Квантовая магия

Как гласит старинная мудрость, просто не учи физику в школе, и вся твоя жизнь будет наполнена чудесами и волшебством… В древних обществах науки попросту не существовало, поэтому мировоззрение людей в ту эпоху было насквозь мистическим: Солнце и звёзды двигались по небу по воле богов, ей же определялись судьбы людей, а между всеми предметами и живыми существами имелись незримые связи (отсюда берёт начало и симпатическая магия, и фольклорный параллелизм, когда картины из космоса и мира природы сопоставлялись с внутренним миром человека).

Первый удар по этой картине нанесли древнегреческие философы и учёные, обнаружившие, что природа подчиняется определённым закономерностям, и знание этих закономерностей позволяет предсказывать поведение физических систем. А в конце XVII в. некий сэр Исаак Ньютон таки полностью покончил с этим мракобесием, опубликовав свою фундаментальную работу «Математические начала натуральной философии». Согласно работе Ньютона, все явления природы управляются набором детерминистических законов (выраженных в форме дифференциальных уравнений), и, зная начальные условия, можно однозначно предсказать состояние системы в любой будущий момент. Это положило начало материалистической парадигме «мира как часового механизма», под знаком которой прошёл весь «просвещенческий» XVIII в., и венцом которой стала концепция демона Лапласа.

В XIX в. мистицизм попытался взять реванш руками поэтов-романтиков, которые противопоставили тонко чувствующих лириков с их Особой Духовностью бездушным физикам с их унылыми цифрами и арифмометрами. Но унылые арифмометры продолжали своё победное шествие во всех сферах жизни — механика Ньютона органично дополнилась дарвиновской теорией эволюции и генетическими законами Менделя, и казалось, что уже буквально завтра весь мир, включая и людишек с их Особой Духовностью, сумеют разобрать на шестерёнки и досконально понять, как он работает…

Так было вплоть до начала XX в., когда мракобесам внезапно подфартило: учёные открыли, что на микроскопических (точнее, наноскопических, если микроскопическим уровнем считать живые клетки) масштабах (начиная примерно с уровня атомов) наш мир управляется совершенно другими законами, которые получили название квантовой механики. Эти законы не оставили камня на камне от ньютоновского реализма и детерминизма: в них есть место и чему-то похожему на волю Бога или богов (принципиальная неопределённость и непредсказуемость результатов наблюдений), и чему-то, что напоминает симпатическую магию (влияние друг на друга частиц, разнесённых на много километров), да и само понятие объективной реальности встаёт под большое сомнение. Неудивительно, что многие из основателей квантовой механики, включая Шрёдингера, Гейзенберга и Паули, сами были мистиками и интересовались буддизмом и индуизмом. А самое главное — прошло уже больше ста лет, а ответа на вопрос, «почему оно так», до сих пор нет, хотя учёные продолжают копать.

В данной статье мы будем рассматривать как те произведения, где автор пытается серьёзно осмыслить квантовые парадоксы с философской и мистической точки зрения, так и те, где автор просто использует их как поэтическую метафору или машет руками на эту тему, применяя слово «квантовый» как синоним выражения «Это очень сильное колдунство». В частности, приснопамятный кот Шрёдингера — это отличная метафора психопомпа или кого-то в этом роде, находящегося между материалистическим «миром живых» и мистическим «миром мёртвых».

Самые меметичные явления

Корпускулярно-волновой дуализм

Популярное представление: Все частицы одновременно являются и волнами, поэтому на микроуровне мир вибрирует и переливается, и всё перетекает одно в другое.

