Остров знаний. Пределы досягаемости большой науки Глейзер Марсело

Глава 21. Научиться отпускать

в которой мы начинаем путешествие по миру квантовой физики и узнаем, как она ограничивает область наших знаний о мире

Всего за десять лет специальная теория относительности Эйнштейна и его гипотеза о квантовой природе света перевернули физику с ног на голову. Из тихих волн, распространяющихся по люминофорному эфиру, свет превратился в величайшую загадку – не только в самое быстрое явление в мире, но и такое, скорость которого не зависит от движения его источника; не просто в волну, а в волну, которая может двигаться в пустоте; в нечто, являющееся одновременно и волной, и частицей и не соответствующее нашим представлениям о том, что эти варианты исключают друг друга. Скорость света не просто самая большая в мире – это граничная скорость, установленный Природой максимум. Никакая информация не может попасть к нам раньше, чем свет. Изучая ближние и дальние уголки Вселенной, физики и астрономы поняли, что свет сам по себе является информацией. Собранные данные о разнообразных типах электромагнитного излучения помогают им изучать объекты, расположенные на большом расстоянии от Земли, и формировать картину нашего мира. Из этой книги мы узнали, как существование граничной скорости приводит к возникновению космического горизонта, информация из-за которого нам недоступна.

Еще более удивителен тот факт, что свет способен двигаться со своей скоростью, потому что он не имеет массы. Крошечные частицы света, которые позже были названы фотонами, представляют собой безмассовые сгустки энергии. Итак, физика утверждает, что что-то может существовать без массы, что объект может быть реальным, не будучи при этом материальным. Все сущее определяет физическую реальность, следовательно, новая физика постулирует, что реальность может быть нематериальной. Энергия более фундаментальна, более важна, чем масса. Для более глубокого понимания Природы требовался новый взгляд на нее. Физики должны были научиться отпускать прошлое.

В своей четвертой публикации, вышедшей в 1905 году и занимавшей всего несколько страниц, Эйнштейн вывел свою знаменитую формулу E = mc². Он писал: «Если тело испускает энергию L в форме излучения, то его масса изменяется как L/c²».[117] «Соответственно, – заключил Эйнштейн, – масса тела является показателем содержащейся в нем энергии». Итак, говоря об объектах, мы можем ссылаться только на их энергию (энергию в них). Энергия объединяет массу и излучение, потенциально превращая одно в другое. В конце своей работы Эйнштейн предположил: «Существует вероятность, что эту теорию можно успешно проверить на телах, содержание энергии в которых существенно варьируется (например, на радиевых солях)».[118] И он был абсолютно прав! Радиевые соли, о которых говорит Эйнштейн, представляют собой радиоактивные ядра, которые по мере распада испускают либо более мелкие частицы, либо чистое излучение. Как и предсказывал Эйнштейн, излучение распада, состоящее из фотонов гамма-лучей, имеет энергию, прямо пропорциональную массе, утрачиваемой ядром (умноженной на скорость света в квадрате).

За следующие 25 лет в науке произошел настоящий взрыв. Квантовая революция изменила не только наше видение мира, но и жизнь в нем. Запущенные ею процессы идут и сейчас и будут продолжаться еще долгое время. Мы с вами обратим внимание на первый аспект квантовой революции – ее фундаментальный вклад в наше представление о реальности. Второй аспект связан с более прагматичными и технологическими сторонами квантовой физики, обусловливающими возникновение цифровой эры, в которую мы живем сейчас. Эти аспекты связаны между собой, но все же являются независимыми областями. Иногда мы будем упоминать об использовании цифровых технологий при сборе и анализе данных, но эта тема останется для нас вторичной.

Первый фундаментальный урок квантовой физики состоит в том, что практичный взгляд на мир, основанный на нашем чувственном восприятии реальности, то есть то, что мы часто называем классическим мировоззрением, является лишь приближением. Реальность сверху донизу, от большого до малого, строится на квантовой механике. Классические теории, такие как законы движения Ньютона или электромагнетизм Максвелла, работают потому, что квантовые эффекты слишком малы для больших систем и ими можно пренебречь. Люди такие же квантовые создания, как и электроны, но наша квантовая природа слишком размыта – настолько, что в большинстве случаев ее можно не учитывать. То же самое верно для деревьев, машин, лягушек и амеб, хотя чем меньше становится объект, тем сильнее размывается граница между классической и квантовой картиной мира. Урок очевиден: по мере спуска в микромир реальность все больше и больше отличается от той, к которой мы привыкли.

Первой проблемой, требовавшей решения, было строение атома. В 1911 году Эрнест Резерфорд доказал, что атом состоит из очень массивного и плотного ядра, имеющего положительный заряд и окруженного электронами с отрицательным зарядом. Иллюстрируя открытие Резерфорда, атом часто (и неверно) представляют в виде своеобразной Солнечной системы в миниатюре. Проблема в том, что электрические заряды – это не планеты. Электромагнетическая теория Максвелла говорит, что движущиеся с ускорением электрические заряды излучают энергию. Если это действительно так, каким образом электрон может двигаться по орбите вокруг ядра в течение длительного времени, не падая на него? Резерфорд не мог этого объяснить, но в своих результатах он был уверен.

В 1913 году датский физик Нильс Бор предложил ответ, который поначалу казался довольно странным. Возможно, электроны движутся вокруг ядра по устойчивым орбитам, идущим от центра как ступени лестницы. Как нельзя находиться между ступеньками, так и электрон не может оказаться между орбитами. Каждая из них имеет собственный уровень энергии, и чем выше орбита, тем большей энергией она обладает. Если вернуться к аналогии с лестницей, то для того, чтобы подняться на каждую последующую ступеньку, вам придется затратить больше энергии, чем для предыдущей. И наоборот, спуск требует все меньше и меньше энергетических затрат.[119] Бор предположил (не имея на то никаких предварительных оснований), что, когда электрон опускается на самую низкую орбиту (ступеньку лестницы), он не может двигаться дальше. Эта конечная точка называется основным состоянием.

Бор никак не объяснял подобное положение дел. Преимущество его теории состояло в сочетании классического представления о циркулярных орбитах с идеями Планка и Эйнштейна о дискретных (квантовых) энергиях и частицах света для объяснения типов излучения, которое испускают атомы в возбужденном состоянии. Бор предположил, что для перехода на более высокую орбиту электрон должен поглотить входящий фотон, энергия которого примерно равна энергетической разнице между двумя орбитами. Когда мы поднимаемся по лестнице или едем на велосипеде в гору, нам нужна энергия. То же самое верно и для электрона. И наоборот, когда электрон спускается на более низкую орбиту, он испускает фотоны, энергия которых опять-таки равняется разности в энергетических значениях двух орбит. Так как различные атомы имеют разное количество протонов и электронов и, как следствие, разные орбиты (или уровни энергии), каждый из них обладает уникальным спектром излучения – совокупностью всех возможных прыжков, которые электроны могут совершить по мере движения вниз к основному состоянию. Эти спектральные характеристики из-за их уникальности часто сравнивают с отпечатками пальцев. Они являются ключевыми объектами изучения спектроскопии – хлеба насущного астрономии. Вместо того чтобы организовывать полет к далекой звезде или планете, можно исследовать ее свет и спектральные характеристики.

Совершенно очевидно, что теория Бора была гибридом, переходным звеном. Более подробное описание поведения электронов в атомах появилось лишь после Первой мировой войны, когда физики снова смогли вернуться к своей работе. В то время существовали две школы физической мысли, лидерами которых были Эйнштейн и Бор. Эйнштейн верил, что секреты квантовой физики можно постичь путем изучения дуалистичной корпускулярно-волновой природы света. Бор же, в свою очередь, концентрировался на скачках электронов между атомными орбитами.

В 1924 году Луи де Бройль, бывший историк, переключившийся на изучение физики, блестяще доказал, что ступенчатые орбиты электронов в боровской модели атома легко поддаются объяснению, если представить электрон в качестве стоячих волн вокруг ядра, аналогичных тем, что мы видим, когда дергаем веревку, закрепленную с одного конца. В случае с веревкой стоячая волна формируется в результате усиливающей и ослабляющей интерференции между волнами, движущимися по веревке в обе стороны. В электроне стоячие волны формируются аналогичным образом, только электронная волна замыкается сама на себя, как Уроборос – мифический змей, поглощающий собственный хвост. Чем сильнее мы трясем веревку, тем больше пиков волн можем наблюдать. Точно так же чем выше орбита электрона, тем больше пиков у волны.

