<<
>>

8.7. Специфика необратимости в квантовой теории

В квантовой механике проблема необратимости приобретает специфические и принципиальные особенности. Важность этой проблемы детально обрисовал Джон фон Нейман в знаменитой монографии [фон Нейнман, 1932]. Он рассмотрел эволюцию квантовой системы и указал два ее возможных типа (1 и 2). Если процесс 2 (U-процедура по классификации Р. Пенроуза) соответствует унитарной эволюции и обратимому уравнению Шредингера, то процесс 1 (R-процедура по классификации Р. Пенроуза) отвечает необратимому процессу измерения, при котором реализуется только одна из квантовых альтернатив, т.е. происходит неунитарная редукция (коллапс) волновой функции. С такой R-процедурой связан целый комплекс проблем, которые не только выходят на все более заметный план, но и активно исследуются в последние десятилетия экспериментально.

Одной из таких ключевых проблем при этом является следующая: почему наш мир "классичен" (т.е. почему в обычной жизни мы никогда не встречаем системы в состоянии квантовой суперпозиции, а только лишь в одном из альтернативных состояний)? Заметим, что этот вопрос имеет и весьма практическое значение, поскольку в квантовых компьютерах используются именно состояния с суперпозицией, которые не только должны храниться в течение произвольного времени, но и подвергаться операциям, не приводящим к утрате их специфически квантового статуса.

Претензии на решение этой проблемы активно декларируются современным научным направлением, которое принято называть теорией декогеренции. Вот что пишет один из активных создателей этой теории [Зурек, 2002] (перевод мой - М.Х.Ш.):

Проблема измерения имеет долгую и очень занимательную историю. Первое широко распространенное объяснение того, как единственный вариант возникает из множества потенциально возможных, было предложено копенгагенской интерпретацией, данной Нильсом Бором, который утверждал, что для выявления результата измерения необходим классический прибор. Таким образом, квантовая теория объявлялась неуниверсальной. Ключевым моментом копенгагенской интерпретации является разделительная линия между квантовой и классической теориями. Бор подчеркивал, что этот водораздел должен быть подвижным, так что даже "оконечный прибор" - человеческая нервная система - в принципе может быть измерена и проанализирована в качестве квантового объекта, имея в виду, что подходящее классическое устройство может быть выбрано в зависимости от задачи.

В отсутствие жесткого критерия для выявления различия между квантовыми и классическими объектами часто использовалось отождествление классического объекта с макроскопическим. Неадекватность этого подхода стала понятной только в результате относительно недавних исследований: криогенный вариант шины Вебера (Weber bar) -гравитационно-волновой детектор - должен рассматриваться как квантовый гармонический осциллятор даже в предположении, что он может весить тонну. Неклассические конденсированные состояния могут описывать колебания подходящим образом приготовленных электромагнитных полей с макроскопическим числом фотонов. Наконец,

по

8. О необратимости

квантовые состояния, связанные с токами в сверхпроводящих переходах Джозефсона, порождают макроскопическое число электронов, но все еще могут тунеллировать через минимум эффективного потенциала, отвечающего противоположному направлению вращения.

Но если макроскопические системы не могут всегда использоваться в качестве надежно установленного классического объекта, то, может быть, границы между классическими и квантовыми объектами вообще не существует? ...

Несмотря на глубокие корни указанных трудностей, в последние годы выявился растущий консенсус относительно того, что прогресс может быть достигнут при увязке этих вопросов с общей проблемой измерения (обычный эвфемизм для коллекции интерпретационных головоломок, описанных выше). Выявился ключевой (и бесспорный) факт, восходящий едва ли не к началам квантовой теории, однако его значение для перехода от квантовой к классической области было осознано лишь теперь: макроскопические системы никогда не изолированы от своего окружения. Поэтому ... не следует ожидать, что они подчиняются уравнению Шредингера, которое справедливо лишь для замкнутой системы. Как следствие, системы, обычно рассматриваемые как классические, естественным образом теряют квантовую когерентность, которая как бы "вытекает" в их окружение. Результирующая "декогеренция" не может игнорироваться, когда речь идет о проблеме редукции квантовомеханического волнового пакета: декогеренция действительно накладывает соответствующее "embargo" на потенциально возможные исходы, позволяя наблюдателю регистрировать потенциально возможные альтернативы, но следуя лишь одной из ветвей - одной из "декогерентных историй" в терминологии М. Гелл -Мана.

Теория декогеренции предлагает следующий инструментарий для решения проблемы. Во-первых, в качестве средства описания квантовой системы, ее представителя, используется не сама волновая функция система, а получаемая из нее матрица плотности (для чистых, т.е. не смешанных, состояний эти два описания эквивалентны). Матрица плотности имеет то преимущество, что в ней явно присутствуют недиагоналъные члены, ответственные за интерференцию различных базисных состояний, т.е. за состояние суперпозиции как таковое. Поэтому переход от состояния суперпозиции к (классической) смеси состояний теория декогеренции предлагает трактовать как переход к новой матрице, в которой остаются только диагональные члены, а недиагональные члены с течением времени более или менее быстро стремятся к нулю.

