Кто на самом деле наблюдает? Физика без внешнего зрителя

Когда речь заходит о квантовой механике, да и о физике вообще, почти всегда всплывает слово «наблюдатель». Кот Шрёдингера жив и мёртв одновременно, пока его не «понаблюдали». Эксперимент с двумя щелями ведёт себя иначе, если «кто-то смотрит». Друг Вигнера где-то в лаборатории видит определённый результат, а сам Вигнер снаружи — нет.

Но вот в чём странность: практически никто толком не объясняет, что такое наблюдатель с точки зрения физики. Это сознание? Любой прибор? Кошка? Камень? Большинство текстов по квантовой механике используют слово «наблюдатель» так, будто оно самоочевидно — а оно, оказывается, совсем не самоочевидно.

Серия работ (см. Список литературы в конце), о которой пойдёт речь, пытается закрыть именно эту брешь: дать физическое, проверяемое определение того, что делает кусок материи наблюдателем, а не просто камнем — и заодно показать, на что такой наблюдатель в принципе не способен, как бы он ни был устроен.

Главное правило: наблюдателя снаружи не бывает

Отправная точка простая и, если вдуматься, довольно радикальная: в природе нет и не может быть внешнего наблюдателя. Любой, кто наблюдает за Вселенной, сам сделан из того же вещества, что и всё остальное во Вселенной. Нет никакой привилегированной точки зрения «снаружи» — только взгляды изнутри.

Это звучит очевидно, пока не начинаешь разбираться, что из этого следует. А следует из этого удивительно много — и именно это и стало предметом нескольких связанных друг с другом работ.

Чем наблюдатель отличается от камня

Первый серьёзный вопрос: если наблюдатель — просто часть физической системы, то чем он отличается от любой другой части? Камень тоже часть Вселенной. Термометр тоже. Означает ли постулат «наблюдатель встроен», что камень — тоже наблюдатель?

Оказывается, нет — но различие тоньше, чем кажется на первый взгляд.

Возьмём камень на солнце. Он нагревается от света — значит, как-то реагирует на внешнее воздействие. Но реакция эта очень бедная: разные вспышки света (яркие, тусклые, с разных сторон) сливаются для камня в одно и то же — он просто становится чуть теплее или холоднее. Один параметр, одна «шкала показаний». А главное — то, как камень поведёт себя дальше, при следующем воздействии, зависит от этой температуры лишь количественно, не качественно: нагретый камень по-прежнему просто камень, только чуть теплее.

Сравним с фотопластинкой. На ней вспышка оставляет не просто «больше или меньше», а узор — пространственно детализированный, неповторимый отпечаток, который в принципе может различать огромное число разных входных сигналов. И этот узор потом реально влияет на то, как пластинка взаимодействует со светом в будущем.

Разница между камнем и пластинкой — не в степени нагрева, а в структуре: способна ли система различать разные воздействия и проносить это различие в своё будущее поведение, а не просто регистрировать факт «что-то произошло».

Из этого вырастает формальное определение: наблюдатель — это физическая подсистема, которая

(1) действительно часть системы,

(2) её состояние меняется в зависимости от того, что именно произошло (а не эволюционирует само по себе, без всякой связи с внешним миром),

(3) разные воздействия оставляют различимые следы, и

(4) это различие влияет на дальнейшее поведение системы — не затухает мгновенно.

Наблюдатель или просто инструмент?

Но и этого оказывается недостаточно. Представьте прибор, который идеально записывает результат измерения — а потом вся его «память» целиком исчерпывается этой записью, в нём не остаётся вообще ничего сверх самого факта «было вот это». У такого прибора нет собственного состояния, отличного от того, что он только что зафиксировал.

Почему это важно? Потому что третья сторона, столкнувшись с таким прибором дважды, не может сказать — «это тот же самый прибор, который я видел раньше» или «это два разных прибора, в каждый из которых просто вписали число». У прибора попросту нет ничего, по чему его можно было бы узнать — всё его содержимое целиком объясняется последним измерением.