При большой поддержке Эйнштейна де Бройль смело экстраполировал понятие корпускулярно-волнового дуализма со света на все движущиеся объекты. С волнами теперь ассоциировался не только свет, но и вообще любая материя. Де Бройль также предложил формулу расчета длины волны любой частицы материи массой m, движущейся со скоростью v (так называемой длиной волны де Бройля).[120]

Бейсбольный мяч, движущийся со скоростью 70 километров в час, имеет длину волны де Бройля, равную 22 миллиардным долям триллионной доли триллионной доли сантиметра (2,2 10^–32 сантиметра). Из-за такого крайне слабого волнения материи мы воспринимаем мяч как твердый объект. Электрон, движущийся с одной десятой скорости света, имеет длину волны, равную примерно половине размера атома водорода (точнее, половине наиболее вероятного расстояния между электроном в основном состоянии и ядром атома). Волновая природа движущегося мяча неважна для понимания его движения, а вот в случае с электроном она крайне релевантна.

Бор, со своей стороны, считал, что любые попытки представить электрон или любой другой квантовый объект в качестве частицы или волны были не так важны, как экспериментально подтверждаемые данные, например энергия атомных орбит и частота и интенсивность излучения, испускаемого атомами. В 1925 году Вернер Гейзенберг, а чуть позже – Макс Борн и Паскуаль Йордан предложили описание поведения атомов, строго соответствующее боровской философии.

Их теория, известная как матричная механика, оттесняла в сторону классические понятия, такие как детерминированное поведение частиц и волн, и фокусировалась на энергии между орбитами и излучении, поглощаемом и испускаемом электронами во время переходов. Матричная механика описывала необычный мир, в котором объекты, не имеющие строгой физической формы, осциллировали между различными состояниями с определенными вероятностями. Частота колебаний определялась разностью энергий между орбитами. Для того чтобы получить этот результат, Гейзенберг создал образ электрона как объекта, «размазанного» в пространстве и, соответственно, не имеющего ни конкретного местоположения, ни скорости (механического момента). Расчеты были сложными, но их результаты подтверждались экспериментально. Странная природа квантового мира потребовала от физиков совершенно нового способа описания физической реальности. В самом сердце материи было спрятано что-то нематериальное, по крайней мере, не являющееся таковым в общепринятом смысле. Атомизм прошел большой путь от Левкиппа, Демокрита, Бойля и Ньютона. Для того чтобы понять самую суть реальности, Природу нужно было открыть заново.

Вот почему, когда Эрвин Шрёдингер опубликовал собственную версию квантовой механики в 1926 году, научное сообщество восприняло ее как огромное достижение. В отличие от абстрактной матричной механики Гейзенберга, Борна и Йордана теория Шрёдингера строилась на волновом уравнении – гораздо более известном и легче трактуемом подходе, соответствующем философии Эйнштейна – де Бройля о дуалистичных частицах и волнах как основе квантового мира. Появилась надежда, что квантовая механика все-таки является детерминистской, то есть может быть сформулирована таким образом, чтобы будущие события напрямую вытекали из прошлых, как в ньютоновской механике, без участия вероятностей. Иными словами, если квантовый мир детерминирован, то, зная положение и скорость частицы в определенный момент времени, а также будучи осведомленными о том, какие силы на нее действуют, мы можем с уверенностью предсказать ее будущее. Восторг научного сообщества еще больше возрос, когда в своей четвертой и последней блестящей работе Шрёдингер доказал равенство своего подхода и теории Гейзенберга, продемонстрировав, что они просто описывали одно и то же явление с двух разных точек зрения. Волновое уравнение Шрёдингера открыло ученым дверь в мир квантовой механики, к физике атомов и молекул. Сегодня оно лежит в основе каждого курса по квантовой механике, в каком бы университете или стране его ни читали.

Энтузиазм, с которым было принято волновое уравнение Шрёдингера, объяснялся надеждой на то, что Бор и Гейзенберг были не правы и что странная природа квантовой физики являлась всего лишь заблуждением, проистекающим из ограниченности наших представлений о Природе. Эйнштейн, Планк, Шрёдингер и де Бройль верили, что за зыбким квантовым миром вероятностей и нестабильности стоит упорядоченная и полностью детерминированная реальность. Вот почему в письме Максу Борну от 4 декабря 1926 года Эйнштейн написал свои знаменитые строки: «Квантовая механика достойна всяческого уважения. Но внутренний голос говорит мне, что это еще не окончательное решение. Теория дает много, но не приближает нас к раскрытию тайн Старого Господина. В любом случае, я уверен, что Он не играет в кости».[121] Вот почему на пятой Сольвеевской конференции в октябре 1927 года Бор посоветовал Эйнштейну: «Прекратите указывать Богу, что делать».

Но надежды Эйнштейна и других так называемых научных реалистов не оправдались. В 1927 году Гейзенберг доказал, что неопределенность является основой квантовой физики, в частности, в том, что касается позиции объекта и его механического момента (или скорости, по крайней мере, для движения на скоростях меньше скорости света). Даже лучшие инструменты не могли определить полоение и скорость частицы с достаточно высокой точностью. Иными словами, мы не можем однозначно сказать, где частица находится и с какой скоростью движется, а ведь именно эти данные являются условиями для детерминистического определения ее поведения в будущем. Для света с его корпускулярно-волновым дуализмом это был вполне ожидаемый результат. Если нечто не является ни волной, ни частицей, но чем-то промежуточным (или совершенно иным), его положение и скорость выявить трудно. И чем меньше объект, тем с большими затруднениями мы сталкиваемся, что соответствует понятию длины волны де Бройля. Мы можем с достаточной точностью установить, что бейсбольный мяч имеет определенное положение в пространстве и скорость, но проделать то же самое с электронами или другими мелкими частицами невозможно.

Возможно, самым загадочным аспектом теории Гейзенберга является тот факт, что неопределенность, присущая квантовой физике, не является технологической проблемой, возникающей из-за ограниченной точности измерительных приборов. Квантовая неопределенность – это фундаментальное выражение того, как природные объекты взаимодействуют на малых дистанциях. Это характеристика мира, отличного от нашего. Мы не можем устранить его с помощью более совершенных технологий. Наоборот, так как измерения означают вмешательство, то чем больше мы стараемся, тем сильнее влияем на то, что пытаемся измерить, и тем быстрее оно от нас ускользает. Квантовый мир находится в постоянном движении, как школьная комната, полная первоклашек. Как бы мы ни старались, мы не сможем заставить его остановиться. Как писал австрийский физик Антон Цайлингер в своей книге Dance of the Photons, «многие века мы пытались проникнуть все глубже и глубже в поисках причин и объяснений, и внезапно, когда мы зашли слишком далеко, до поведения отдельных частиц и квантов, мы поняли, что поиск причин завершен. Причин не существует. Мне кажется, что эта фундаментальная недетерминированность еще не до конца осознана человечеством».[122]

Глава 22. Сказка об отважном антропологе

в которой аллегорически объясняется роль наблюдателя в квантовой физике и то, как измерения влияют на измеряемое

Эта сказка поможет нам понять, как акт наблюдения влияет на его объект. Жил-был однажды отважный антрополог, который провел много лет в поисках затерянного племени в дебрях Амазонки. Об этом племени он узнал из случайного упоминания в письме малоизвестного португальского исследователя, написанном несколько столетий назад. Точное местонахождение племени в письме не указывалось, а сам исследователь пропал без следа. Коллеги потешались над нашим ученым, но отважный антрополог (допустим, его звали Вернером) не оставлял своих поисков. Он был уверен, что в джунглях Амазонки должны были проживать неизвестные племена – если даже не те, что упоминались в письме, так другие. «Если не искать, никогда не найдешь», – говорил Вернер своим сомневающимся коллегам.