Во-вторых, теория декогеренции предлагает аппарат для количественного исследования именно самого процесса, приводящего к исчезновению недиагональных членов. С этой целью строятся те или иные модели и выписываются соответствующие уравнения, описывающие взаимодействие с окружающей средой. В таких уравнениях слева фигурирует производная матрицы плотности по времени, а справа, наряду с обычным коммутатором матрицы плотности и гамильтониана, вводятся дополнительные слагаемые, ответственные за "классическую" диссипацию и за специфически квантовую декогеренцию.

Таким образом необратимость, по существу, закладывается непосредственно в основу данного подхода, а в ходе его реализации действительно удается получить количественное описание процеса декогерентизации, имеющего много общего с процессом диссипации. Очень подробное и интересное описание этого и смежных подходов можно найти на русском языке в содержательных обзорах [Менский, 1998, 2003]

В уже цитировавшейся мною работе [Зурек, 2002] ее автор пишет далее:

С 1991 г. была проделана большая работа по исследованию основного уравнения и его модификаций для различных случаев... Возможно, наиболее важное развитие изучение декогеренции получило в экспериментальной области. За прошедшее десятилетие был осуществлен ряд экспериментов по изучению декогеренции в разных системах. В частности, Michel Brune, Serge Haroche, Jean-Michel Raimond и их коллеги из Ecole Normale

8. О необратимости

111

Suprieure в Париже ... осуществили серию экспериментов в микрополостях, в которых они манипулировали электромагнитными полями над суперпозициями типа "кошки Шредингера" , используя атомы рубидия. Они исследовали процесс разрушения квантовой когерентности. Эти эксперименты подтвердили основные положения теории декогеренции. С тех пор французские ученые использовали ту же самую технику для внедрения различных квантово-информационных технологий. Они совершенствуют свое оборудование, создавая все более "крупных" кошек Шредингера и изучая процесс их декогеренции.

Немного позже Wineland, Monroe и их сотрудники ... использовали вмороженные ионы (Ion traps) (в связи с внедрением фрагмента разработки для квантовых вычислений) для изучения декогеренции ионов под действием излучения. И снова теория была подтверждена, дальнейшее развитие статуса декогеренции и как ключевого элемента объяснения возникающей "классичности", и как угрозы для квантовых вычислений. Дополнительно к этим новым моментам, которые при проверке различных аспектов декогеренции, обязанных реальной и имитированной существенной среды ... , Pritchard и его сотрудники из Массачузетского технологического института осуществили красивую серию экспериментов с использованием атомной интерферометрии, исследуя роль передачи информации между атомами и фотонами ... . Наконец, "аналоговые эксперименты", моделирующие поведение уравнения Шредингера в оптике ... выявили некоторые другие тайные закоулки пространства параметров.

В дополнение к этим существенным экспериментам по мезоскопической декогеренции объектов типа кошки Шредингера, в некоторых лабораториях были исследованы значительно более существенные "кошки" (например, зеркала в суперпозициях квантовых состояний).

Итак, классичность измерительного прибора теория декогеренции связывает с его ролью посредника между квантовой системой и внешней средой. Т.е. как бы сама по себе квантовая система не способна перейти в состояние смеси (или, по крайней мере, вероятность этого не слишком велика), но это становится крайне вероятным под воздействием окружения (так же многие родители пытаются объяснить плохое поведение своих чад). Если же включить рассматриваемый объект в состав более широкой системы вместе с определенной частью окружения, то для этой расширенной системы можно надеяться обойтись вполне обратимой моделью поведения и U-эволюцией по Шредингеру.

Однако при этом возникает та же проблема, что и при объяснении "классической" необратимости. Если считать для определенности Вселенную конечной и замкнутой, то рано или поздно мы будем вынуждены расширить рассматриваемую систему до размеров всей Вселенной, и нам потребуется принципиально иное объяснение необратимости. Здесь, конечно, дело заключается не в конечности, а в замкнутости Вселенной, т.е. в предположении о том, что ее полная энергия остается неизменной. Как мне представляется, именно это предположение оказывается несостоятельным, а отказ от него приводит к идее, восходящей к Козыреву и обосновываемой в настоящей книге. Согласно ей, в каждой точке Вселенной с течением времени возникает прирост энергии и, как следствие, негэнтропийные потоки. Особенностью этого процесса, как можно теперь заключить, являются дополнительные "квантовые" нюансы: всегда и повсеместно энтропийному процессу декогеренции противостоит (инициируя его) антиэнтропийный процесс генерации квантовых объектов, находящихся в состоянии суперпозиции. Здесь, правда, предстоит прояснить еще очень и очень многое.

Имеются в виду объекты с двумя базисными состояниями (М.Х.Ш.)

