Очередная компиляция из цикла «Догмы и ереси в науке как религии». Материал «о догме», непосредственно дополняющий, можно сказать, предыдущий текст «о ереси».

Нынешнюю подборку текстов можно считать непосредственным продолжением материала «Ересь Джона Белла» [1]. Но только здесь рассказывается уже не о выдающемся ирландском теоретике и его еретических идеях, а о том, как происходила дальше научная революция, потребовавшая преодоления застывших догм в умах коллег-ученых. Прежде всего, в умах физиков-экспериментаторов.

Главный герой данного материала – французский ученый Серж Арош. Биография этого исследователя сложилась так, что в 2012 году именно ему – совместно с Дэвидом Вайнлендом – довелось стать первым в истории науки лауреатом Нобелевской премии по физике, кому этот почетный приз был присужден за явное и убедительное опровержение давно устоявшихся догм квантовой теории. Подчеркивать данный факт, впрочем, обычно не принято. Подробный рассказ о столь занятном казусе можно найти в материале «Время искать ответы» [2].

В том же самом году, но только чуть раньше – с февраля по май 2012 – пара ученых-энтузиастов из университетов Швейцарии и Германии, Филипп Бланшар и Юрг Фрёлих, организовала цикл семинаров и лекций-диспутов, посвященных свежим достижениям и проблемам квантовой физики – под общим названием «Послание квантовой науки: попытки в направлении синтеза». Местом проведения этих международных мероприятий, собравших многих видных теоретиков и экспериментаторов, стал «Центр междисциплинарных исследований» Университета Билефельда, Германия.

Содержание докладов и дискуссий оказалось столь интересным и содержательным, что материалы этого цикла было решено опубликовать отдельной книгой, вышедшей из печати в 2015 году [3]. Ну а развернутое предисловие к этому сборнику согласился написать Серж Арош – теперь уже в качестве общепризнанного авторитета и нобелевского лауреата.

Что же касается другого – краткого – предисловия к тому же сборнику, подготовленного его редакторами и по совместительству организаторами всего данного проекта, Бланшаром и Фрёлихом, то они во вводной части среди главных причин, сподвигнувших их на эту работу, назвали такие.

[Начало цитаты]

Кто-то вполне мог бы сказать, что Квантовая Механика уже настолько прочно утвердилась и понята, что любые попытки опубликовать книгу вроде этой – все равно что отправляться «в Тулу со своим самоваром»… И однако же, очень часто случается так, что когда достигшие зрелости физики – и в особенности теоретики – начинают обсуждать проблемы, касающиеся основ и интерпретаций квантовой механики, то довольно быстро дискуссия приходит к состоянию неразберихи, а бесплодные попытки прояснить картину становятся все более и более эмоциональными.

В недавно изданной Энциклопедии Математической Физики, в вводной части к статье «Квантовая теория», об этой ситуации сказано такими словами: «Квантовая механика сегодня – это тщательно проверенный и невероятно успешный инструмент … однако внутренняя согласованность этой науки по-прежнему так и базируется на шатком основании».

Таким образом, среди множества причин для организации нынешней программы семинаров по Квантовой Науке одной из главных была такая. Мы действительно полагаем, что в теории имеется весьма много проблем, касающихся основ и интерпретаций Квантовой Механики. Таких проблем, которые все еще весьма нас озадачивают и даже близко не поняты в той степени, какая здесь быть должна.

Другой комплекс причин того, почему мы так стремились собрать для дискуссии специалистов по квантовой физике – это волнующие достижения экспериментальной науки. За последние годы мы стали свидетелями существенного прогресса в таких исследованиях «квантового мира», которые прежде были для ученых просто недоступны.

Эти успехи в гигантской степени расширили наши возможности в том, что касается тестирования фундаментальных особенностей Квантовой Механики, квантовых многотельных систем и особенностей манипулирования квантовыми системами, такими как отдельные атомы, атомные газы и фотоны света.

Зачастую основой для прогресса становились важные экспериментальные и технологические успехи в применении эффектов электромагнетизма. В частности, в области квантовых свойств и взаимодействий электромагнитного поля с материей: новые лазеры и лазерное охлаждение, оптические решетки и магнитные ловушки, резонаторы, микроскопия и так далее. Еще одна важная основа прогресса – достижения в области полупроводниковых технологий.

Успехи по первому направлению привели, например, к экспериментальному освоению конденсатов Бозе-Эйнштейна в атомных газах, захваченных в магнитные ловушки. К открытию и освоению других экзотических квантовых жидкостей. К конфигурациям искусственных кристаллов, состоящих из атомов, зафиксированных в ячейках оптических решеток. А также к другим волнующим и многочисленным открытиям в делах манипулирования квантовыми системами.