После многих ошибок, поворотов не туда и долгих месяцев, проведенных в самых дальних уголках на северо-востоке амазонской сельвы, Вернер наконец наткнулся на небольшую прогалину в роще тропических деревьев. В ней, почти невидимая глазу, была спрятана деревня из 20 хижин. Несколько голых детей бегали по ней, пиная ногами какой-то круглый плод. Вернер улыбнулся: «Даже здесь играют в футбол». Понимая, что местные жители быстро его заметят, он огляделся в поисках укрытия. Наконец Вернер забрался на росшее неподалеку дерево, расстелил свой спальный мешок на широкой ветке и убедился, что рядом с ним не притаилась анаконда или еще какой-нибудь неприятный сосед – с него было достаточно и назойливых мошек. Пищи и воды ему должно было хватить на три дня.

Вернер достал бинокль и блокнот и начал свои наблюдения. Как и в других племенах, женщины проводили большую часть времени в деревне за плетением корзин, уходом за огородами и воспитанием детей. Мужчины и мальчики делали оружие и занимались охотой и рыболовством. Вся деревня действовала как единый организм, в котором каждый был чем-то занят. Люди постоянно сновали туда-сюда. Старейшина и его жена сидели в тени самой большой хижины и молча наблюдали за работой. «Вполне возможно, что все эти люди – одна семья или клан», – подумал Вернер. Он с восторгом осознал, что никто до него не наблюдал за жизнью этого племени в ее первозданном виде: «У них есть все, что может им понадобиться. Лес снабжает их всем необходимым. Невозможно провести границу между человеческой деревней и лесом – они находятся в полном слиянии друг с другом».

Мальчишка, на вид лет пяти, упал и сильно поцарапал ногу. Жена старейшины тут же поспешила к нему и втерла ему в рану немного мази. Мальчик улыбнулся и побежал играть дальше. Судя по всему, боли он больше не чувствовал. «Эта женщина, очевидно, врач племени, – записал Вернер в блокнот. – Нужно узнать, что за травы она использует в качестве анестетика».

Вечером, после того как мужчины и подростки вернулись с охоты, все племя собралось вокруг костра в центре деревни. Старейшина рассказывал им что-то, вероятно предания о давно ушедших днях, а в конце каждого его предложения все племя хором пело какую-то мантру, восхваляя подвиги своих далеких предков.

Когда все племя разошлось по хижинам, Вернер тоже начал готовиться ко сну. «Какая невероятная удача, – прошептал он. – Эти идиоты дома умрут от зависти!» Он чувствовал себя самым счастливым человеком на Земле. Вернер уже почти заснул, когда кто-то встряхнул его за плечи. Его обнаружили! Трое сильных мужчин стащили его с дерева и поволокли в палатку старейшины. Вокруг стояли крики, а жители деревни показывали на него пальцами. Вернера раздели догола и внимательно осмотрели его одежду и тело. Теперь не он изучал их, а они его! «Если я выживу, то сделаю все возможное, чтобы защитить эту деревню», – подумал Вернер. К его удивлению, жена старейшины поднесла ему чашу с горячим напитком и жестами предложила выпить его. Вернер сделал так, как ему было велено, и через несколько минут уже крепко спал.

Когда он проснулся, солнце уже было высоко. Местные жители соорудили для него хижину рядом с жилищем старейшин, ожидая, что он поселится в деревне вместе с ними. Вернер был в восторге. «Итак, я жив. Значит, я могу продолжать наблюдения», – решил он. Но через некоторое время он заметил, что жизнь в клане полностью изменилась. Он стал центром существования как для взрослых, так и для детей. Малыши ходили за ним по пятам, дергали его за бороду и предлагали поиграть вместе с ними с импровизированным мячом. Молодые женщины смотрели на него со страстью, размышляя, каково это – заняться любовью с белокожим мужчиной. Воины все время были начеку, каждую минуту ожидая от него нападения. «Они больше не такие, как прежде, и никогда не будут, – с грустью понял Вернер. – Мое присутствие изменило их поведение, и пути назад нет. Я уничтожил их представления о мире и дал им другие, которые навсегда останутся с ними». Но изменился и сам Вернер. Он уже не был уверен, что хочет домой.

Я рассказал вам историю Вернера, чтобы проиллюстрировать разницу между классическим и квантовым подходом к измерениям. До того, как племя обнаружило Вернера, он обладал «первозданной» информацией о его жизни, то есть факты, которыми он располагал, не были затронуты его присутствием. Это идеальная ситуация для наблюдателя, при которой он не влияет на объект наблюдения и между ними сохраняется дистанция. Наше восприятие реальности в значительной степени зависит от таких наблюдений, учитывая, что мы осознаем присутствие лишь крупных объектов, для которых квантовые эффекты, судя по всему, не имеют большого значения. Мы видим книги, сложенные на столе, машины, проезжающие по улице, мух, жужжащих вокруг нас, и наше наблюдение не влияет на их поведение. Разумеется, если вы сделаете движение в сторону машин или мух, они отреагируют соответствующим образом, но сейчас речь не об этом. Это классическое приближение, мир сенсорного восприятия, в котором квантовые эффекты себя не проявляют. Как мы увидим далее, изучая реалистичность такого приближения (даже если мы считаем ее самой собой разумеющейся, раз приближение строится на том, как мы воспринимаем мир), можно многое узнать о природе квантовой физики.

Вторая часть истории, в которой племя уже знает о присутствии Вернера, является иллюстрацией к пространству квантовых эффектов, в котором акт наблюдения влияет как на наблюдаемый объект, так и на наблюдателя и изменяет их необратимым образом. Ни племя, ни сам Вернер уже не были прежними после того, как его обнаружили. Вернер стал частью племени, а племя – частью Вернера. Они превратились в неразрывное целое. Знание о существовании друг друга повлияло на их истории, и ни Вернер, ни жители деревни уже не могли вернуться к независимому состоянию, которое предшествовало их знакомству. Они «запутались» друг в друге – именно этот термин в 1935 году предложил Шрёдингер для обозначения одной из основных характеристик квантовых систем.

Глава 23. Откуда в квантовом мире берутся волны

в которой мы рассмотрим странную интерпретацию квантовой механики, предложенную Максом Борном, и узнаем, как она усложняет наши представления о физической реальности

Давайте быстро повторим пройденное. За первые 25 лет ХХ века наши познания о физическом мире достигли небывалых высот благодаря теориям относительности Эйнштейна и квантовой механике Гейзенберга, Шрёдингера и их коллег.

Необычность квантовой механики никак не связана с ее эффективностью как физической теории. В принципе, это самое точное описание Природы, которым мы располагаем на сегодняшний день, включающее в себя мельчайшие свойства материалов, молекул, атомов и субатомных частиц. Трудность заключается в интерпретации, то есть в понимании того, что на самом деле происходит в квантовом мире. Мы уже видели, как объекты малого размера могут вести себя то как частицы, то как волны в зависимости от условий эксперимента, которому они подвергаются. Мы знаем, что такое дуалистичное поведение объясняется внутренней недетерминированностью природы, выраженной в принципе неопределенности Гейзенберга. Нам известно, что с учетом этого принципа мы не можем разделять наблюдателя и наблюдаемое, так как сам факт наблюдения влияет на его предмет – и не просто влияет, а, что очень важно, определяет его. Иными словами, если квантовая механика верна, а у нас нет указаний на обратное, наблюдатель определяет физическую природу наблюдаемого. Электрон – это не частица и не волна. Он становится частицей или волной в зависимости от метода наблюдения. При проведении опытов на коллайдере электрон ведет себя как частица, а при прохождении через две узкие прорези создает интерференционный узор как волна. В квантовом мире любое явление – это всего лишь вероятность, лотерея, результат которой зависит от того, кто (или что) вращает барабан.

Научный реалист мог бы возразить на это:

– Но ведь природный объект должен существовать в какой-то форме еще до начала наблюдений.

– Возможно, – ответил бы ему на это последователь квантовой механики. – Но мы ничего не можем сказать про эту форму, и она не имеет значения. Важно лишь то, что благодаря этой странной конструкции мы можем объяснить результаты своих наблюдений.

– То есть вы хотите сказать, что объекты существуют только тогда, когда мы на них смотрим? Электрона нет в природе, пока мы не начинаем с ним взаимодействовать?

– Да, именно это я и хочу сказать. Фактически электрон существует лишь тогда, когда мы измеряем его свойства.

– Но что насчет больших тел? В конце концов, и горы, и деревья, и люди состоят из атомов. Их тоже не существует, пока мы на них не посмотрим?

