В XXI веке стала модной неожиданная интерпретация квантовой механики

Что же является определяющим, когда речь идет о квантовом явлении, – человек, осуществляющий эксперимент и наблюдение, или природа? Фото с сайта www.navy.mil

Квантовый байесинизм (QBism) – одна из интерпретаций квантовой механики, получивших популярность в XXI веке. На русском языке, по сути, пока еще нет публикаций, в которых бы обсуждался этот вариант квантовой механики. Мы попытаемся сначала объяснить, что такое байесинизм как интерпретация вероятности, затем – коротко – трудности стандартной (копенгагенской) интерпретации квантовой механики, и наконец, каким образом квантовый байесинизм преодолевает – или пытается преодолеть – эти трудности.

Кому даст взаймы Петя

Речь идет об интерпретации вероятности. Именно об интерпретации, позволяющей наглядно продемонстрировать смысл некоторых утверждений теории вероятности и задач, где эти утверждения фигурируют. Интерпретация не означает определения. Как и основные современные учебники, мы исходим из теоретико-множественного определения вероятности, данного академиком Андреем Николаевичем Колмогоровым.

Байесинизм – это интерпретация вероятности как степени доверия, как той ставки, на которую игрок готов внести, если высказанное им утверждение окажется ложным. Эта интерпретация, которая может также быть названа персоналистической, связана с применением одной из центральных теорем теории вероятностей – теоремы Бейеса. Легче всего пояснить это на примере.

Пусть перед вами следующая ситуация. Вы знаете некого Петю, который, возможно, вам друг, возможно – просто знакомый, а возможно – по сути дела, враг. Вы определяете следующие вероятности: друг – 0,5, просто знакомый – 0,3, замаскировавшийся враг – 0,2. Если Петя друг, он с вероятностью 0,5 даст вам денег взаймы, если просто знакомый, он даст вам деньги с вероятностью 0,3, если скрытый враг, то вероятность 0,1.

Воспользовавшись формулой полной вероятности, вы легко рассчитаете вероятность того, что Петя даст вам взаймы. Теперь– пусть свершилось – Петя вам дал денег взаймы. У вас есть эмпирический факт. И исходя из него, вы можете, воспользовавшись теоремой Бейеса, рассчитать вероятность того, что принятая вами гипотеза, скажем «Петя мне друг», правильна. Вы также можно рассчитать вероятность других двух гипотез: «Петя просто знакомый» и «Петя мне враг».

Как мы видим, наши исходные вероятности априорны. Мы просто «на глаз» подбираем исходные вероятности. Затем, исходя из эмпирического факта (из состоявшегося события), рассчитываем вероятность принятых гипотез, поправляем наши первоначальные оценки. Но исходные вероятности, принятые нами на веру, остаются в структуре расчета.

В книгах по теории вероятностей при расчетах по формуле Бейеса иногда используются данные статистики. Однако, как сказал Марк Твен, есть ложь, наглая ложь и ложь, называемая статистикой. Статистика предполагает априорные классификации социальных явлений. Эти классификации очень часто диктуются политическими или даже групповыми подходами.

Итак, байесинизм – это трактовка вероятности как оценки, как субъективного мнения. Обычно байесинизм сопоставляют с фреквентизмом как с более объективной интерпретацией вероятности. Фреквентизм – это вероятность как частота, точнее – как предел последовательности относительных частот, наблюдаемых при проведении опыта.

Наблюдай и властвуй

Копенгагенская интерпретация называется стандартной, поскольку она приводится в основных учебниках, излагающих квантовую механику: в знаменитом курсе Л.Д. Ландау и Е.М. Лифшица, в двухтомнике А. Мессиа, в книге Д. Бома, в фейнмановских лекциях по физике... Но есть и исключения. Например, «Основы квантовой механики», написанные академиком Дмитрием Ивановичем Блохинцевым с позиции ансамблевого (статистического) подхода.

В СССР копенгагенская интерпретация, сформулированная в довоенные годы датским физиком Нильсом Бором и немцем Вернером Гейзенбергом, подвергалась остракизму как идеалистическая или позитивистская, чуждая диалектическому материализму. В 1950–1960-х годах она в основном излагалась в той версии, которую ей придал знаменитый советский физик Владимир Александрович Фок. Однако во второй половине 1960-х годов и в 1970-е годы в философской литературе наметилась тенденция к аутентичному изложению копенгагенской интерпретации (киевские философы П.С. Дышлевый и В.М. Свириденко, московский философ И.С. Алексеев).