Успехи по второму – полупроводниковому – направлению предоставили исследователям новые квантовые жидкости с эффектом Холла (то есть 2-мерные электронные газы, демонстрирующие квантовый эффект Холла), а также новые возможности в манипуляциях этими вещами и в исследовании их свойств. Например, от определения дробных зарядов квазичастиц и вплоть до открытия таких новых состояний материи в двух и трех измерениях, которые получили название «топологические изоляторы». Здесь же можно упомянуть и открытие графена с его экзотическими квантовыми свойствами – такими как появление квазичастиц типа «релятивистских фермионов Дирака»…

Таким образом, главная цель всей нашей программы была в том, чтобы собрать вместе экспериментаторов и теоретиков, изучающих фундаментальные аспекты квантовой физики, и дать им возможности для обзора и обсуждений нынешнего состояния дел в науке. Дабы этим привлечь наше внимание к некоторым очень важным и по-прежнему открытым проблемам в областях их непосредственных исследований.

Philippe Blanchard
Jurg Frohlich

[Конец цитаты]

Уже из этого краткого предисловия внимательный читатель способен, вероятно, ухватить две весьма существенные вещи, которые в явном виде почему-то авторами не озвучены.

Во-первых, именно благодаря несомненным и внушительным успехам физиков-экспериментаторов их коллеги-смежники, то есть физики-теоретики, пусть медленно и со скрипом, но все-таки вернулись к серьезному обсуждению и попыткам пересмотра фундаментальных основ квантовой теории. То есть к «табуированной теме», по сути утопленной на многие десятилетия адептами Копенгагенской интерпретации.

Во-вторых, ни один из упомянутых успехов экспериментаторов абсолютно никак не связан с физикой высоких энергий и ускорителей-коллайдеров. Напротив, все эти свершения достигнуты в области «холодной и сверх-холодной» физики, где ученым удается непосредственно манипулировать тонкими квантовыми феноменами.

Ну а в третьих, наконец (о чем авторы предисловия, естественно, написать не могли по-любому), можно говорить, что именно эта пара факторов обеспечивает разворот фундаментальной науки к существенно новому взгляду на начало вселенной – уход от концепции Большого Взрыва к идее холодного зарождения. Или к идее «пробуждения ото сна» для начала очередного цикла эволюции, выражаясь более образно и адекватно.

Перестройка фундаментальных основ науки, впрочем, это дело будущего и дело небыстрое. Пока же теоретикам еще только предстоит осмыслить все то, что им предъявляют и чему их учат физики-экспериментаторы. Ну а один из важных начальных вкладов в весь этот процесс внес ученый по имени Серж Арош. К предисловию которого – с рассказом «как все это было» – и пора переходить.

[Начало цитаты]

Главный парадокс квантовой физики сводится к контрасту между её экстраординарной мощью и её странностью. Всякий физик согласится, что это наиболее успешная теория из всех, когда-либо придуманных человеком. Она дала нам ключи к пониманию микроскопического мира и к созданию на основе этого понимания тех современных технологий, которые произвели революцию в нашей жизни.

В самом деле, ныне вряд ли найдется хоть один аппарат, который отчасти или целиком не опирался бы в своей работе на квантовые феномены. Лазеры и компьютеры, атомные часы и навигация GPS, магнитно-резонансное сканирование и сотовые телефоны – это всего лишь некоторые из примеров, где тем или иным образом применяются квантовые концепции. Причем для классического физика принципы работы всех этих вещей невозможно было бы даже вообразить.

И однако, несмотря на всю эту гигантскую мощь, квантовая физика остается в высшей степени контр-интуитивной, приводя ко множеству конфликтующих друг с другом интерпретаций, некоторые из которых обсуждаются и в данной книге.

Та напряженность, что ощущается между двумя данными аспектами квантовой физики, между её мощью и её странностью, постоянно присутствует на протяжении вот уже 100 лет, с тех пор, как эта теория у нас появилась.

В формообразующие годы (примерно с 1900 по 1930), причудливые квантовые концепции породили яростные дебаты между отцами-основателями. Затем, когда успехи вычислений на основе квантовых идей стали очевидными и повсеместными (с 1930-х по 1970-е), дискуссии об интерпретациях переместились на задний план, а большинству физиков для понимания и освоения мира было вполне достаточно просто использовать этот мощный инструмент, не особо вникая в неясные глубины теории. Слова «Заткнись и вычисляй!» стали главным девизом этого периода.