– Строго говоря, так и есть. Мы не можем знать, реально ли что-то, пока мы не вступим с ним во взаимодействие. Это верно и для макромира. Мы можем лишь предполагать, что крупные объекты существуют, потому что они существовали и до этого. Но пока мы не посмотрим на них, мы не можем быть уверены. На практике большинство людей считает, что существует некая разделительная черта или, еще лучше, переходная зона, после которой классическое описание реальности снова начинает работать. Для объяснения этого существует термин «декогерентность», к которому мы вернемся чуть позже.

– Хорошо. Но никто не знает, где эта переходная зона начинается и заканчивается, верно? Ничто не существует до тех пор, пока мы его не наблюдаем, по крайней мере в теории?

– Я знаю, звучит глупо. Вот почему мы не любим во все это углубляться. Мы используем квантовую механику по необходимости, проводим с ее помощью расчеты и расходимся по домам.

– Ну что ж, если вы не хотите познать истинную природу вещей, а просто используете свою теорию для расчетов, в этом нет ничего страшного. Но разве вы не хотите вырваться из этой тюрьмы практичности?

– Возможно, суть квантовой механики заключается в том, что мы не можем проникнуть в суть реальности, что нам нужно научиться жить с этим осознанием и принять ограниченность наших знаний. Мы должны научиться отпускать.

– Ну нет, так не пойдет. А что насчет всей Вселенной? Разве она не была маленькой до Большого взрыва? Если так, то не значит ли это, что она представляла собой квантовый объект? Но если так и если все вокруг подчиняется квантовой механике, выходит, Вселенная все еще им остается? Или в ней уже работают законы классической механики? Кто выступает в роли ее наблюдателя?

– Прости, дружище, мне пора домой.

– Esse est percipi – «Существовать – значит быть воспринимаемым». Так сказал епископ Джордж Беркли еще в 1710 году.

– Да, но Беркли использовал эту фразу как доказательство существования Бога, вечного наблюдателя, дающего жизнь всему. Не думаю, что это поможет нам понять квантовую механику.

– Но ведь в этом месте тайна всего сущего и природа реальности сходятся воедино и…

– Все, вот теперь я точно ухожу!

Странное квантовое поведение не ограничивается только микромиром. Все вокруг подчиняется квантовой механике, все движется, и ничто не остается стабильным. Разница лишь в том, что на малые объекты это движение оказывает огромное влияние, в то время как в больших телах квантовые колебания незаметны. Суть в том, что мир подчиняется законам не классической, а квантовой механики. Ньютоновское видение мира – это всего лишь удачное приближение, действующее для больших объектов, в отношении которых квантовыми эффектами можно безопасно пренебречь. Тем не менее это не больше чем приближение. Существуют разные способы определить, в какой момент квантовые эффекты перестают быть важны (например, при небольшой длине волны де Бройля по сравнению с параметрами системы, при высоких температурах или сильном внешнем воздействии), но тем не менее они могут оставаться релевантными и в достаточно больших масштабах. Неужели вся Вселенная живет по законам квантовой механики?[123]

Когда Шрёдингер записал свое волновое уравнение, ему нужно было понять, что оно значит, найти подходящую интерпретацию. Что-то присутствовало во времени и пространстве, и в своем уравнении он назвал это что-то волновой функцией, то есть математической функцией пространства и времени (t,x). Так как своей первой задачей Шрёдингер видел объяснение теории де Бройля об электронных волнах, движущихся вокруг ядра атома по разным орбитам, его первым порывом было приравнять волновую функцию к таким волнам. Когда это не сработало, он попробовал интерпретировать свое волновое уравнение как описание плотности заряда электрона. Уравнение представляло электрон чем-то вроде расходящейся от заряда волны и позволяло рассчитать его наиболее вероятное местоположение. В письме Хендрику Лоренцу от 6 июня 1926 года Шрёдингер подошел невероятно близко к правильному ответу, предположив, что в физической интерпретации должен учитываться квадрат волновой функции: «Физическое значение имеет не само число, а его квадратичная функция».[124] Итак, знатоки соотносят количество с абсолютным квадратом (t,x), так как это сложная функция.

Шрёдигер не собирался отказываться от мысли, что его уравнение описывало что-то конкретное. Ему оставался всего один шаг до верной интерпретации, но он не мог отойти от своего научного реализма. Через несколько дней после того, как Шрёдингер опубликовал свою работу, в которой попытался связать волновую функцию с плотностью заряда электрона, Макс Борн выступил с альтернативой, которая ужаснула Шрёдингера, де Бройля, Планка и Эйнштейна. Волновая функция не описывала ни электрон, ни плотность его заряда. Она вообще не была реальна. Борн заявил, что математическая функция, включенная в уравнение Шрёдингера, была всего лишь инструментом для расчета. Ее роль заключалась в том, чтобы указывать на нахождение электрона с определенной энергией в определенное время в определенном месте (так называемую амплитуду вероятности). Возведя ее в квадрат, можно получить плотность вероятности, то есть число от 0 до 1, указывающее на вероятность того, что при измерении позиции электрона он обнаружится неподалеку от определенной точки х.[125]

Важно понимать, что волновая функция указывает амплитуду вероятности электрона на момент времени до начала измерений. После включения устройства, способного засечь электрон, и обнаружения электрона в точке х он продолжит в ней оставаться. Интерференция между устройством и частицей закрепит электрон на своем месте. Уравнение Шрёдингера указывает на вероятность того, что электрон будет где-то обнаружен, но как только это происходит, история заканчивается. Волновая функция коллапсирует в одной точке пространства (в пределах, обеспечиваемых точностью измерений). Каким-то непонятным образом обнаружение электрона устанавливает его местоположение. Волновая функция указывает на то, что его в принципе можно обнаружить в той или иной точке, но его фактическое местоположение неизвестно. Удивительно еще и то, что этот коллапс происходит мгновенно: как бы широко волновая функция ни была распространена в пространстве до начала измерений, в момент измерения она немедленно сжимается до области, окружающей точку нахождения электрона. Это противоречит понятию локальности, предусматривающему, что никакое физическое воздействие не может двигаться быстрее скорости света. Только факторы, у которых имелось достаточно времени для того, чтобы достичь объекта (то есть в узком смысле являющиеся локальными), могут влиять на его поведение. Как же волновая функция, «части» которой расположены на различных расстояниях друг от друга, может сколлапсировать целиком и одновременно?[126]

Возможно, для объяснения лучше будет воспользоваться аналогией. Представьте, что Нильс делает ремонт в доме Вернера в пригороде Манауса, столицы штата Амазонас в Бразилии (после войны Вернер решил не возвращаться в Германию, но не жить же ему из-за этого в джунглях). Дом Вернера стоит на отшибе, окруженный густой растительностью. Нильс вышел из него на минутку, оставив окно открытым. За это время в дом вполз огромный бушмейстер – самая опасная из всех ядовитых змей Бразилии – и уснул, вытянувшись на ступеньках большой лестницы. Заметив открытое окно, Вернер почуял неладное, на цыпочках вышел из дома, заглянул внутрь и увидел спокойно спящего внутри монстра 10 футов длиной. Тяжело дыша, Вернер уже потянулся было за палкой, как вдруг услышал голос вернувшегося Нильса: «Эй, дружище, что происходит?» – «Тссс! Ты что, умереть захотел? Смотри!» Услышав их разговор, змея проснулась и стремительно свернулась в кольцо вокруг одной из ступенек лестницы. Во время сна она не находилась ни на какой конкретной ступеньке, а затем, после взаимодействия с голосом Нильса, сколлапсировала до одной. И, судя по всему, была этим очень недовольна.[127]

Математическая часть квантовой механики описывает действия материи, не ссылаясь на нее напрямую. В уравнении учитываются силы, влияющие на электрон (или иную частицу или атом, который является предметом исследования), но не электрон сам по себе. Таким образом, в нем смешивается реальное (силы и энергия) и нереальное (волновая функция). Волновая функция содержит в себе всю статистическую информацию, которую мы можем получить из физической системы, но не представляет элементы такой системы. Если я брошу камень в пруд и составлю уравнение, описывающее распределение кругов по воде, такое уравнение, наоборот, будет представлять реальную волну. Между волной на поверхности воды и математической функцией будет иметься прямая корреляция, в то время как за волновой функцией в уравнении Шрёдингера не будет стоять реальная волна.