Пятиминутка реальности: На самом деле волновые и корпускулярные свойства одновременно наблюдались только у одного объекта — у электромагнитного поля (и у составляющих его частиц — фотонов): то есть существуют как приборы, позволяющие регистрировать фотоны как отдельные частицы (фотонные детекторы), так и приборы, позволяющие измерять напряжённость электромагнитного поля. А вот «электронные волны», «протонные волны», «атомные волны», и т. п. зарегистрировать невозможно. Когда мы говорим о «волновых свойствах» электронов, протонов и др., речь идёт скорее о том, что их положение (и другие характеристики) определяются неким вероятностным законом, и в том, как работает этот закон, есть некая аналогия с классической оптикой. Как пример: если частица может попасть из точки A в точку B по множеству траекторий, то в классической статистической механике мы должны приписать каждой из этих траекторий определённую вероятность, и их сумма определяет вероятность того, что мы будем наблюдать частицу в точке B. В квантовой же механике каждой из траекторий приписывается амплитуда — величина, которая, в отличие от вероятности, может быть и отрицательной. Вероятность того, что частица будет наблюдаться в точке B, определяется суммой амплитуд всех траекторий, и эти амплитуды могут при суммировании не только усиливать, но и гасить друг друга — прямо как амплитуды обычных волн.

В макромире корпускулярно-волновым дуализмом обладает капля, прыгающая по жидкой поверхности и непрерывно испускающая волны. Сама капля при столкновении с препятствиями ведёт себя как частица, но исходящие от капли волны способны давать интерференцию с волнами исходящими от другой капли.

Кот Шрёдингера и иже с ним

Популярное представление: Объекты могут существовать не только в определённых состояниях, но и в некой их смеси (называемой суперпозицией), поэтому закон исключённого третьего перестаёт работать: например, тот же самый кот может быть живым и мёртвым одновременно.

Пятиминутка реальности: Классические (сиречь большие и привычные нам) объекты не могут находиться в смеси состояний, и, собственно, кот Шрёдингера был придуман именно как контрпример, показывающий, что квантовые законы не применимы к макромиру. А вот почему они неприменимы, и каков критерий, разделяющий квантовое и классическое — до сих пор открытый вопрос: квантовые свойства были зарегистрированы у достаточно крупных объектов вроде биологических молекул и даже небольших алмазов.

Многомировая интерпретация Эверетта

Популярное представление: Каждый раз, когда мы измеряем состояние системы (или вообще в ситуации любой жизненной развилки), Вселенная расщепляется на несколько Вселенных, в каждой из которых реализуется свой сценарий. Таким образом, все возможные варианты развития событий где-то реализовались.

Пятиминутка реальности: Про «всё где-то реализовалось» — абсолютно верно. Но никакого создания новых Вселенных при этом не происходит, а происходит вот что: микроскопические объекты могут находиться в суперпозиции разных состояний, но при измерении система «схлопывается» в одно конкретное из них, и мы наблюдаем именно его. Согласно многомировой интерпретации, на самом деле в этот момент измерительный прибор и наше сознание просто включается в суперпозицию: то есть, грубо говоря, если до открытия коробки было состояние «живой кот + мёртвый кот», то после открытия коробки возникает состояние «живой кот и наблюдатель, видящий живого кота + мёртвый кот и наблюдатель, видящий мёртвого кота». И если вы при измерении наблюдаете один исход, где-то также существует состояние вашего сознания, наблюдающее другой исход. Ну и не будем забывать, что это лишь одна из множества возможных интерпретаций квантовой механики: в других интерпретациях состояние системы действительно необратимо меняется при измерении, и то, что мы наблюдаем после измерения — это всё, что есть.

Квантовая запутанность и телепортация

Популярное представление: Частицы способны взаимодействовать на огромных расстояниях, благодаря чему возможно передавать сигналы со сверхсветовой скоростью. Кроме того, благодаря этому частицы возможно телепортировать, и скоро придумают телепортер для людей, и вообще это показывает, что всё в нашем мире связано со всем (и да, именно благодаря квантовой запутанности любящие люди способны чувствовать друг друга, будучи на разных концах света!)