Этот критерий — назовём его условно «собственная ёмкость» — оказывается неожиданно полезным инструментом. Он даёт точный ответ на вопрос, который давно и неформально обсуждается в контексте знаменитого мысленного эксперимента «друг Вигнера»: можно ли считать фотон полноценным наблюдателем, если его используют в роли «друга» в соответствующих экспериментах? Формальный ответ: нет, не в этом узком случае — простая двухуровневая система (поляризация фотона) целиком расходуется на запись самого результата, резерва не остаётся. Это не философская придирка, а конкретное, проверяемое структурное отличие «наблюдателя» от «регистратора».

(Интересно, что это же самое различие помогает доказать теорема о запрете клонирования квантовых состояний — та самая теорема, из-за которой невозможно скопировать неизвестное квантовое состояние. Она не даёт прибору «собственную ёмкость» сама по себе, но объясняет, почему эту ёмкость нельзя подделать третьей стороне, если она всё-таки есть.)

То, чего не может ни один наблюдатель

Теперь главный результат — и, пожалуй, самый контр -интуитивный.

Представим наблюдателя сколь угодно мощного: огромного, с гигантским объёмом памяти, несоизмеримо превосходящего всё, что он пытается наблюдать. Казалось бы, уж такой-то, если его сделать достаточно большим, сможет в итоге знать всё о своём окружении.

Не сможет. И дело не в недостатке мощности.

Доказывается (строго, через элементарные свойства квантовой запутанности), что данные любого наблюдателя о собственном состоянии никогда логически не определяют однозначно состояние всего, что находится вне него. Остаётся принципиальная неустранимая неопределённость — причём её размер не зависит от того, насколько наблюдатель велик по сравнению с окружением. Увеличение наблюдателя в тысячу, в миллион раз эту неопределённость не уменьшает ни на йоту.

Более того — природа этой неопределённости не в запутанности как таковой. Даже если наблюдатель вообще никак не запутан с окружением (находится в максимально «чистом», независимом состоянии), проблема остаётся той же: собственное состояние системы попросту никогда логически не содержит в себе информацию о том, что происходит снаружи. Это не следствие квантовой странности — это следствие самого факта, что у наблюдателя есть граница, отделяющая его от остального мира.

Практический вывод звучит почти афористично: абсолютно всезнающий, идеальный наблюдатель — физически невозможен, в принципе, для любой системы любого размера и устройства, пока у неё вообще есть хоть что-то снаружи.

Коллапса волновой функции на самом деле нет

Один из самых растиражированных образов квантовой механики — «коллапс»: до измерения частица находится сразу во всех возможных состояниях, а в момент измерения волновая функция мгновенно «схлопывается» к одному варианту. Из этой же линии работ получается неожиданно спокойный ответ на вопрос, что здесь происходит на самом деле.

Если смотреть на всю замкнутую систему целиком — наблюдателя, то, что он наблюдает, и вообще всё, что с этим связано, — никакого коллапса не происходит никогда. Эволюция такой системы всегда остаётся строго унитарной: это не гипотеза, а прямое следствие базовых уравнений квантовой механики, которые никто не отменял. Ничего нигде не «схлопывается».

То, что наблюдатель воспринимает как коллапс, — локальный эффект. Когда наблюдатель по-настоящему (не тривиально) взаимодействует с чем-то — то есть выполняет ровно то, что в начале статьи было названо условием (2) определения наблюдателя, — он запутывается со средой, и его собственная «чистота» падает: растёт то, что физики называют энтропией его подсистемы. Снаружи, с точки зрения самого наблюдателя, это выглядит как внезапный выбор одного варианта из многих. Но на уровне целого ничего не выбиралось — информация о «каком именно» варианте просто оказалась распределена между наблюдателем и средой, которые теперь связаны квантовой запутанностью. Это и есть декогеренция — хорошо изученный, стандартно принятый в физике механизм, которым теперь можно пользоваться на вполне конкретном, формальном уровне.

