрон сконцентрирован весь, и у этой области полный заряд равен заряду электрона. Складно, красиво, но из уравнения Шрёдингера локализованные электроны не хотели так же локализованно лететь по пространству. Вместо сгустков заряда, которые бы соответствовали частицам, уравнение Шрёдингера "размазывало" электрон в свободном полёте по всё большему и большему объёму, если электрон откреплялся от атома.
Более того, Шрёдингера ждала ещё более страшная проблема. Сторонник детерминизма, он не любил наличие случайных процессов в механике Гейзенберга и его вероятностей для наблюдаемых, поэтому показал, что эта матричная механика выводится из его точного, детерминистского уравнения в своём лучшем виде. Однако вместо того, чтобы очистить квантовую механику от вероятностей, уравнение Шрёдингера само заразилось ими в виде вскоре введённого правила Борна. Это правило Борна заменяло красивую мысль Шрёдингера о плотности заряда на вероятность найти сразу весь заряд целиком в данной точке (а не часть заряда, которая до этой точки размазалась), и волновая функция обратилась против идей её создателя.
Однако в какой момент электрон, находящийся с какой-то вероятностью в каждой точке занимаемого пространства, действительно оказывается в конкретном месте? Иными словами, когда происходит выбор из вариантов, описываемых вероятностями волновой функции? Ведь мы вокруг нас, в большом мире, видим именно такие объекты - со 100% определённостью находящиеся или здесь, или там. Однако если оставить волновую функцию саму по себе, она так и будет жить припеваючи - как говорят физики, эволюционируя унитарно. В уравнении Шрёдингера нет ни намёка на подобные случайные события, оно абсолютно детерминистично. Если частица с вероятностью 1% столкнулась, например, с ядром атома, ядро атома перейдёт в суперпозицию - с вероятностью 1% оно будет в состоянии отлетания, а с вероятностью 99% - в состоянии покоя. Вместо случайного события все соучастники квантовой жизни просто приобщаются к суперпозиции, и вероятности не реализуются, оставаясь вероятностями.
Здесь появляется решение Бора: выбор между вероятными исходами происходит при взаимодействии квантовой системы с классическим (в смысле "большим", неквантовым) измерительным прибором, который в суперпозицию уж точно перейти не может. Если частица находится с вероятностью 50% там и с 50% здесь, то когда измерительный прибор померит частицу здесь, произойдёт коллапс - иными словами, бросок монетки. После коллапса частица будет либо гарантированно здесь, либо уж точно там, и прибор покажет определённо да или нет. Никаких промежуточных состояний.
2. Синтез.
Но если бы всё было так просто, было бы гораздо проще. Предположим следующий сетап: есть изолированный ящик, внутри кот, бутылёк с ядовитым газом и измерительный прибор (расположенный здесь), который разбивает яд, когда регистрирует квантовую частицу. Мы создаём эту частицу в суперпозиции состояний здесь и там, а потом на миг забываем про мысль Бора: для нас прибор теперь является кучкой вполне себе квантовых частиц, из которых он собран. А если он собран из квантовых частиц, то по законам унитарной эволюции он не умеет выбирать вероятность - он просто переходит в суперпозицию "сработал/не сработал". Кучка квантовых частиц, из которых собран яд, переходит в суперпозицию "разлетелся/не разлетелся". В суперпозицию "жив/мёртв" переходит и неквантово большой кот (тоже кучка частиц).
И вот здесь начинаются проблемы. С одной стороны, мы точно знаем, что в какой-то момент определённый выбор исхода должен случиться. Желательно ещё, чтобы он случился ещё до того, как суперпозиция дойдёт до кота. На худой конец, случайное событие должен спровоцировать кот. Но всегда, абсолютно всегда (если мы пользуемся только уравнением Шрёдингера) аргумент "большой объект - это кучка квантовых частиц" откладывает такое событие всё дальше и дальше по шкале масштабов. За котом в суперпозицию перейдёт человек, открывший коробку, друзья человека, которым он рассказал о состоянии кота и так далее. Где наступает момент, когда "много частиц" - это "достаточно много"?