Пятиминутка реальности: Сверхсветовая передача сигналов невозможна, потому что состояние каждой из частиц случайно, и через них нельзя передать никакую осмысленную информацию. Например, мы приготовили два запутанных между собой бита информации, мы знаем, что если один из них в состоянии «1», то другой в состоянии «0» (но какой в каком, пока не определено, это определяется случайным образом в процессе измерения!) Отправим один бит Васе, а другой Пете, и Вася, измерив его состояние, получает «1»: отсюда он сразу заключает, что у Пети должен быть «0». Повторив эксперимент несколько раз, Вася получит некий набор единиц и нулей, например, «1101000», откуда сразу же поймёт, что у Пети «0010111». Но этот набор абсолютно случаен, и никакую информацию Вася Пете (или наоборот) таким образом не передал. Что же касается телепортации, это броское название для журналистов: на самом деле при ней на расстояние передаётся не вещество, а только информация: квантовое состояние разрушается в точке A, а затем по переданной информации заново собирается в точке B.

Сознание наблюдателя влияет на результат эксперимента

Популярное представление: Реальность изменяется в тот момент, когда мы производим наблюдение. Таким образом, объективной реальности не существует, и весь мир — в каком-то смысле плод нашего воображения.

Пятиминутка реальности: Такая интерпретация квантовой механики действительно существует (и называется интерпретацией фон Неймана — Вигнера), но считается всё же относительно маргинальной. Поскольку на данный момент ни одну из интерпретаций невозможно проверить экспериментально, большинство учёных пока склоняются к менее психоделическим вариантам, где состояние системы изменяется не под влиянием сознания, а в силу её взаимодействия с измерительным прибором.

В одном из экспериментов наблюдение за распадом отдельных атомов привело к тому, что среднее время их жизни заметно превысило период полураспада.

Квантовое сознание

Популярное представление: Наше сознание имеет квантовую природу, а наш мозг — это квантовый компьютер. Именно поэтому мы имеем свободу воли, а после смерти информация (т. е. душа) сохраняется и просто переходит в другую форму.

Пятиминутка реальности: Изначально это словосочетание придумал известный математик Роджер Пенроуз в пику идее, что сознание можно представить в виде алгоритма. Он предупредил, что его теория чисто умозрительна не претендует на строгую научность. Основных проблем у изначальной теории две: квантовые эффекты могут выходить за пределы отдельных атомов лишь при весьма специфических условиях, в которых невозможна белковая жизнь, а во-вторых, многие аспекты функционирования мозга вполне уже себе моделируются с помощью нейросетей. Зато наукообразное название очень понравилось разного рода анимистам и виталистам, которые получили новое наукообразное название взамен «мракобесной» «души» и давно дискредитированных био- психо- и прочих торсионных полей, а заодно звучное имя среди «сторонников» (хотя к работам Пенроуза их идеи никакого отношения не имеют). Так как квантовая механика — это нечто сложное, непонятное для обывателя, ей можно объяснять любую чертовщину, вроде телепатии, предсказаний судьбы и существования души. «Такого не бывает, ибо физически невозможно»? — «это всё квантовые эффекты, вы ничего не понимаете»!