И есть ещё более неожиданная деталь. Этот рост «локальной энтропии» наблюдателя — не дорога в один конец. Для замкнутой конечной системы работает теорема о возврате Пуанкаре: рано или поздно (на практике — через время, которое проще назвать астрономическим, чем выписать цифрами) система возвращается сколь угодно близко к своему исходному состоянию, и кажущийся коллапс как бы отматывается назад. Для любой реальной, макроскопической системы это время настолько огромно, что неотличимо от «никогда» — но в самой математике дверь не захлопнута насовсем, и это принципиально иной статус утверждения, чем «коллапс необратим».

Принцип значимости: у познания наблюдателя есть потолок, и его можно посчитать

Это отдельная, самая, пожалуй, неожиданная по заходу работа из всей серии статей.

У физики давно есть точный, строгий ответ на вопрос: «что вообще может повлиять на эту точку пространства-времени?» — это принцип причинности: ничто, кроме содержимого светового конуса в прошлом этой точки. Простой, красивый, абсолютно надёжный закон.

А вот у симметричного вопроса: «а сколько вообще может узнать, различить, зафиксировать наблюдатель, сидящий в этой точке?» до сих пор строгого ответа не было. Причинность ограничивает, что может дотянуться до наблюдателя. Но ничто формально не ограничивало, сколько из дотянувшегося наблюдатель способен на самом деле различить.

Оказывается, такой ответ можно получить — и не из новой гипотезы, а из уже существующей, давно принятой физики, просто ещё никем не собранной для этой конкретной цели. Строительные блоки хорошо известны по отдельности: граница Бекенштейна (энтропия ограниченной физической системы не может быть сколь угодно большой — она упирается в её размер и энергию), затем формула Хокинга для энтропии горизонта чёрной дыры, и, наконец, ковариантная энтропийная граница Буссо — красивое геометрическое утверждение: сколько бы вещества ни пересекало определённым образом выбранную световую поверхность («световой лист»), его энтропия не может превышать площадь этой поверхности, делённую на крошечную планковскую константу. Это не предположение о том, как устроена Вселенная изнутри, — это следствие того, как ведут себя световые лучи в искривлённом пространстве-времени.

Дальше — чисто информационный шаг. Берём стандартную теорию различения сигналов (ту же математику, что лежит в основе пропускной способности любого канала связи — Wi-Fi, оптоволокна, чего угодно) и спрашиваем: если у наблюдателя есть доступ только к веществу, которое физически пересекло его «световой лист», сколько вообще различных вариантов происходящего он в принципе способен различить, допуская небольшую, наперёд заданную вероятность ошибки? Ответ получается явной формулой: число различимых вариантов не может превышать экспоненту от площади горизонта наблюдателя, делённой на планковскую площадь — ту же самую комбинацию констант, что и в знаменитой формуле энтропии чёрной дыры Бекенштейна-Хокинга.

Иными словами: у причинности есть напарник. Причинность говорит, что может долететь до наблюдателя. Принцип значимости говорит, сколько из долетевшего наблюдатель в принципе способен «переварить» — и эта граница считается явно, через площадь его собственного горизонта.

Важная деталь, которая отличает это рассуждение от похожей, но более смелой и гораздо более спорной идеи («голографический принцип» в духе Бэнкса-Фишлера — что всё гильбертово пространство видимой Вселенной буквально конечномерно). Та гипотеза — до сих пор не доказанный, активно оспариваемый постулат. Здесь же не нужно ничего постулировать про устройство всей Вселенной — хватает только того, что конкретный наблюдатель способен операционально различить, опираясь исключительно на уже доказанную геометрическую границу Буссо. Это гораздо более скромное, но зато куда более надёжно обоснованное утверждение.