Вкратце скажу о том, что существует огромное количество интерпретаций квантовой механики, которые претендуют на решение этой проблемы силами переосмысления используемой математики. Однако все они страдают либо от философских причин (например, требуют наличия достаточно плохо определённого агента измерения), либо от причин технических (банально не воспроизводят правило Борна, которое численно выражает вероятности). За сотню лет интерпретаций развелось великое множество, но ни одна из них ещё не смогла решить проблему честно - и поэтому я, следуя Французову и Нечипоренко, буду говорить, что поиск интерпретации не есть правильный путь.
Правильный путь, который физики избирали испокон веков - доработать, собственно, физику.
Доработать, естественно, каким-нибудь дополнительным правилом, по которому коллапс случается сам по себе в некоторый момент в куче квантовых частиц, которые без этого правила просто бесконечно входили бы в суперпозицию, вводя в неё всех своих соседей. Так появились многочисленные теории, которые я буду называть теориями событий, так как они вводят некоторое событие - необратимое, случайное и мгновенное. Именно когда случается событие, Бог бросает кости, и суперпозиция становится определённостью.
Все известные теории событий в какой-то момент вводят порог, после которого система становится достаточно большой; если меньше - объект условно квантовый, и останется в суперпозиции надолго, а если больше - быстро случится событие и всё порушит. Оригинальных и красивых способов сделать это было придумано очень и очень много, однако все они страдают от разнородных экспериментальных данных, не дающих хорошо оценить этот самый порог. То объект с квантовыми свойствами оказывается слишком большим (например, молекулы C60, интерферирующие, как волны), то наоборот - маленький объект начинает проявлять вполне классические свойства (например, атом гелия в газе). Терминальной стадией проблемы является исследование, за которое в 2025 году присудили Нобелевскую премию - там квантовые явления проявляла волновая функция из миллиардов электронов-дырок, простиравшаяся на расстояния порядка сантиметра. Уж точно больше вполне неквантовых пылинок.
И вот здесь ситуацию может спасти модель ЧиВи, ссылка на которую была в самом начале. ЧиВи - это Chinese Whispers, одно из английских названий игры в глухой телефон. Суть её заключается в простом принципе: неквантовая система не оттого большая, что содержит много частиц, а оттого, что эти частицы присоединяются к суперпозиции по очереди. Скажем, тот же кот, вдохнувший яд - атомы в кончике хвоста кота поймут о том, что кот умер, гораздо позже, чем атомы в клетках лёгких, которые начнут погибать от вдыхаемого яда практически сразу же. Или не погибать - таки суперпозиция. Такого кота можно рассматривать как длинную вереницу атомов, которые играют в глухой телефон, передавая друг другу информацию о суперпозиции - и на каждом этапе телефон может "сломаться". Молекула яда (которая с вероятностью 50% здесь, а с 50% - там, в ещё целом бутыльке) отравила первую клетку в теле кота? Бросаем кубик, выпало 4 и меньше - суперпозиция нарушается, выбираем случайный исход, который теперь 100% правда. Выпало 5 или 6? Повезло, клетка тоже в суперпозиции - но дальше есть соседняя клетка, которая ждёт от предыдущей клетки, например, питательное вещество. Живомёртвая клетка в суперпозиции передаёт/не передаёт питательное вещество - и это вовлекает в суперпозицию и эту, новую клетку. Снова бросаем кубик. Клеток много, и на масштабе кота вероятность на всех без исключений выбросить больше 4 на кубике исчезающе мала - а значит, и кот квантовые свойства не проявляет.
Как же объяснить квантовые свойства больших молекул? Очень легко. Если вам удалось создать такую молекулу в состоянии суперпозиции, то она в нём и останется, пока не попытается вовлечь в эту же суперпозицию что-нибудь ещё. Как ввести её в суперпозицию изначально? Направьте молекулу на две достаточно узкие щели и бросьте кубик. Выпало 5 или 6 - вам удалось, молекула разделилась на здесь и там, если же нет - случается событие, молекула оказывается в конкретной щели и интерферировать не будет. Кстати, именно по таким экспериментам вероятность события и была оценена экспериментально.
Таким образом, модель ЧиВи проводит квантово-классическую границу размеров неявно - через количество этапов процесса, в котором система вовлекается в суперпозицию. Она согласуется с экспериментом, разрешает столетний спор о моменте, когда случается событие, и не имеет недостатков прочих подобных теорий. Конечно, рано или поздно недостатки объявятся и у неё - однако это уже совсем другая история.
#физика #квантоваяфизика #наука #котшрёдингера #научпоп #квантоваямеханика