112

8. О необратимости

8.8. С.Хокинг о психологической стреле времени

Остановимся в заключение на совпадении направлений термодинамической стрелы с психологической. В общем можно согласиться с аргументацией С.Хокинга [Хокинг, 1990], цитату из книги которого я с удовольствием воспроизвожу:

Я докажу, что психологическая стрела определяется термодинамической и обе эти стрелы направлены одинаково... Мне кажется вполне логичным предположить, что и у компьютеров, и у людей психологическая стрела одна и та же. Если бы это было не так, то, имея компьютер, который помнил бы завтрашний курс акций, можно было бы прекрасно играть на бирже... (Для запоминания)... надо затратить некоторое количество энергии... Эта энергия перейдет в тепло и тем самым увеличит степень беспорядка во Вселенной. Можно показать, что это увеличение беспорядка будет всегда больше, чем упорядочение самой памяти. Необходимость охлаждения компьютера вентилятором говорит о том, что, когда компьютер записывает что-то в память, общий беспорядок во Вселенной все-таки увеличивается. Направление времени, в котором компьютер запоминает прошлое, оказывается тем же, в котором растет беспорядок.

Итак, у демона Максвелла нет никаких шансов!

7. Заключение

113

<< | >>
Источник: М. X. Шульман. ПАРАДОКСЫ, ЛОГИКА И ФИЗИЧЕСКАЯ ПРИРОДА ВРЕМЕНИ Москва 2006-2011. 2011

Скачать готовые ответы к экзамену, шпаргалки и другие учебные материалы в формате Word Вы можете в основной библиотеке Sci.House

Воспользуйтесь формой поиска

8.7. Специфика необратимости в квантовой теории

релевантные научные источники:
  • Материалы по экономической теории
    | Ответы к зачету/экзамену | 2016 | Россия | docx | 0.23 Мб
    РАЗДЕЛ 1. ОБЩАЯ ЭКОНОМИЧЕСКАЯ ТЕОРИЯ Вопрос 1. Общая характеристика экономической теории как науки Вопрос 2. Методология экономической теории и ее специфика Вопрос 3. Теории экономических систем
  • Теория, история и практика прав и свобод человека
    | Ответы к зачету/экзамену | 2016 | Россия | docx | 0.17 Мб
    1. Проблемы прав личности в эпоху Древнего мира и Средневековья 2. Эпоха Реформации и Возрождения и ее значение для формирования гуманистических идей о достоинстве и правах человека 3. Концепции прав
  • Ответы к государственному экзамену по Теории государства и права
    | Ответы к госэкзамену | 2016 | Россия | docx | 0.16 Мб
    1. Теория государства и права как наука, ее объект, предмет и метод. Место и роль теории государства и права в системе юридических и общественных наук 2. Концепции происхождения государства и права
  • Теория государства и права. Ответы к экзамену
    | Ответы к зачету/экзамену | 2017 | Россия | docx | 0.45 Мб
    1. Теория государства и права как развивающаяся гуманитарная наука 2. Теория государства и права и другие гуманитарные науки. 3. Методология теории государства и права и ее современное понимание 4.
  • Комплиментарные высказывания с позиции теории речевых актов (на материале французского, русского и английского языков)
    Мосолова Ирина Юрьевна | Диссертация на соискание ученой степени кандидата наук. Москва - 2005 | Диссертация | 2005 | Россия | docx/pdf | 5.39 Мб
    Специальность 10.02.19 - Теория языка. Филологические науки. Художественная литература — Языкознание — Индоевропейские языки — Романские языки — Галло-романские языки — Французский язык —
  • Економічна теорія. Конспект лекцій
    | Лекция | 2006 | Украина | docx | 0.27 Мб
    Конспект лекцій з дисципліни “Економічна теорія” (адаптивний курс) висвітлює значення економіки, її рівні існування, розкриває погляди як давньогрецьких мислителів, так і погляди сучасних творців
  • Проблемы правогенеза и онтологии права в психологической теории Л.И. Петражицкого
    Овчинникова Анастасия Валентиновна | Диссертация на соискание ученой степени кандидата юридических наук. Санкт-Петербург - 2006 | Диссертация | 2006 | Россия | docx/pdf | 3.9 Мб
    Специальность 12.00.01.- теория и история права и государства; история учений о праве и государстве. Актуальность темы диссертационного исследования. В течение двух последних десятилетий
  • Система законодательства Российской Федерации (вопросы теории и практики)
    Ермоленко Сергей Владимирович | Диссертация на соискание ученой степени кандидата юридических наук. Волгоград - 2006 | Диссертация | 2006 | Россия | docx/pdf | 4.81 Мб
    12.00.01 - теория и история права и государства; история учений о праве и государстве. Актуальность темы диссертационного исследования. Состояние ныне действующей системы российского законодательства
  • Шпаргалка по Теории государства и права России
    | Шпаргалка | 2016 | Россия | doc | 0.11 Мб
    1. Понятие, признаки и функции государства. 2. Теории происхождения государства — теории, объясняющие смысл и характер изменений, условия и причины возникновения государства. Входят в предмет
  • Ответы к государственному экзамену по Теории государства и права
    | Ответы к госэкзамену | 2016 | Россия | docx | 0.15 Мб
    Предмет и метод теории государства и права Основные теории происхождения государств Государственная власть. Понятие и характерные черты. Принцип разделения властей. Органы государственной власти