И снова, в духе всей этой серии работ, здесь честно показаны границы: доказательство сейчас твёрдо работает для одного конкретного момента измерения, с фиксированной (маленькой) вероятностью ошибки, и опирается на дополнительное, явно обозначенное физическое предположение о том, как именно доступная наблюдателю система связана с веществом на световом листе. Распространить результат на всю историю наблюдателя целиком, свести вероятность ошибки строго к нулю и снять то самое дополнительное предположение — три отдельных, пока не закрытых технических вопроса, прямо перечисленных в работе как открытые, а не спрятанных под общими фразами.

А что, если наблюдатель — сам погибает в момент наблюдения?

Здесь естественно всплывает ещё один вопрос: должен ли наблюдатель вообще «жить» после измерения? Нет, не обязан. Представьте датчик, помещённый в ядерный реактор, который фиксирует вспышку нейтронного излучения — и в тот же момент его физическая основа буквально разрушается этим же самым излучением. Наблюдение и гибель наблюдателя происходят одновременно, в одном и том же физическом событии. Это совершенно законный, хотя и предельно короткий, случай наблюдателя — «наблюдатель на один шаг». Никакого противоречия и никакого исключения из правил тут нет: просто цепочка состояний наблюдателя обрывается там, где обрывается, и это не баг, а честное описание реальности.

Корабль Тесея для наблюдателей

И последний, пока открытый вопрос, который стоит упомянуть, потому что он красиво завершает картину. Если наблюдатель — это не фиксированный объект, а последовательность непрерывно меняющихся физических состояний (как и всё живое, кстати — клетки организма обновляются, воспоминания перезаписываются), то что делает все эти состояния одним и тем же наблюдателем, а не чередой разных систем, каждая из которых на секунду становится «наблюдателем» и тут же уступает место следующей?

Это классический парадокс корабля Тесея, только теперь поставленный предельно конкретно: запрет клонирования не даёт третьей стороне подделать «текущую копию» наблюдателя в любой отдельный момент — но ничего не говорит о том, остаётся ли это тождество в силе от момента к моменту. Вопрос пока открыт — и это честно признано, а не спрятано за красивой формулировкой.

Зачем всё это вообще нужно

Может показаться, что это игра в определения. Но мотивация куда серьёзнее: современные попытки построить квантовую теорию гравитации регулярно опираются на понятие «наблюдателя» — его горизонт, его доступную информацию, его способность различать конфигурации Вселенной — не давая этому понятию строгого физического основания. Серия описанных работ пытается подвести под это фундамент: не философский, а проверяемый, математически строгий с явными доказательствами и, что не менее важно, — с честно обозначенными местами, где доказательств пока нет.

Физика, в отличие от популярных пересказов, не стесняется говорить «это мы доказали, а вот это — пока открытый вопрос». В данном случае таких открытых вопросов осталось немало. И это, пожалуй, не недостаток, а именно то, как выглядит наука, когда она добралась до по-настоящему интересного места.

Список литературы:

• Определение наблюдателя. Defining the Observer: A General Physical Criterion, Its Relation to Existing Models, Impossibility of the final ascent, and the Impossibility of the Ideal Limit
• Теорема о невозможном для наблюдателя. The Embedded-Observer No-Go Theorem: Non-Reconstructibility, Non-Autonomy, and Their Quantitative Form for Tensor-Factor Observers in Finite-Dimensional Closed Quantum Systems
• К Принципу значимости. Toward a Principle of Significance: A Holographic Bound on the Physically Distinguishable Configuration Space of a Bounded Observer (Once more on the finitude of the Universe)
• Наблюдатель или инструмент. Observer or Instrument? The Physical Status of the Friend in Local Friendliness Experiments
• Философские выводы о границах познания. Причинность, Значимость и Первая антиномия чистого разума Канта.
• Кот Шредингера
• Друг Вигнера