Необычная концептуальная структура уравнения Шрёдингера вызывает вопросы: какие именно объекты оно вообще описывает и где они находятся до измерения? В нашей аналогии бушмейстер растянут по всей поверхности лестницы, то есть одновременно присутствует везде. Но змея, даже будучи, в принципе, квантовым объектом, хорошо соответствует классической модели. Мы можем видеть ее до и после того, как она заметит нас. Кроме того, она не коллапсирует вокруг одной ступеньки мгновенно, а делает это в несколько последовательных этапов. Органы чувств воспринимают потенциальную добычу и запускают нервный импульс, который ведет к сокращению мышц и переводу всего организма в режим атаки. Реальны ли объекты квантового мира настолько же, насколько реальна змея? Возможно ли, что и я, и камень, и пруд состоим из несуществующих элементов? Вопрос реальности – это главный элемент нашего толкования квантовой механики.

Физики сражаются с этим вопросом с самых первых дней ее существования. Эйнштейн, Шрёдингер и научные реалисты полагали, что текущее описание было всего лишь временным вариантом, который вскоре должно было заменить более сложное объяснение. Обратите внимание, как противопоставляются эти два термина – «объяснение» и «описание». Научный реализм предполагает, что наука должна объяснять реальность, что реальные объекты существуют на всех уровнях и что объяснения (если таковые имеются) распространяются на все из них. Эйнштейна больше всего смущала в квантовой физике не ее вероятностная природа, а именно это отрицание реальности в науке. Однажды во время прогулки по Принстону он в шутку спросил друга: «А что, Луны тоже не существует, когда я на нее не смотрю?»

Если оставить в стороне чувство юмора Эйнштейна (впрочем, скоро мы к нему вернемся), объяснение реальности может оказаться слишком сложной задачей даже для науки, в особенности если мы придаем своим объяснениям статус окончательности (что, как я уже говорил, несовместимо с научным прогрессом). Эфир, флогистон, теплород и модель атома Бора – все это описания природных явлений, и неважно, верны они или нет. Во время их создания они играли важную роль мостов между старыми и новыми представлениями. Очевидно, что с точки зрения научного реализма за ними не стояло никакой научной реальности. Для науки с ее постоянно меняющейся точкой зрения гораздо лучше было бы считать наши модели и теории описаниями тех частей реальности, которые мы можем измерить и осмыслить. Когда дело доходит до физической реальности, мы можем говорить не об окончательных объяснениях, а лишь о более или менее эффективных описаниях.

В качестве примера философии научного реализма можно привести теорию скрытой переменной де Бройля – Бома (подробно разработанную Бомом во время работы с Эйнштейном в Принстоне, а затем – в Сан-Паулу, куда Бом уехал в 1952 году, опасаясь преследований маккартистов), которая отражает ранние идеи де Бройля. Бом добавил в квантовую теорию еще один уровень объяснений для описания позиции электрона с большей точностью. Этот уровень он назвал пилотной волновой функцией. Уравнение Шрёдингера оставалось без изменений, просто у него появлялся «предшественник». Как дирижер управляет игрой различных секций оркестра во время исполнения симфонии, так и пилотная волновая функция определяет, каким именно образом волновая функция принимает одно из возможных состояний. Пилотная волна находится одновременно во всех точках пространства, как вездесущее божество. Это свойство физики называют нелокальностью. Иными словами, в соответствии с механикой де Бройля – Бома частицы оставались частицами, а их коллективное движение было детерминировано нелокальным действием пилотной волны. Частицы представляются чем-то вроде группы серферов, покоряющих одну волну, которая и определяет их движение в ту или иную сторону.

В теории де Бройля – Бома поведение электрона было совершенно предсказуемым, и его присутствие в той или иной точке можно было рассчитать с достаточной точностью. Скрытая переменная становилась связующим звеном между классическим видением реальности и зыбким миром квантовой неопределенности. Но для того, чтобы сделать квантовую механику детерминированной, физикам пришлось заплатить свою цену – ввести бесконечную сеть связей и влияний между всем сущим. По сути, вся Вселенная принимает участие в формировании результата того или иного эксперимента. Скорость и ускорение каждой частицы зависят от положения всех остальных частиц. Вселенная определяет условия среды, применимые к каждой подсистеме – от эксперимента с коллайдером до движения облаков в небе. Именно это физики и называют нелокальностью – но с определенной долей сарказма. Неудивительно, что книга Бома о философском основании его концепции называется «Целостность и имплицитный порядок», и неудивительно, что лишь немногие ученые поддержали его подход, хотя некоторые варианты теории де Бройля – Бома все еще являются предметом активных исследований. Одна из проблем состоит в том, что эта теория (по крайней мере, в большинстве своих версий) дает те же результаты, что и квантовая механика, и потому неотличима от нее. Скрытую переменную невозможно вычислить. Нам бы хотелось делать выбор между конкурирующими теориями на основании экспериментов. Если разные теории дают одинаковые экспериментальные результаты, почему бы не выбрать самую простую из них, то есть традиционную квантовую механику без дополнительных пилотных волн? Вот почему я на время оставлю скрытые переменные и сфокусируюсь на том, что именно квантовая механика говорит (или не говорит) нам о природе физической реальности.

Глава 24. Можем ли мы распознать реальность

в которой мы узнаем, как квантовая физика влияет на наше понимание реальности

Одним из самых удивительных выводов из квантовой физики является тот факт, что акт измерения оказывает влияние на измеряемое. По сути, он определяет измеряемое, придает ему физическую реальность. Между наблюдателем и наблюдаемым им объектом создается связь, которую сложно разорвать. Возможно, точнее всего это выразил Паскуаль Йордан, работавший над матричной механикой вместе с Гейзенбергом и Борном: «Наблюдения не просто беспокоят наблюдаемый объект, они создают его… Мы принуждаем [электрон] занять определенную позицию… Мы сами производим результаты измерений».[128]

После возникновения связи исчезает разделение между вами как наблюдателем и оставшейся частью мира (такое разделение мы обычно называем объективностью). Как понять, где заканчиваетесь вы и начинается то, что вы измеряете? Если мы прочно связаны с «внешними объектами», то никаких «внешних объектов» не существует – есть лишь одно неделимое целое. Разделять больше нечего. Вы едины со всей остальной Вселенной. А вот еще один сложный вопрос: если вы связаны со всем миром, то в какой степени вы обладаете свободой? Возможно ли, что наша личная независимость – всего лишь иллюзия? Диктует ли влияние внешних сил наше поведение? Неужели мы подобны паукам, которые не могут существовать без своих паутин?

Здравомыслящий человек мог бы возразить: «Но ведь в реальной жизни все работает совсем не так. Просто оглянитесь вокруг, и вы увидите, что мы отделены от остального мира и существуем независимо от него. Я и стул, на котором я сижу, – это разные вещи. Стул существует самостоятельно, отдельно от меня. Это автономный объект, и в нем нет ничего квантового. Кроме того, не человек обнаруживает частицу – это делает специальное устройство, детектор. А ведь это тоже большой объект, подчиняющийся классическим законам. В заявлении о том, что акт измерения влияет на измеряемое, есть некоторая натяжка. Частица взаимодействует с материалами, из которых сделан детектор, и после достаточного увеличения это взаимодействие фиксируется счетчиком или отслеживающим устройством. За существованием такой частицы не стоите ни вы, ни другое сознание – всего лишь щелчки детектора. Задача квантовой механики – объяснить эти щелчки, и она прекрасно это делает, используя вероятности. Микроскопические объекты не существуют в том же смысле, что вы или я. Они всего лишь создания нашего разума, инструменты для описания того, что мы наблюдаем. К чему вся эта метафизика?»

В приведенном выше параграфе описывается так называемая ортодоксальная позиция, основанная на копенгагенской интерпретации квантовой механики, которую изначально разработали Гейзенберг и Бор для того, чтобы смягчить растерянность и отчаяние ученых, работающих в этой области. Преподаватели квантовой механики обычно не выходят за рамки копенгагенской интерпретации с ее прагматичным подходом к реальности. Эта позиция допустима, но ровно до того момента, пока нам не захочется углубиться в суть вещей. Когда же мы задумываемся о ней, начинает нарастать неприятное ощущение, которое становится все сильнее и сильнее по мере того, как мы продвигаемся дальше.