Та часть физиков, включая Эйнштейна и де Бройля, что билась над примирением квантовых концепций со своими идеями о природе физической реальности, оказалась в явном меньшинстве. Вместе со своими учениками и последователями они потеряли контакт с мейнстримом научных исследований того времени, и можно утверждать, что они не сделали сколь-нибудь заметного вклада в гигантский прогресс физики того периода.

Ричард Фейнман, лидер успешной физической школы, которая использовала квантовые концепции без всяких лишних вопросов, мог отвергать их усилия, заявляя, что все парадоксы, с которыми они сражаются, это просто противоречия между тем, какой Природа является и тем, какой хотят видеть её они [4]. Иными словами, Фейнман был вполне согласен со знаменитой фразой Бора, которую тот, как принято считать, выдал Эйнштейну: «Да перестаньте вы говорить богу, что ему делать со своими игральными костями»…

Но в то же самое время и Фейнман, однако, признавал странность квантовой физики – когда говорил, что на самом деле квантовую физику не понимает никто. В этих несколько лукавых и провокационных словах, опять-таки, слышен отзвук и другой знаменитой фразы Нильса Бора: «Всякий, кто не был шокирован квантовой теорией, просто её не понял».

Столь странное положение дел хорошо иллюстрирует и анекдот от Стивена Вайнберга, который тот рассказывает в одной из своих книг. В кабине университетского лифта, поднимающего людей на этаж физического факультета, он однажды повстречал коллегу и своего бывшего студента, с которым давно оборвались контакты. После того, как студент вышел, Вайнберг спросил у коллеги: «А что случилось с этим парнем?». На что коллега ответил: «Эх, для физики он потерян, его заинтересовали все эти вещи с Интерпретацией»…

Здесь необходимо сказать, что на протяжении всех моих ранних лет работы в физике я был вполне преданным адептом доминирующей школы «заткнись и вычисляй». Вне всяких сомнений, причиной тому было то, что я изучал квантовую механику на основе книг Мессии, а также непосредственно на лекциях Клода Коэна-Таннуджи (который в тот период еще не написал собственного учебника по данному предмету). [Прим. переводчика: позднее Коэн-Таннуджи станет Нобелевским лауреатом по физике за 1997 год.]

Клод описывал принципы с великой ясностью и использовал их очень эффективно – чтобы приводить нас прямо к вычислениям, объясняющим важные эффекты и красивые исторические эксперименты. Когда же я под его руководством начал мои собственные исследования для подготовки диссертации, а затем и позднее, уже в собственной лаборатории со своими студентами, я обнаружил, что квантовые вычисления позволяют мне с высочайшей точностью предсказывать то, как ведут себя атомы в резонансных ячейках, с которыми я экспериментировал.

Тогда я не мог видеть эти атомы непосредственно, но все наблюдения указывали на тот факт, что атомы определенно там находятся и делают в точности то, что предсказывает для них квантовая механика. Среди тех экспериментов, в частности, были и такие, где наблюдались каскады фотонов, последовательно испускаемых атомами по мере того, как они шаг за шагом распадались из возбужденного состояния. Структура этого излучения поляризованного света предсказывалась – причем предсказывалась прекрасно и точно – с помощью довольно простых вычислений на основе квантовой теории.

В тот же период к Коэну-Таннуджи приехал с визитом молодой и полный энтузиазма аспирант, работавший в другой лаборатории в Орсэ. Его интересовало, как бросить вызов законам квантовой физики – причем с помощью таких же точно экспериментов, но только ему они позволили бы изучать корреляции между фотонами, излучаемыми атомами во флюоресцентном каскаде.

Ален Аспе, так звали того аспиранта, пытался устроить в лаборатории эксперимент, предложенный одним физиком из ЦЕРНа по имени Джон Белл. Тогда еще Клод ничего не знал про Белла, ну а я тем более. Аспе же с этим своим экспериментом пытался улучшить более раннюю работу аналогичного типа, проведенную американским физиком Джоном Клаузером.

К чести Клода, которого все мы считали «папой» ортодоксальной квантовой физики, он не только не стал разубеждать Алена Аспе, но и на самом деле стал всячески способствовать ему в проведении этого эксперимента. Клод рассказал мне об этом, и я помню, что был сильно озадачен услышанным.

Ведь я и сам был способен легко тут вычислить, что предсказывала квантовая физика в столь простой ситуации. И то, что результат может оказаться иным, было для меня просто немыслимым.