В центре копенгагенской интерпретации – понятие квантового явления: принципиально неделимого единства средств наблюдения и эксперимента, с одной стороны, и микрочастицы – с другой. Если мы измеряем координату частицы (скажем, электрона), то должны использовать один тип приборов, если импульс – то другой тип. Упоминание наблюдателя (человека, осуществляющего опыт) существенно. Именно наблюдатель решает, какой прибор использовать. При этом само понятие прибора предполагает человека, научного работника, включающего и выключающего прибор и фиксирующего состояние прибора до и после акта измерения.

Поскольку нельзя одновременно измерить координату и импульс квантовых объектов, используются два типа приборов. Наблюдатель, включенный в ситуацию с измерением импульса, не совпадает с наблюдателем, включенным в ситуацию, возникающую при измерении координаты (дополнительность по Бору).

Боровская дополнительность была существенным продвижением в понимании квантовой механики. Но эта концепция с самого начала (ее первый вариант был изложен в 1927 году) подвергалась критике, в частности Альбертом Эйнштейном. Байесинизм по-своему развивает эту критику.

С точки зрения байесинизма, дополнительность по Бору – это эклектическая концепция, ссылающаяся как на природу саму по себе (на микрочастицу), так и на наблюдателя, проводящего измерение. Что же является определяющим, когда речь идет о квантовом явлении, – человек, осуществляющий эксперимент и наблюдение, или природа?

С точки зрения байесинизма, наблюдатель (байесинисты пользуются понятием «агент») является определяющим. Получаемая им информация и составляет то, что называют квантовым явлением. Другой наблюдатель – другое квантовое явление. Ведь квантовое явление предполагает завершенный опыт, опыт, который характеризуется каким-то результатом, например импульс частицы равен а кГсм/сек. Другой наблюдатель получит другой результат. Пусть даже оба наблюдателя используют одну и ту же аппаратуру, но каждый опыт отмечен тем временем, когда этот опыт проводится. Пусть часы у обоих наблюдателей синхронизированы, но синхронизация часов – это тоже опыт, и он принадлежит какому-либо из наблюдателей или третьему наблюдателю, владеющему соответствующей аппаратурой…

Измерение – физический процесс?

Одна из трудных проблем квантовой механики – проблема измерения. Каким образом осуществляется взаимодействие измерительного прибора и микрообъекта, которое приводит к результату, считываемому с прибора? С точки зрения концепции дополнительности взаимодействие микрочастицы и прибора осуществляется внутри квантового явления, составляющего некую целостность. Это явление не распадается на составные части. Физик имеет дело с квантовым явлением, и только квантовое явление дает ему ту или иную информацию о происходящем в природе.

Но есть и другая позиция, восходящая к Джону фон Нейману. Здесь выделяются два вида процессов: эволюция квантовой системы, описываемая уравнением Эрвина Шрёдингера (это причинный детерминистический процесс); и «редукция волнового пакета», коллапс волновой функции, возникающий в процессе взаимодействия системы и измерительного прибора и дающий тот или иной результат (например, что микрочастица имеет импульс а кГсм/сек).

Волновая функция, описывающая состояние физической системы, сама по себе не определяет тот результат, который покажет измерение, этот результат определяется совместно волновой функцией и прибором. Прибор, однако, предполагает того человека, который работает с этим прибором. Измерение завершается, когда этот человек (наблюдатель) считывает с прибора тот или иной результат измерения. Происходит редукция той алгебраической конструкции, которая описывает взаимодействие квантовой системы с прибором (пусть эта конструкция состоит из двух слагаемых), к одному ее элементу (одному из слагаемых), описывающему то, что получил наблюдатель в своем опыте.

Как правило, байесинисты принимают точку зрения, восходящую к фон Нейману. Однако для них волновая функция, подчиняющаяся уравнению Шрёдингера, лишь источник информации данного наблюдателя. Другой наблюдатель – другая информация, другое прочтение волновой функции. Прибор же – это продолжение органов чувств наблюдателя, что-то вроде очков.

Измерение не относится к физическим процессам. Это лишь уточнение той информации, которую получает наблюдатель, располагающий тем или иным предварительным описанием в виде волновой функции. Меняется не состояние физической системы (например, системы «электрон + прибор + наблюдатель»), меняется состояние наблюдателя.

Ставки в квантовой игре

Подчеркнем еще раз: байесинизм – это субъективистская персоналистическая интерпретация вероятности, вероятности как степени веры. Но квантовая механика оперирует не только вероятностями. Ее центральный объект – это волновая функция, выражающая состояние физической системы. Каким образом байесинистская интерпретация вероятности распространяется на квантовую механику? Отвечая на это вопрос, можно выделить четыре пункта.