Где встречается

Литература

• Фритьоф Капра, «Дао физики».
• Михаил Менский, «Сознание и квантовая механика. Жизнь в параллельных мирах».
• Валентин Ирхин и Михаил Кацнельсон, «Крылья феникса. Введение в квантовую мифофизику» — что характерно, один из соавторов (Михаил Кацнельсон) был также соавтором знаменитой статьи про графен Андрея Гейма и Константина Новосёлова, за которую Гейм и Новосёлов получили Нобелевскую премию 2010. И более того, Новосёлов весьма высоко оценил эту книгу.
• Роберт Антон Уилсон:
  • Трилогия «Кот Шрёдингера» — каждый из томов посвящён одной из интерпретаций квантовой механики: в первом томе действие происходит в нескольких вселенных в соответствии с многомировой интерпретацией, во втором персонажи связаны друг с другом за счёт квантовой запутанности, а в третьем сознание наблюдателя напрямую влияет на реальность.
  • «Квантовая психология».
• Подлевский, «Глубина. Прыгун» — квантовые эффекты используются для гиперпрыжков, а чтобы пролететь через местный варп, экипаж переводится в квантовое состояние кота Шрёдингера
• Либба Брэй, Going Bovine — чёрная комедия про подростка, страдающего галлюцинациями после заражения коровьим бешенством. Вместе с другом он сбегает из больницы и отправляется в безумное путешествие по всей Америке, чтобы добраться до Диснейленда во Флориде, где обитает учёный-физик доктор Икс, который сможет его спасти. В сюжете фигурируют и тёмная материя с тёмной энергией, и многообразия Калаби-Яу, и, собственно, парадоксы квантовой механики.
• Дэвид Брин, «Берег бесконечности» — джофуры заключили корабль ротенов в ловушку в «квантово отделённый мир», в результате время на корабле идёт только тогда, когда на него не смотрят наблюдатели извне.
• Тэд Косматка — «Мерцающие» — книга целиком построена на двухщелевом эксперименте и его интерпретации с точки зрения «квалифицированного наблюдателя», герой создает компактный прибор, который показывает, произошло ли при наблюдении конкретным индивидом схлопывание волновой функции. Внутри этого мира считается, что индивид обладает сознанием, если лампочка загорелась. Религиозные круги интерпретируют прибор, как индикатор наличия души. Однако со срабатыванием прибора у эмбрионов и детей результаты неоднозначны. Позже оказывается, что не все взрослые люди вызывают срабатывание прибора. Иными словами, в романе квантовая физика используется для определения тех, кто в достаточной степени является человеком.
• Роберт Сойер — «Квантовая ночь» — в книге оказывается, что сознание не только имеет квантовую природу, но и делится на три типа. Причем тип сознания конкретного человека можно изменить.
• у него же серия «Неандартальский параллакс» — квантовые вычисления — причина создания врат на параллельную Землю, где развились неандартальцы. Оказывается, квантовый компьютер использует для вычислений копии себя в параллельных вселенных, чем больше мощность и сложность задачи, тем больше копий требуется привлечь, в определенный момент он оказывается связан с аналогичным аппаратом неандартальцев — в их мире они тоже построили первый квантовый компьютер в этой пещере, ведь она очень удобна для такой цели.
• у него же «Сброшенная кожа» — ближайшее будущее, но уже тестируются технологии копирования человека в неорганическое тело, что доступно только богачам, вызывает юридические и этические проблемы. Но оказывается, что это не главная проблема новой технологии. Не каждого человека получается скопировать — потому что нужно в новое тело перенести нечто эфемерное. То ли квантовый слепок сознания, то ли душу.
• Грег Иган — «Карантин» — в романе намешано много фантастических элементов, но чуть ли не основной — схлопывание волновой функции, которое, оказывается, можно блокировать и тем самым влиять на вероятности событий в макромире.

Видеоигры

• Взаимосвязанные контейнеры для лута как явление. Иногда их даже называют квантовыми.
• «Dislocation» — сюжет крутится вокруг квантового чудо-девайса, а парадокс наблюдателя напрямую используется в одной из головоломок (чтобы устройство сработало, герой не должен смотреть в определённое место).
• Supreme Commander этим страдает. Сеть гиперпространственных туннелей? Квантовые врата! Искусственный интеллект? Квантовый Искусственный Интеллект! Пушка под названием темпоральный флуктуатор разрушает цель на квантовом уровне!

Настольные игры

• Старый Мир Тьмы — Здесь квантовую магию использую Сыны Эфира, а по скольку эта традиция официально техномагическая, то в их исполнении с помощью квантовых эффектов можно буквально поднимать котов из могил, телепортироваться, а то и открывать двери в параллельные миры Эверетта, из который в пятницу вечером вылезет какой-нибудь неверборн.
• Quantum Chess

Остальное

Ранобэ «Магический Трон Арканы» — квантовая механика является основным направлением магии главного героя. Множество заклинаний, и духовные силы (их мана) основанны именно на квантовой физике

Ссылки

• Книга новостей — подборка всякого такого