квантовая теория очищает мистику измерения Если бы все наши научные теории и модели говорили нам только о средних значениях: если бы лучшие прогнозы погоды могли дать только среднесуточное количество осадков, ожидаемое в течение следующего месяца, или если астрономы могли только предсказать среднее время между солнечными затмениями. В первые годы квантовой механики это казалось ее неизбежным ограничением: это была вероятностная теория, рассказывающая нам только то, что мы будем наблюдать в среднем, если мы соберем записи для многих событий или частиц. Для Эрвина Шредингера, одноименное уравнение которого предписывает, как ведут себя квантовые объекты, было совершенно бессмысленно думать о конкретных атомах или электронах, делающих вещи в реальном времени. «Справедливо утверждать, - писал он в 1952 году, - что мы не экспериментируем с отдельными частицами. ... Мы тщательно изучаем записи событий спустя много времени после того, как они произошли ». Другими словами, квантовая механика, казалось, работала только для« ансамблей »многих частиц. «Когда ансамбль достаточно велик, можно получить достаточную статистику, чтобы проверить, верны ли прогнозы», - сказал Мишель Деворет, физик из Йельского университета. Но есть и другой способ сформулировать квантовую механику, чтобы она могла говорить об отдельных событиях, происходящих в отдельных квантовых системах. Это называется квантовой теорией траекторий (QTT), и она полностью совместима со стандартным формализмом квантовой механики - это просто более детальный взгляд на квантовое поведение. Стандартное описание восстанавливается в течение длительных периодов времени после вычисления среднего для многих событий. В прямом вызове пессимистическому взгляду Шредингера: «QTT имеет дело именно с отдельными частицами и с событиями, происходящими в точности так, как они происходят», - сказал Златко Минев, который получил степень доктора в лаборатории Деворет в Йельском университете. Применяя QTT к эксперименту на квантовой схеме, Минев и его коллеги недавно смогли уловить «квантовый скачок» - переключение между двумя состояниями квантовой энергии - по мере того, как он разворачивался со временем. Они также должны были совершить замечательный подвиг - поймать такой прыжок в полете и обратить его вспять. «Квантовая теория траекторий делает предсказания, которые невозможно сделать с помощью стандартной формулировки», - сказал Деворет. В частности, он может предсказать, как будут вести себя отдельные квантовые объекты, такие как частицы, когда они наблюдаются, то есть когда на них проводятся измерения. Уравнение Шредингера не может этого сделать. Он прекрасно предсказывает, как объект будет развиваться с течением времени, если мы не будем его измерять. Но добавьте измерения, и все, что вы можете получить из уравнения Шредингера, - это предсказание того, что вы увидите в среднем по многим измерениям, а не то, что будет делать любая отдельная система. Например, он не скажет вам, чего ожидать от одиночного квантового скачка. Измерение нарушает уравнение Шредингера из-за своеобразного явления, называемого квантовым обратным действием. Квантовое измерение влияет на наблюдаемую систему: акт наблюдения вводит в систему своего рода случайный шум. Это в конечном счете источник известного принципа неопределенности Гейзенберга. Неопределенность в измерении не является, как первоначально думал Гейзенберг, эффектом неуклюжего вмешательства в тонкую квантовую систему - скажем, фотон, ударяющий частицу и отталкивающий ее от курса. Скорее, это неизбежный результат изначально рандомизирующего эффекта самого наблюдения. Уравнение Шредингера прекрасно подходит для прогнозирования эволюции квантовой системы - если только вы не измеряете ее, в этом случае результат непредсказуем. По словам Девор, квантовое обратное действие можно рассматривать как несовершенное выравнивание между системой и измерительным устройством, потому что вы не знаете, на что похожа система, пока не посмотрите. Он сравнивает это с наблюдением планеты с помощью телескопа. Если планета не совсем в центре кадра телескопа, изображение будет размытым. QTT, однако, может принять обратное действие во внимание. Суть в том, что для применения QTT вам необходимо иметь почти полные знания о поведении системы, которую вы наблюдаете. Обычно наблюдение квантовой системы упускает из виду множество потенциально доступной информации: скажем, некоторые испускаемые фотоны теряются в своей среде. Но если почти все измерено и известно о системе - включая случайные последствия обратного действия - тогда вы можете встроить обратную связь в измерительный прибор, который будет выполнять непрерывные регулировки для компенсации обратного действия. Это эквивалентно настройке ориентации телескопа, чтобы держать планету в центре. Чтобы это работало, измерительное устройство должно собирать данные быстрее, чем скорость, с которой система претерпевает значительные изменения, и это должно происходить с почти идеальной эффективностью. «По сути, вся информация, выходящая из системы и поглощаемая окружающей средой, должна проходить через измерительное устройство и регистрироваться», - сказал Деворет. В астрономической аналогии, планета должна была бы освещаться только светом, исходящим из обсерватории, которая так или иначе собирала бы весь излучаемый свет. Достижение этой степени контроля и сбора информации является очень сложной задачей. Вот почему, хотя QTT существует уже пару десятилетий, «только в течение последних пяти лет мы можем его экспериментально протестировать», - сказал Уильям Оливер из Массачусетского технологического института. Минев разработал инновации для обеспечения эффективности квантовых измерений до 91%, и «это ключевое технологическое развитие позволило нам превратить прогноз в проверяемый, осуществимый эксперимент», - сказал он. С этими нововведениями «можно в любое время узнать, где находится система, учитывая ее недавнюю прошлую историю, даже если некоторые особенности движения будут непредсказуемыми в долгосрочной перспективе», сказал Деворет. Более того, это почти полное знание о том, как система плавно меняется со временем, позволяет исследователям «перематывать ленту» и избегать явно необратимого «коллапса волновой функции» стандартного квантового формализма. Так исследователи смогли переломить квантовый скачок в полете. Превосходное согласие между предсказаниями QTT и экспериментальными результатами позволяет предположить нечто более глубокое, чем простой факт, что теория работает для единичных квантовых систем. Это означает, что весьма абстрактная «квантовая траектория», на которую ссылается теория (термин, придуманный в 1990-х годах физиком Говардом Кармайклом, соавтором Йельской газеты), является значимой сущностью - по словам Минева, ей «можно приписать степень реальности ». Это контрастирует с общим взглядом, когда QTT был впервые представлен, который утверждал, что это был просто математический инструмент, не имеющий четкого физического значения. Но что это за траектория? Ясно одно: это не классическая траектория, означающая путь в космосе. Это больше похоже на путь, пройденный через абстрактное пространство возможных состояний, которое может иметь система, которое называется гильбертовым пространством. В традиционной квантовой теории этот путь описывается волновой функцией уравнения Шредингера. Но важно, что QTT может также учитывать, как измерения влияют на этот путь, чего не может сделать уравнение Шредингера. По сути, теория использует тщательные и полные наблюдения за поведением системы до сих пор, чтобы предсказать, что она будет делать в будущем. Вы можете сравнить это с прогнозированием траектории движения одной молекулы воздуха. Уравнение Шредингера играет роль, похожую на классическое уравнение диффузии, которое предсказывает, как далеко в среднем проходит такая частица с течением времени при столкновении. Но QTT предсказывает, куда пойдет конкретная частица, основываясь на своем прогнозе на подробной информации о столкновениях, которые уже произошла. Случайность все еще в игре: вы не можете точно предсказать траекторию в любом случае. Но QTT даст вам историю отдельной частицы - и возможность увидеть, куда она может направиться дальше.