Несомненно, существование частицы обнаруживает детектор, а не человек. Но ученый и его направленность на предмет, то есть специально подобранная методика организации эксперимента, появляются раньше детектора. Детектор не существует без человека. Он не смог бы работать, если бы его кто-то не включил или не запрограммировал на определенные действия. Данные, полученные детектором, не имеют смысла без участия наблюдателя, который может объяснить скрывающиеся за ними закономерности. Электрон не существует без сознания, которое интерпретирует его существование. Иными словами, существование объекта, будь он квантовым или классическим, зависит от признающего его сознания. Вселенная без разума пуста, так как в ней нет существ, способных понять значение слова «существование». Сама концепция существования подразумевает наличие сознания, способного к высшим рассуждениям. Существование – это конструкция, которую изобрели мы сами, чтобы объяснить свое место в космосе.

Разумеется, это не означает, что Вселенная возникла лишь в тот момент, когда в ней появились сознательные наблюдатели (если только вы не согласны с епископом Беркли и его принципом Esse est percipi). Это произошло гораздо раньше. Люди, а также иные разумные существа, способные рассуждать о сущем, являются продуктами бесчисленных физических и химических реакций, которые не до конца понятным образом сумели породить сложных биологических существ. Для этого потребовалось время – пару миллиардов лет, достаточный срок для того, чтобы сменилось несколько поколений звезд и возникли более тяжелые элементы периодической таблицы, необходимые для появления жизни. Учитывая, что в начале времени не было разумных существ, мы должны заключить, что сознание не является обязательным условием для бытия Вселенной.[129] Если верна гипотеза Мультивселенной, то вселенных может быть множество, и во многих из них нет ни следа жизни. А вот обратное утверждение наверняка будет неверным, ведь жизнь существует только в рамках вселенной. Если отбросить идею бестелесного вселенского Разума, жизнь – это сеть переплетенных между собой физических, химических и астрономических условий, действующих во времени и в пространстве. Вселенная прожила множество эпох своей истории, прежде чем у жизни появилась своя собственная.

Ключевой вопрос заключается не в том, порождает ли сознание Вселенную (эту точку зрения очень трудно научно обосновать), а в том, что происходит со Вселенной после зарождения сознания. Разумеется, от него можно отмахнуться, поверив вслед за Коперником, что во вселенском масштабе нами можно пренебречь, что мы – звездная пыль и в звездную пыль возвратимся. На это я могу ответить вам вот что: позиция Коперника строится на изначально неверном посыле. Неважно, представляем ли мы интерес для Вселенной (правильный ответ – нет). Важно лишь то, как мы вписываемся в нее после осознания своей уникальности как разумных существ. Эту позицию в своей книге A Tear at the Edge of the Universe я называю гуманоцентризмом. Если кратко, мы имеем значение, потому что такие, как мы, встречаются редко. Даже если в космосе есть другие существа, обладающие «сознанием», мы – уникальный эксперимент эволюции.

Какое отношение это имеет к основаниям квантовой физики и природе реальности? Начнем с того, что все, что мы знаем о реальности, проходит через наш мозг. Когда мы разрабатываем эксперимент, чтобы определить, является электрон частицей или волной, «мы» означает человеческий мозг и его способность к мышлению. Детекторы – это продолжения наших органов чувств, фиксирующие события, которые мы затем расшифровываем с помощью внимательного рационального анализа. Мы не вступаем в прямой контакт с электронами, атомами или иными объектами квантового мира. Все, что у нас есть, – это вспышки, щелчки, звонки, линии и потоки данных, которые мы пытаемся интерпретировать. Микромир четко показывает нам, насколько ограничены наши описания реальности. Вот только кроме них у нас ничего нет. Поэтому они на очень глубоком уровне отражают нашу человеческую суть, пути нашего стремления к знаниям и границы, за которые мы не можем зайти. Мы существа, ищущие смысла, и наука – это один из плодов нашего вечного стремления к пониманию реальности.

Несмотря на то что я много лет использовал квантовую механику в своих исследованиях, а также преподавал ее и теорию квантовых полей в университете, когда я взялся за изучение литературы о различных ее интерпретациях, меня заполнило ощущение потери. Неужели реальность может быть настолько туманной? Самым печальным было то, что у этого вопроса отсутствовал простой ответ, общепризнанный выход из ситуации. При расчете квантовых вероятностей мы все совершаем одни и те же действия, но при этом взгляды на то, как квантовая механика сочетается с реальностью, сильно расходятся. Возможно, правильного ответа вообще не существует, а есть лишь разные способы посмотреть на вопрос. Как мы увидим дальше, сложность состоит в том, что некоторые странные квантовые эффекты заставляют нас пересмотреть собственное отношение к Вселенной. Может ли быть такое, что мы и Вселенная – не отдельные сущности, а единое целое? Лишь тот, кого совершенно не привлекает интеллектуальный поиск, может оставаться равнодушным к очарованию квантового мира, к манящим тайнам, в которые погружено наше существование, навсегда заключенное в пределы Острова знаний. И лишь тот, кто равнодушен, не чувствует смеси ужаса и восхищения от того, что суть реальности непознаваема.

В 1935 году Эйнштейн совместно с Борисом Подольским и Натаном Розеном (далее мы будем сокращать эту троицу до ЭПР) опубликовал работу, в которой попытался указать на абсурдность квантовой механики. Вся суть работы отражена в ее заголовке: «Можно ли считать полным объяснение физической реальности, данное квантовой механикой?»[130] У авторов не возникало никаких сомнений в верности самой теории: «Правильность теории определяется степенью соответствия между теоретическими заключениями и человеческим опытом. Опыт, который сам по себе позволяет нам делать выводы о реальности, в физике принимает форму измерений и экспериментов». Проблема, по их мнению, состояла в полноте квантового описания мира. Поэтому они предложили рабочий критерий для определения элементов воспринимаемой нами физической реальности – те физические величины, которые могут быть предсказаны с точностью (то есть с вероятностью, равной единице) без вмешательства в систему. Соответственно, должна существовать такая физическая реальность, которая совершенно не зависит от наших измерений. Например, ваш рост и вес – это элементы физической реальности, так как они могут быть точно измерены (с учетом погрешности измерительных приборов). В принципе, они также могут быть измерены одновременно без влияния друг на друга. Когда кто-то измеряет ваш рост, вы не прибавляете в весе и не худеете. В мире, которым управляют квантовые эффекты, такое четкое разделение невозможно для определенных важных пар значений, что отражается в принципе неопределенности Гейзенберга. ЭПР отказывались это терпеть.

Мы уже знаем, что отношение неопределенностей мешает нам одновременно узнать местоположение и скорость (точнее, механический момент) частицы. Это верно и для многих других пар «несовместимых» значений. Энергия и время также несовместимы, и между ними имеется такое же отношение неопределенностей, как между положением в пространстве и моментом. Еще одним примером является спин частицы – квантовое свойство, которое мы ассоциируем со своего рода внутренним вращением и визуализируем (пусть и не совсем верно) как обращение частицы вокруг своей оси. Квантовые частицы со спином похожи на вращающихся дервишей, только они никогда не останавливаются. Кроме того, вращение всегда происходит с одной и той же угловой скоростью, но при этом разные частицы могут иметь разные спины. Разнонаправленные спины (например, вращение слева направо или сверху вниз) несовместимы – мы не можем измерить их одновременно. В классической физике таких ограничений не существует, так как большинство значений совместимы друг с другом.[131]

Если значения совместимы, вы можете получить их одновременно без каких-либо ограничений. В квантовой физике при несовместимости значений применяется принцип неопределенности, поэтому информация, которую мы можем получить о них обоих одновременно, ограниченна. Если мы знаем скорость частицы, но также хотим вычислить ее местоположение, измерение такого местоположения заставит ее переместиться в определенную точку, «сжимая» ее волновую функцию. Иными словами, измерение активно влияет на частицу и изменяет ее первоначальное состояние. Более того, о первоначальном местоположении вообще нельзя говорить, так как до начала измерения существовали лишь вероятности присутствия частицы тут или там.

