Бесценные для нас немногочисленные состояния, участвующие в создании классической картины мира, оказываются, однако, «избранными» благодаря среде.
Каждая относительно самостоятельная система беспрестанно взаимодействует с тем, что находится вне ее. Ни одну систему нельзя полностью изолировать от всего на свете (при недосягаемости для любого взаимодействия она перестала бы быть частью физического мира). И по отношению ко всякой более-менее автономной системе весь остальной мир – это среда; хотя разделение между ними до некоторой степени условно, факт все же состоит в том, что «системы» существуют, а значит, как-то выделяются из среды{98}.
Среду не стоит недооценивать уже по той причине, что она играет роль информационного канала: наблюдаем мы не состояния сами по себе, а их «отпечатки», свидетельства о них в среде. Например, свидетельством существования этого текста среди прочего являются фотоны, отражаемые листом бумаги или излучаемые экраном.
Роль главного распорядителя во взаимоотношениях со средой принадлежит запутанности – по той простой причине, что квантовые состояния почти всегда представляют собой какие-то комбинации, а в таком случае любое взаимодействие, как мы неоднократно видели, вовлекает участников в запутанность в соответствии с уравнением Шрёдингера. «Вовлеченные» части среды и отражают («на них отпечатывается») состояние квантовой системы; говоря более формально, между состояниями системы и среды возникают корреляции.
Среда состоит из огромного числа относительно независимых элементов, и то, что мы наблюдаем при ее посредничестве, – итог создания колоссального числа «отпечатков». Пылинка диаметром около микрона рассеивает столько полученных от Солнца фотонов, что за одну микросекунду передает через них информацию о своем положении примерно 100 млн раз. При этом квантовые состояния, представляющие собой экзотические комбинации (пылинка в комбинации состояний «здесь» и «там»), сильно отстают и оказываются в этом смысле «не приспособленными к среде». Среда обеспечивает отбор, в результате которого выживают, множатся и потому наблюдаются только наиболее приспособленные к окружающим условиям.
Идея более успешного размножения самых приспособленных знакома нам по совсем другому поводу: она восходит к Дарвину и объясняет происхождение видов, т. е. биологическую эволюцию. Если полностью отвлечься от содержания и обсуждать только формальные признаки, главные идеи дарвиновского отбора – это репродукция, наследуемая изменчивость (небольшие вариации в свежесоздаваемых экземплярах, передаваемые затем следующим копиям) и избирательное выживание наиболее подходящих из них (собственно естественный отбор). Концепция возникновения наблюдаемого классического мира из ненаблюдаемого и чуждого ему квантового получила поэтому название квантового дарвинизма{99}.
Привычные нам состояния кошек и всего остального отличаются своей успешностью в соревновании под девизом «Оставь в среде как можно больше отпечатков». Кошку, пребывающую в запутанном состоянии неясности относительно жизни и смерти, не видно в записях, оставленных в среде. Доступны только (многократно повторяющиеся) записи одной из возможностей – живая или мертвая. Фраза «контроль окружающей среды» приобретает новое актуальное звучание, и вот как это работает.
Во-первых, состояния квантовых систем, которые имеют шансы быть «заметными» в классической вселенной, должны обладать относительной устойчивостью при взаимодействии со средой: от них требуется не слишком сильно изменяться от этого взаимодействия. Во-вторых, требуется устойчивость «отпечатков» состояний в среде (устойчивость корреляций состояний со средой). Здесь обсуждается уже не то, как среда влияет на систему, а как квантовая система влияет на среду. Правда, говорят при этом, что среда наблюдает или измеряет квантовую систему, потому что «отпечатки», оставленные в среде, до некоторой степени наделяют ее ролью измерительного прибора (задача которого ведь в том и состоит, чтобы так или иначе отобразить в своем состоянии свойства измеряемой системы).
Устойчивые в обоих смыслах состояния и оказываются «приспособленными» – многократно оставляют в среде информацию о себе, причем примерно одну и ту же. Такие состояния есть, и это состояния системы, минимальным образом запутанные со средой. К ним относятся состояния, выражающие определенные положение и ориентацию в пространстве, определенную скорость, определенный заряд или спин (поляризацию для фотонов). Для них используется обобщенный термин «указательные состояния», потому что они в принципе могут кодироваться положением ручки/указателя прибора. Наличие настоящего прибора совершенно не обязательно, речь идет только о принципиальной возможности; тем не менее положение указателя прибора, показывающее измеренное значение, – выразительный пример корреляции с состоянием измеряемой системы{100}.
Менее успешные состояния, более склонные к запутыванию, «разлокализуются» средой – вовлекаются в производство ветвей волновой функции, различающихся положениями в пространстве, и из-за этого «теряющих видимость» для локального наблюдателя. Как это происходит, можно увидеть в модельной ситуации, когда атом по-разному взаимодействует с молекулами воздуха в зависимости от своего спина: пусть атом со спином вверх передает молекуле «пинок», для простоты, вверх, а атом со спином вниз – пинок вниз. Атом же в состоянии «спин вверх плюс спин вниз» (скажем, при наличии вертикального магнитного поля) запутывается с молекулой в состояние «(спин вверх, получила пинок вверх) плюс (спин вниз, получила пинок вниз)». Но фигурирующая здесь молекула без промедления взаимодействует с другими, те, в свою очередь, тоже вступают во взаимодействия, и т. д.; в результате стремительно растет число участников обеих ветвей волновой функции, и два исходных спиновых состояния атома расходятся каждое «своей дорогой» (буквально по параллельным вселенным, если вам больше всего по душе интерпретация из главы 11). Отпечаток исходной комбинации свойств в волновой функции «разлокализовывается» в среде, становясь очень трудночитаемым, а вместо него возникает меню из отпечатков каждого свойства по отдельности.
Процесс растекания запутанности (корреляций) по среде называется декогеренцией. Он сопровождается лавинообразно растущим количеством различий, включая пространственные, между ветвями, которые вырастают из исходных возможностей, содержавшихся в волновой функции. Расстояние в один микрон может показаться небольшим, но если разнесенными на такое расстояние оказались молекулы в макроскопическом количестве, скажем около 1023, то «суммарный зазор» сравним со световым годом. Накапливаются такие различия необычайно быстро; оценки несколько разнятся, но интервал времени в 10–20 с выглядит разумным, а это очень быстро даже по атомным масштабам. Итоговая картина такова, как если бы указательные состояния вели себя не по квантовым, а по классическим законам – не образовывали бы комбинаций.
Попутно решается важная проблема, которую математический аппарат квантовой механики решить без посторонней помощи не в состоянии: какие именно возможности счесть «опорными» перед тем, как рассуждать о том, комбинируются они или нет? Квантовая механика сама по себе полностью равнодушна к тому, какие бывают кошки: вместо состояний «кошка жива» и «кошка мертва» с таким же математическим основанием можно взять состояния «кошка жива плюс кошка мертва» и «кошка жива минус кошка мертва»{101}. Чем выделены «нормальные» кошки? Точно так же про каждый измерительный прибор можно спросить, почему, собственно, в результате измерения ручка прибора указывает, например, на отметку «5», а не представляет собой комбинацию, скажем, состояния, указывающего на «3», и состояния, указывающего на «4». Что выделяет одни возможности среди прочих в качестве опорных? Это, по существу, вопрос об устройстве указательных состояний.