1. С точки зрения квантового байесинизма волновая функция представляет собой знание наблюдателя о физической системе (скажем, об электроне) и разные наблюдатели, использующие одну и ту же волновую функцию, будут, вообще говоря, обладать разными знаниями. Отсюда не следует, что один наблюдатель не может взаимодействовать с другим. Наблюдатель может, опираясь на свою волновую функцию (или, лучше сказать, предполагая свое представление физической системы в виде волновой функции), вычислить то знание о физической системе, которое доступно другому наблюдателю.

Тем не менее это знание не будет знанием другого наблюдателя. Это будет знание первого наблюдателя о том знании, которое мог бы получить другой наблюдатель, экспериментируя с той же физической системой. Квантовая механика применима лишь к моему опыту, а не к опыту какого-либо другого исследователя. Метанаблюдатель, олицетворяющий коллективный опыт, отсутствует.

2. Уравнение Шрёдингера передает опыт наблюдателя, рассмотренный в плане диахронии, эволюцию опыта наблюдателя в его персональном личном времени.

3. Измерение – это опыт наблюдателя. Как отмечалось выше, «редукция волнового пакета» не является физическим процессом. Это процесс, происходящий в сознании наблюдателя, приводящего к текущему моменту ту информацию, которая в сумме характеризует микрочастицу и макроприбор.

Прибор сам по себе не создает результата. Он участвует в получении результата, поскольку применяется тем или иным исследователем (наблюдателем).

4. Вероятность, к которой приводит расчет того результата, который мог бы дать эксперимент, является субъективной персональной вероятностью байесинистского типа. Скажем еще раз, что вероятность – это степень веры исследователя (наблюдателя) в реализацию того или иного события, та ставка, которую он мог бы поставить при заключении пари, что данное событие произойдет.

«Существуют миллиарды миров…»

Квантовый байесинизм – одна из философских позиций, возникших в связи с теми изменениями в концептуальном аппарате квантовой механики, которые произошли во второй половине и особенно к концу ХХ века. Эти изменения связаны с развитием квантовой информатики – дисциплины, объединяющей квантовую телепортацию, квантовую криптографию, квантовые компьютеры. Как отмечает профессор, доктор физико-математических наук Михаил Борисович Менский, «развитие квантовой механики, особенно в последние два-три десятилетия, сделало учет сознания наблюдателя совершенно необходимым при обсуждении концептуальных основ квантовой механики, и с некоторыми оговорками можно сказать, что вопрос о роли сознания стал доступен экспериментальной проверке» (Менский М. Б. Понятие сознания в контексте квантовой механики, Успехи физических наук, т. 175 (4), 2005. С. 421).

Квантовый байесинизм – именно одна из философских позиций, получивших популярность в последнее время. Другая позиция, также учитывающая роль сознания в контексте квантовой механики, – это многомировая интерпретация квантовой механики, которую развивает, например, Михаил Менский. В ней сознание наблюдателя «расщепляется» на ряд сознаний, присутствующих каждое в своем мире. Если систему «электрон + прибор + наблюдатель» описывает математическая конструкция, состоящая из двух элементов, то измерение происходит в двух мирах. Как сказано в Стэнфордской энциклопедии по философии, «существуют миллиарды миров кроме того мира, который мы осознаем. Если какой-то квантовый опыт выполняется, все его возможные результаты осуществляются, но каждый в своем мире».

С точки зрения диалектического материализма квантовый байесинизм – это субъективный идеализм. Сами же сторонники байесинизма характеризуют свою философию как развитие американского прагматизма и операционализма. Это развитие инструментализма (разновидность прагматизма) американского философа Джона Дьюи, рассматривавшего познание как «мой» опыт, и операционализма Перси Бриджмена, лауреата Нобелевской премии за работы в области физики высоких давлений. Бриджмен как-то сказал: «Моя наука отличается от вашей науки, как моя боль отличается от вашей боли».

Какая же онтология («картина мира») предполагается квантовым байесинизмом? Далеко не все сторонники квантового байесинизма интересуются этим аспектом философии. Но если они и высказываются по вопросам онтологии, то имеют в виду онтологию «тонкого мира». Согласно ей, мир настолько тонок, что наше самое слабое воздействие может изменить его. Как сказал поэт, «сережка ольховая… но сдуешь ее – все окажется в мире не так».