Но давайте вернемся к публикации ЭПР. Мы видим, что несовместимые значения нарушают предложенный ими критерий принадлежности физической переменной к физической же реальности. Так как измерять свойства частицы означает влиять на нее, сам акт измерения не соответствует понятию реальности, независимой от наблюдателя. Измерение создает реальность, в которой частица находится в определенной точке в пространстве. ЭПР считали такое объяснение абсурдным. Реальность не должна зависеть от того, кто или что на нее смотрит.

ЭПР рассматривали пару идентичных частиц, движущихся с одинаковой скоростью в разных направлениях. Давайте назовем их частицами А и В. Их физические свойства были зафиксированы в момент их взаимодействия, после которого они разлетелись в разные стороны.[132] Предположим, детектор определяет местоположение частицы А. Так как частицы имеют одинаковую скорость, мы также знаем, где в этот момент находится частица В. Если наш прибор сумеет измерить скорость частицы В в этой точке, мы будем знать и ее местоположение, и момент. Это противоречит принципу неопределенности Гейзенберга, который гласит, что невозможно одновременно получить информацию о скорости частицы и ее положении в пространстве. Кроме того, мы будем знать свойство частицы В (ее местоположение), не наблюдая ее. Согласно определению ЭПР, такое свойство является частью физической реальности. Даже если квантовая физика настаивает на том, что мы не можем узнать его до измерений, это, очевидно, не так. Соответственно, квантовая механика представляет собой неполную теорию физической реальности. В конце своей статьи ЭПР выразили надежду на появление лучшей, более полной теории, которая сможет вернуть физике реализм.

Бор ответил ЭПР всего через шесть недель, причем его работа вышла под тем же заголовком (не уверен, что это было бы возможно сегодня). В своей статье Бор ссылается на понятие комплементарности, которое предполагает, что в квантовом мире нельзя разделять детектор и то, что он наблюдает. Взаимодействие частицы с детектором вводит в состояние неопределенности не только частицу, но и сам детектор, так как они неразрывно связаны между собой. По сути, акт измерения устанавливает измеряемые свойства частицы и делает это непредсказуемым образом. Мы не можем сказать, имела ли она какие-либо свойства до измерения. Учитывая это, мы также не можем наделять эти свойства физической реальностью в том смысле, который подразумевали ЭПР: «Очевидно, что конечное взаимодействие между объектом и измерительными приборами… ведет… к необходимости отказаться от классического представления о причинно-следственных связях и радикально пересмотреть наш подход к вопросу физической реальности»[133] (выделение авторское).

В своем классическом учебнике Дэвид Бом развивает эту мысль: «[Мы предполагаем, что] свойства заданной системы существуют в нестрогой, но определенной форме и что на более точном уровне они не выступают определенными свойствами, но лишь вероятностями, которые более точно проявляются в интеракциях с подходящими для этого классическими системами, например измерительными аппаратами».[134] Бом завершает свою аргументацию ярким пассажем: «Итак, мы видим, что такие свойства, как местоположение и момент, не просто представляют собой не полностью определенные и противоположные вероятности. При высокоточном описании мы даже не можем считать, что они принадлежат только электрону, так как реализация этих вероятностей зависит от электрона в той же степени, что и от системы, с которой он взаимодействует».[135]

Согласно Бору и его последователям, ЭПР строят свои рассуждения на традиционном классическом допущении о существовании реальности, независимой от измерений. От этого допущения необходимо было отказаться. Реальность – куда более странная штука, чем ее хотел видеть Эйнштейн. Все, что мы можем, – это исследовать ее с помощью наших измерительных приборов и толковать результаты, используя вероятностную интерпретацию, которую предлагает квантовая механика. Если за Природой и стоит что-то, это что-то непознаваемо. Гейзенберг писал: «То, что мы наблюдаем, – это не сама Природа, а Природа, которая выступает в том виде, в каком она представляется нам благодаря нашему способу постановки вопросов».

У ЭПР можно различить черты платоновского идеализма – представления о существовании конечной реальности, основы всего сущего, доступной для познания. Различие состоит в том, что для Платона эта реальность представлялась абстрактным миром идеальных форм, в то время как Эйнштейн и научные реалисты видели ее вполне конкретной, хоть и сложной для осознания. Столкновение этих взглядов с прагматичной Копенгагенской интерпретацией и с комплементарностью Бора было неизбежным.

Неужели Эйнштейн, Шрёдингер и научные реалисты всего лишь следовали за античной мечтой о полном понимании мира? Как далеко мы можем зайти в изучении базовой структуры Природы и не будет ли это изучение всего лишь разглядыванием теней на стене? Действительно ли основы сущего непознаваемы?

Шрёдингер отказывался в это верить. В 1935 году, вдохновленный работой ЭПР и ответом Бора, он написал собственную статью, критикующую квантовую физику, в которой и появился его знаменитый кот. Шрёдингер высмеивал теорию, которую сам же помогал создать, вернее, ее экстраполяцию на объекты макромира. И какой-то смысл в этом был.

Представьте себе кота, закрытого в ящике вместе с устройством, которое Шрёдингер назвал «адской машиной»: счетчиком Гейгера, прикрепленным к контейнеру с радиоактивными атомами и бутылке с цианидом. При распаде атом испускает частицу, счетчик Гейгера регистрирует ее и запускает механизм, который открывает бутылку с цианидом, убивающим кота. Если же атом не распадается, кот остается жив. Очевидно, что внешний наблюдатель не сможет сказать, жив кот или нет, до тех пор, пока не откроет коробку. Соответственно, пишет Шрёдингер, если верить квантовой механике, то до открытия коробки кот будет одновременно и жив и мертв. Волновая функция, описывающая всю систему, будет содержать равное количество элементов живого и мертвого кота (он будет находиться в суперпозиции к обоим состояниям).[136]

Согласно копенгагенской интерпретации, сам факт наблюдения приведет к 50 %-ной вероятности смерти кота. Вот уж воистину убийственный взгляд! Но и это еще не все: если кот был либо жив, либо мертв до того, как вы открыли коробку, то это должно подтверждаться его прошлой историей. Он либо был отравлен, либо нет. Означает ли это, что акт наблюдения на самом деле определяет прошлое, то есть направлен во времени назад? Возможно, один взгляд не убивает кота, а воссоздает прошлое?

На это можно ответить, что в роли наблюдателя в данном случае выступает не человек, открывающий коробку, а счетчик Гейгера. Если атом распадается и счетчик это регистрирует, то это является актом наблюдения. В ответ вы могли бы заявить: так как мы не знаем, что на самом деле происходит внутри коробки, то и взаимоотношения между котом и счетчиком неважны. Значение имеет только взгляд, который мы бросаем в коробку, так как он вводит в эту историю наблюдателя.

В основе этой задачки лежит парадокс, которого не существовало в классической физике. В квантовой физике троица, состоящая из наблюдателя, измерительного устройства и измеряемого объекта, формирует новую единицу реальности, которая измеряется волновой функцией. Как писал Шрёдингер, их индивидуальные волновые функции «запутаны».[137] В принципе, при рассмотрении этой единицы мы можем учитывать всю Вселенную, так как на нас воздействуют различные ее силы: гравитация Юпитера, солнечная радиация, притяжение гигантской черной дыры в центре Млечного Пути и еще одной – в центре галактики Андромеды, пролетающая за окном птица, плывущие по небу облака, волны, набегающие на берег на пляже в Ипанеме, и т. д. Как эта связанная Вселенная соотносится с актом наблюдения, в котором наблюдатель должен быть отделен от наблюдаемого? Но если наблюдатель и наблюдаемое не разделены, то как понять, где заканчивается одно и начинается другое? Разве это разделение не лежит в основе измерений?

К счастью, большая часть наших измерений такова, что мелкими квантовыми эффектами, возникающими в результате взаимодействия между наблюдателем и его аппаратурой или наблюдателем и остальной Вселенной, можно пренебречь. Их чистое статистическое воздействие гораздо меньше, чем типичные экспериментальные ошибки, возникающие из-за ограниченности измерительных приборов. Поэтому мы вполне можем рассматривать наблюдателя и его устройство как два отдельных объекта, взаимодействующих исключительно в соответствии с классическими физическими законами. Кроме того, так как состояния измерительных приборов одинаковы для разных наблюдателей (мы слышим одни и те же щелчки счетчика Гейгера, видим одни и те же отклонения стрелки или следы в диффузионной камере и т. д.), мы считаем эти состояния не зависящими от факта наблюдения или характеристик наблюдателя. Наши измерения удобным образом сводятся к анализу данных, собранных классическим устройством, которое было разработано для восприятия и усиления сигналов в наблюдаемой системе. Такое описание верно до тех пор, пока мы четко разделяем шкалы измерений, так чтобы измерительное устройство вело себя в соответствии с классическими законами.

