Original Material
Бытие из бита
Иногда случаются любопытные совпадения. Только вышел номер нашей замечательной газеты от 4 октября с моей заметкой о Дэвиде Боме, как тут же объявили лауреатов Нобелевской премии по физике. А присудили ее трем ученым, которые на практике показали, что взгляды Бома, скорее всего, неверны. О сути их работ можно узнать из интервью Бориса Штерна со Станиславом Страупе или из отличной статьи Алексея Левина на сайте «Элементы.ру» 1.
В вышедшем почти десять лет назад сборнике «Наука и предельная реальность» есть статья 2 одного из лауреатов — австрийского физика Антона Цайлингера. Сборник посвящен юбилею Джона Арчибальда Уилера и содержит доклады, прочитанные на проходившем в марте 2002 года симпозиуме по случаю его 90-летия. На симпозиуме присутствовал и сам юбиляр, что, учитывая его почтенный возраст, бывает нечасто. (Одно из исключений — конференция, посвященная 90-летию лингвиста Юрия Дерениковича Апресяна 3. — Ред.)
С момента подготовки Цайлингером этой статьи до присуждения ему Нобелевской премии прошло 20 лет, так что, казалось бы, нечего ее и вспоминать, ведь с тех пор он опубликовал много чего еще, однако там очень четко, просто и понятно изложены его взгляды. Позволю себе приводить обширные цитаты практически без комментариев.
Вот, например, как Цайлингер воспринимает реальность в квантовой теории: «Выбирая прибор, экспериментатор определяет, будет ли данное явление наблюдаться как волна или как частица, и, как только выбор сделан, Природа дает соответствующий ответ, а другая альтернатива исчезает навеки. Итак, можно заключить, что выбором прибора экспериментатор может определять, какая характеристика станет реальностью в эксперименте. В этом смысле сделанный экспериментатором выбор вносит составляющую в реальность, но следует строго предостеречь против субъективистской интерпретации роли экспериментатора или наблюдателя. Ясно, что сознание наблюдателя ни в коей мере не влияет на частицу, в отличие от широко распространенной, но неудачной интерпретации квантовой теории».
Цайлингер вполне согласен со взглядами Нильса Бора, который однажды сказал: «Квантового мира нет. Есть только абстрактное квантовое физическое описание. Неверно думать, что задача физики — обнаруживать, как устроена Природа. Физика — это то, что мы можем сказать о Природе».
На этом основании Цайлингер делает следующий вывод: «То, какой вопрос мы формулируем, задает пределы наших потенциальных знаний о мире. Значит, как в научной деятельности, так и в повседневной жизни мы собираем информацию о мире, информацию, которую всегда можно разбить на вопросы и ответы или на ряд предположений типа „истинно/ложно“».
Отсюда непосредственно следует его подход к информации.
«Такая гигантская система, как галактика, требует для своего полного описания колоссального количества битов информации. Но что происходит с информацией по мере уменьшения размера системы? Очевидно, что при делении системы на две части разумно предполагать, что для описания каждой половинки потребуется половина информации. Будем поэтому делить систему на всё более мелкие части, так что количество битов информации, требующихся для описания системы, будет неуклонно уменьшаться. Ясно, что в конце концов мы придем к фундаментальному пределу, и этот предел достигается, когда система несет всего один бит информации. Очевидно, что меньше уже быть не может. Разумно тогда определить самую элементарную систему следующим образом: наиболее элементарная система несет один бит информации».
«Наше замечание о том, что наиболее элементарная система несет только один бит информации, просто означает, что она может дать ответ только на один вопрос или же сообщать об истинности или ложности только одного высказывания. Теперь можно показать, как это невинное соображение приводит к пониманию таких фундаментальных понятий, как дополнительность, случайность индивидуальных квантовых событий и запутанность».
«Наше представление о том, что самая элементарная система несет лишь один бит информации, ведет к естественному пониманию запутывания. Понятие запутывания (по-немецки Verschränkung) было введено Эрвином Шрёдингером, причем он назвал его наиболее существенной чертой квантовой физики. Запутанное состояние в простейшем случае имеет два квантовых бита, или кубита, несущих значение бита „0“ или „1“. Запутанное состояние означает, что если первый кубит несет значение бита „0“ или „1“, то второй кубит несет другое значение бита „1“ или „0“, так что между обоими имеется полная корреляция. Физически кубитом может быть любая дихотомная (то есть двухуровневая) наблюдаемая, например, спин электрона, поляризация фотона или путь частицы в интерферометре. Наиболее важно то, что описанное состояние представляет собой когерентную суперпозицию двух возможностей, а не просто статистическую смесь».