Логика моих рассуждений также была проста. Если неравенство Белла является верным, а квантовая механика ошибается в этом простом случае, то как же могло получаться, что прежде её предсказания подтверждались в тысячах разных экспериментов (включая и мои собственные), где атомные каскады излучений наблюдались при подобных условиях? Тогда нам потребуется выстраивать новую теорию, которая должна по-прежнему быть в согласии со всеми теми данными, что уже накоплены, и в то же самое время она должна объяснять, почему в конкретных условиях эксперимента Аспе она приводит к получению существенно иного результата…

Позднее мне удалось понять, каким образом Аспе (а также и поощрявший его усилия Клод) оказались все равно правы, даже если в конечном итоге эксперимент Алена подтвердил верность уже имеющейся квантовой физики.

В большинстве экспериментов, проводившихся до этого, наблюдения имели дело с большими массивами образцов, содержавшими гигантское количество атомов, а записывались только усредненные сигналы. Эксперимент же Аспе был одним из первых, где внимание сфокусировано на корреляциях между фотонами, излучаемыми атомом в отдельном единичном событии (эти корреляции усредняются позднее, по результатам многократных проведений одного и того же эксперимента – ибо именно так выстраивается выражение, нарушающее неравенство Белла в полном согласии с квантовой теорией).

Вместо первичного усреднения данных и оценки взаимосвязей между этими средними, Ален Аспе регистрировал и записывал индивидуальные корреляции до того, как выполнять усреднения. Это было очень важно – выяснить, права ли теория при таких, новых условиях работы с данными.

Здесь уже центральную роль играла концепция квантовой сцепленности. Конечно же, все мы знали, что сцепленность является особенностью квантовой физики. В конце концов, ведь и основное состояние простейшего из всех атомов – атома водорода – есть ни что иное, как сцепленное состояние спинов электрона и ядра, причем факт этот был хорошо известен от начала квантовой физики.

Но феномен сцепленности, однако, куда как более примечателен, когда сцепленные партнеры находятся не в одном лишь ангстреме друг от друга, а когда их разделяют существенно иные дистанции, измеряемые метрами. Даже если квантовая теория не накладывает никаких пределов на те расстояния, при которых сцепленность должна себя проявлять, определенно имело смысл протестировать это предсказание в экспериментах.

Дальнейшие усилия по развитию этого направления ярко показали, что сцепленность на больших расстояниях ведет ко множеству приложений, в то время никем не предвиденных, – в частности, к приложениям в области квантовых коммуникаций. Именно богатство приложений объясняет и поныне не ослабевающий интерес исследователей к тестированиям неравенства Белла на все более и более далеких расстояниях – много десятилетий спустя после ранней работы Аспе.

При этом, однако, эксперимент Аспе в течение последующих лет не оставался лишь изолированным трюком. Сам он переключился в своей работе на другие направления, сначала вместе с Клодом Коэном-Таннуджи, а затем и со своей собственной группой занявшись исследованиями свойств охлажденных атомов и их манипуляциями с помощью лазерного света.

Другие физики начали охлаждать индивидуальные ионы, захваченные в ловушках, и управлять их эволюцией со все более нарастающей точностью. В моей собственной группе, вместе с коллегами Жан-Мишелем Раймоном и Мишелем Брюном, мы сфокусировались на изучении фотонов, пойманных в сверпроводящих резонаторах высокой добротности, и на их взаимодействиях с атомами Ридберга.

Во всех этих экспериментах происходило тщательное отслеживание отдельно взятых изолированных квантовых систем.

Иначе говоря, те концепции, что в ранние годы квантовой физики обсуждались в контексте мысленных экспериментов, такие как концепции дополнительности, квантовых скачков и, конечно же, сцепленность, вернулись вновь на передний край дискуссий среди физиков. По той причине, что теперь их непосредственное проявление стало возможным наблюдать напрямую в реальных экспериментах. Я хорошо помню, что само существование квантовых скачков некоторые из физиков подвергали сомнению вплоть до тех пор, пока такие скачки не стали непосредственно наблюдаться в экспериментах, сначала с ионными ловушками, а затем и с оптическими резонаторами.

Один из неотвязных вопросов, остающихся открытыми, связан с границей между квантовой и классической физикой, или иначе, с так называемым парадоксом кошки Шредингера. Существует ли некий максимальный размер, вплоть до которого квантовое поведение является наблюдаемым непосредственно? Этот вопрос естественным образом возникает в области квантовой информатики, где мы пытаемся запрячь странные законы квантового мира, чтобы устраивать коммуникации или вычисления новыми, более мощными способами.