Это четкое разделение между наблюдаемым объектом и измерительным прибором, лежащее в основе принципа комплементарности Бора, имело смысл 60 лет назад, когда разница в масштабах действительно была велика. Однако многие современные эксперименты направлены на исследование мезомира – загадочной границы между классическими теориями и квантовой физикой. Размеры объектов мезомира измеряются в миллионных долях сантиметра (примерно такими параметрами обладают бактерии). Мы можем визуализировать отдельные атомы и, более того, манипулировать ими, как в знаменитом эксперименте IBM 1989 года, когда Дон Эйглер с помощью сканирующего туннельного микроскопа составил из 35 атомов аргона логотип компании. Нанотехнологии изучают состав устройств на мезоскопическом уровне и используют квантовые эффекты. Некоторые устройства настолько чувствительны, что могут улавливать колебания нулевой энергии квантовых гармонических осцилляторов, успешно обнаруживая энергию в вакууме. Туманность квантового мира больше не кажется недостатком. Она используется на практике для разработки новых технологий – от безопасных компьютерных систем до ультрачувствительных сенсоров и потенциально новых типов компьютеров.

В результате граница между квантовым и классическим миром утрачивает четкость. Во многих случаях ученые не могут больше прятаться за удобный и прагматичный постулат Бора о разделении квантовой системы и классического измерительного устройства. Они напрямую сталкиваются со странностью квантового мира. Это объясняет, почему сегодня над основами квантовой механики работает куда больше физиков, чем, например, 20 лет назад.[138] Но мы так и не получили ответа на свой вопрос. Является странность квантового мира неизбежной частью Природы, или мы можем что-то с ней сделать? Для нас очень важно ответить на него, ведь, если странность квантовой механики доступна для объяснений, это будет означать дальнейший рост нашего Острова знаний, а если нет, нам придется признать, что значительная часть физической реальности не просто неизвестна нам, а непознаваема в принципе.

Критики задачи о коте Шрёдингера заявляли, что кот – это просто слишком большой объект для того, чтобы изолировать его от всего остального мира и поместить в суперпозицию по отношению к двум состояниям (жизни и смерти). Вся эта идея сама по себе непрактична и потому бессмысленна. На первый взгляд, так и есть. Но как провести четкую границу? Австрийский физик Антон Цайлингер с группой коллег провели несколько потрясающих экспериментов, заставляя все большие и большие объекты проходить через препятствия с двумя прорезями, чтобы проверить, будут ли они вызывать интерференционные узоры, как электроны и фотоны.[139] В 1999 году они успешно провели интерференцию фуллеренов – крупных сферических молекул, похожих на футбольные мячи и состоящих из 60 атомов углерода. Недавно они включили в свои опыты крупные органические молекулы и планируют проверить, могут ли вирусы находиться в суперпозиции квантового состояния и интерферировать. По мере увеличения объекта и уменьшения его волны де Бройля становится все сложнее (а также все дороже) изолировать объект от внешнего влияния и поместить его в суперпозицию двух или более квантовых состояний. Если бы всего один фотон вырвался из коробки, отскочив от кота, и если бы мы зафиксировали его движение, мы смогли бы определить, стоит кот или лежит. Всего один фотон мог привести к коллапсу волновой функции кота. Придет день, и ученые, экспериментирующие с квантовой интерференцией, попытаются провести через препятствие с двумя отверстиями бактерию. Как жизнь отреагирует на квантовую суперпозицию? Предполагает ли она классическое состояние материи?

Шрёдингеру было известно об этих трудностях, и его задача была не экспериментальной, а умозрительной. Существует ли граница между странностью квантового мира и нашим, предположительно более разумным, восприятием реальности? На первый взгляд, мир не сделан из квантовых состояний в суперпозиции. Рассмотрев три знаменитые публикации 1935 года (работу ЭПР, ответ Бора и статью Шрёдингера), мы видим, почему большинство физиков предпочитают просто игнорировать происходящее и заниматься своим делом, со спокойной душой измеряя скорости переходов и квантовые суперпозиции. Но если вдуматься в то, что хотели сказать нам ЭПР, и посмотреть, как текущие эксперименты опровергают их утверждения (доказывая, например, возможность влияния на расстоянии со скоростью выше скорости света), невозможно относиться ко всей этой истории как к чисто философскому диспуту. Эйнштейн и Шрёдингер были уверены, что Природа пытается нам что-то сказать – может быть, нам стоит прислушаться? Этим-то мы и займемся дальше.

Глава 25. Кто боится квантовых призраков

в которой мы еще раз рассмотрим претензии Эйнштейна к квантовой физике и поймем, что они говорят нам о мире

Пока вы еще не окончательно приняли аргументы Бора против ЭПР и не стали приверженцем прагматического подхода в квантовой физике, давайте рассмотрим одну современную концепцию, которая была реализована экспериментально.

При поляризации света его сопряженная волна движется вверх и вниз в направлении поляризации, как человек, который едет верхом на лошади. Такое направление электрического поля характерно для электромагнитной волны. Фотоны поляризованного света тоже поляризуются. Неважно, как это происходит, – важно то, что у фотонов появляется такое свойство и его можно измерить.

Представьте себе, что в ходе эксперимента источник света испустил два поляризованных фотона, движущихся в разных направлениях, например направо и налево. Два физика, Элис и Боб, стоят слева и справа от источника на расстоянии 100 ярдов каждый. Так как фотоны движутся со скоростью света, детекторы Элис и Боба засекут их одновременно.

[ЭЛИС] – (ИСТОЧНИК) – [БОБ]

Теперь давайте представим, что детектор может идентифицировать два возможных варианта поляризации фотонов – вертикальную и горизонтальную. Источник света всегда испускает фотоны с одинаковой поляризацией. Ни Элис, ни Боб не знают, какова поляризация этой пары фотонов, пока они ее не измерят. Предположим, Элис узнает, что ее фотон имеет вертикальную поляризацию. Значит, и фотон Боба будет поляризован вертикально. То же самое верно и для горизонтальной поляризации. Несмотря на то что фотон с равной вероятностью может иметь любой из вариантов поляризации (они распределяются случайным образом), Элис и Боб всегда будут получать одинаковый результат: два фотона, испускаемые одним источником, связаны между собой. Они ведут себя как единое целое.[140]

Элис решает немного приблизиться к источнику света. Ее детектор регистрирует фотон и определяет, что тот имеет вертикальную поляризацию. Она тут же понимает, что точно так же и будет поляризован фотон Боба, хотя тот еще даже не был зарегистрирован его детектором. Но, согласно квантовой механике, мы можем определить состояние чего-либо, только посмотрев на это. А так как двигаться быстрее скорости света невозможно, значит, Элис мгновенно (или, по крайней мере, со сверхсветовой скоростью) повлияла на фотон Боба, не взаимодействуя с ним!

Удивительно, но этот эффект не зависит от того, на каком расстоянии друг от друга находятся Элис и Боб. Неважно, разделяют их десять миль или множество световых лет, – результат будет тем же. Учитывая точность имеющихся у нас на сегодняшний день приборов, нам кажется, что все происходит мгновенно. Обратите внимание, что между двумя фотонами не произошла передача информации. Они не «говорили» (не взаимодействовали) друг с другом никаким (известным нам) способом. Они вели себя как единое целое, невосприимчивое к разделению в пространстве. Эйнштейн назвал это влияние на расстоянии загадочным и мистическим квантовым призраком. Учитывая, что он уже сделал с духом Ньютона (описав гравитацию как локальное воздействие, а не как влияние на расстоянии), можно понять, почему квантовый призрак тоже его заинтересовал. Эйнштейн умер в уверенности, что его следует изгнать. Но возможно ли это?

Такие связанные пары частиц создаются и анализируются во многих лабораториях по всему миру. Измерение одной частицы из двух мгновенно (или, по крайней мере, со сверхзвуковой скоростью) влияет на другую вне зависимости от расстояния до нее. Давайте рассмотрим этот эксперимент более подробно.