«Чтобы увидеть связь с информацией, имеет смысл предположить, что две элементарные системы несут лишь два бита информации. Можно просто предположить, что каждый бит информации представляет возможный результат измерения для каждой элементарной системы самой по себе. Будем называть это локальным кодированием. В таком случае любые взаимоотношения между возможными результатами обоих измерений есть лишь следствие информации, переносимой каждой индивидуальной системой. Например, если использовать два бита, каждый из которых определяет спин по оси z, то при этом однозначно определяется, как измерения спина по этой оси соотносятся друг с другом. Это есть, очевидно, дополнительный бит информации, но это не независимая информация, а прямое следствие способа кодирования информации в двух системам самих по себе».
«Но могут быть и совершенно другие ситуации. Вместо определения информации, переносимой каждой системой по отдельности, можно использовать оба бита для представления только того, как соотносятся между собой результаты измерения, выполненного над двумя системами. Тогда состояние единственным образом определяется двумя утверждениями: „два кубита ортогональны в выбранном базисе“ и „два кубита ортогональны в сопряженном базисе“».
«Итак, мы использовали два бита информации; утверждения, очевидно, независимы друг от друга, и не осталось никакой информации для определения результатов измерений индивидуальных систем самих по себе. Поскольку не осталось никакой информации для определения индивидуальных систем как таковых, результат измерения каждой индивидуальной системы самой по себе должен быть совершенно случайным, как и предписывается квантовой механикой. Это и есть загадка запутанности, изложенная в точности по Шрёдингеру».
«Таким образом, получается, что результаты измерения полностью коррелированы, хотя индивидуальные системы вообще не несут никакой информации. Мы показали, как наш принцип конечности информации вместе с таким способом распределения информации между двумя системами непосредственно приводит к интуитивному пониманию запутанности».
«Итак, мы увидели, что наиболее фундаментальные концептуальные понятия или следствия квантовой механики можно легко понять на основе нашего определения наиболее фундаментальной системы как базового элемента информации — бита. Остается лишь проанализировать понятие „системы“. Соблазнительно предположить, что система в нашем смысле есть нечто существующее со всеми своими свойствами само по себе и независимо от наблюдения. Однако при аккуратном рассмотрении понятия элементарной системы оказывается, что она есть всего лишь то, что в конкретной экспериментальной ситуации характеризуется информацией. Следовательно, система есть лишь нечто, к чему относится информация. Другими словами, помимо этой информации ничего нет».
Цайлингер полагает, что позиция, согласно которой во внешнем мире всё же есть некая реальность, независимая от того, что мы о ней знаем, лишена смысла.
«Очевидно, что любое свойство или характеристика реальности „там снаружи“ может основываться лишь на получаемой нами информации. Нет и не может быть ни одного утверждения о мире или о реальности без такой информации».
«Иначе говоря, операционально отделить реальность от информации невозможно. Значит, следуя принципу бритвы Оккама, представление об их различии нужно отбросить, поскольку представление о существовании такого различия не дает ничего, чего нельзя было бы получить без него. Следовательно, изучая фундаментальные элементы информации, мы автоматически изучаем фундаментальные элементы всего мира. Мы уже видели ранее, что любое представление информации основывается на битах. Любой объект представляется колоссальным количеством битов. При переходе ко всё более мелким объектам мы с необходимостью приходим к тому, что такие объекты могут характеризоваться одним битом, двумя битами, тремя битами и т. д., т. е. информация квантована в значениях „истинно/ложно“. С точки зрения нашего представления о том, что информация и реальность — это по сути одно и то же, реальность тоже должна быть квантована. Другими словами, квантование в физике — это то же самое, что квантование информации».
Пожалуй, приведенных цитат достаточно, чтобы составить себе представление о взглядах на реальность одного из Нобелевских лауреатов по физике 2022 года.
Как к ним относиться — судить читателям.
Виталий Мацарский
1 elementy.ru/novosti_nauki/434024/Nobelevskaya_premiya_po_fizike_2022
2 Цайлингер А. Откуда квант? «Ит» из «бита»? Интерактивная Вселенная? Три провидческие проблемы Джона Арчибальда Уилера в их связи с экспериментом // Наука и предельная реальность: квантовая теория, космология и сложность / Ред. Дж. Барроу, П. Дэвис, Ч. Харпер-мл. — М. — Ижевск: ИКИ, 2013. — С. 171–186.