Как научная дисциплина, квантовая информатика порождает необходимость в квантовых системах, состоящих из большого числа частиц, и необходимость манипулировать квантовыми системами в макроскопических масштабах. Поэтому мы должны, конечно же, четко определиться со смыслом «размера» для этих систем.

Если мы берем в качестве такого смысла расстояние между частями квантового объекта, то из недавних экспериментов – Жизана и Цайлингера в частности – мы узнали, что квантовая сцепленность может сохраняться на расстояниях многих и многих километров. Причем никаких признаков ограничений здесь пока что не видно.

Если же мы под размером подразумеваем количество частиц в системе, то мы уже знаем, что порождать эффекты интерференции вполне способны большие молекулы, состоящие из тысяч ядер и электронов. Знаем и то, что поля, сделанные из сотен фотонов, могут находиться в состояниях суперпозиции. Не говоря уже о сверхпроводящих схемах или вырожденных квантовых газах, состоящих из тысяч или миллионов частиц, которые также могут быть приведены в состояние суперпозиции, подразумевающее два или более компонентов.

Все лабораторные суперпозиции такого рода пока что очень хрупки и в конечном счете разрушаются декогеренцией, то есть феноменом, относящимся к взаимосвязям системы с окружающей средой. Некоторые же из физиков полагают, что помимо общего процесса декогеренции, ведущей к сцепленности с окружением и хорошо объяснимой в рамках «ортодоксальной» квантовой теории, тут может существовать и другой, пока еще не обнаруженный механизм, который и делает квантовые законы неработающими для достаточно больших систем.

Тот факт, что квантовая теория в своей сердцевине остается вероятностной, беспокоит их, и они хотели бы найти способ избежать этого, по крайней мере в ситуациях, когда это касается больших объектов вроде измерительных приборов. Фактически, они ищут такой механизм, который определял бы, в каком состоянии кошка Шрёдингера находится после того, как коробка открыта. То, что декогеренция разрушила состояние когерентности между состоянием живой кошки и кошки мертвой, для них недостаточно. Они хотят объяснить, как судьба кошки решается в финальном итоге, и им не нравится идея, что это оставлено чисто на волю случая.

В конечном итоге, вопрос о применимости квантовой физики для описания больших объектов должен будет решаться экспериментами. Что думаю лично я о наиболее вероятном исходе таких экспериментов, или же что ожидают и на что надеются те, кто пытаются данные эксперименты провести, в действительности не имеет значения. Ответ на этот вопрос должен быть дан Природой.

И если наша квантовая физика накладывает на наши предсказания определенного рода ограничения, то эта теория должна быть модифицирована (даже если сейчас нам трудно представить, как это можно было бы сделать).

Как всё развитие теории квантовой информации, так и стабильно нарастающее количество и качество экспериментов с манипуляциями квантовыми объектами любого рода – с атомами и молекулами, с фотонами и квантовыми точками, со сверхпроводящими схемами и мезоскопическими кантилеверами, и т. д. и т. п. – все это заставляет нас гораздо больше, чем в 1960-е или 1970-е годы, задумываться о тех вопросах квантовой физики, ответы на которые могут быть получены через эксперименты.

Разработка методов для контроля или предотвращения декогеренции – методов квантового исправления ошибок или квантовой обратной связи – это не только дело, необходимое для создания будущих машин на основе квантовой логики, но также важное еще и тем, что это заставляет нас все время искать и испытывать подлинные пределы квантового мира.

И если появятся новые идеи «типа идей Джона Белла» для выявления наилучшей версии среди разных интерпретаций квантовой теорий, или для того, чтобы отыскать наилучший механизм декогеренции, мы определенно будем стараться протестировать их с помощью всех тех новых инструментов, что мы разрабатываем.

Таким образом, для физиков-экспериментаторов правильный подход к квантовой теории должен быть сформулирован как «Доверяй, но проверяй», а не как «Заткнись и вычисляй»…

Serge Haroche

[Конец цитаты]

# # #

Ссылки и комментарии:

[1] «Ересь Джона Белла, или Самый поразительный результат в истории физики» , kniganews.org, февраль 2018

[2] Об особенностях Нобелевской премии по физике за 2012 год: «Время искать ответы«, kiwibyrd.org , октябрь 2012

[3] «The Message of Quantum Science. Attempts Towards a Synthesis«. Editors: Philippe Blanchard and Jurg Frohlich. With a Foreword by Serge Haroche. Springer-Verlag 2015

[4] О специфической роли Фейнмана в блокировании дискуссий об интерпретациях и про простые-наглядные опыты для моделирования «непостижимых» физических феноменов: «Квантовая физика как она есть«, kniganews.org, ноябрь 2013

# #