Издательство «Бомбора» представляет книгу Карло Ровелли «Гельголанд. Красивая и странная квантовая физика» (перевод А. К. Дамбис).
Гельголанд — остров в Северном море, где произошел решающий прорыв в создании квантовой механики, положивший начало столетней научной революции. Что такое квантовая физика? Как она была задумана и что рассказывает нам о нас самих? На чем основывается концепция мира и как это сказывается на нашей жизни и ощущении пространства вокруг? Ровелли превращает изучение квантовой механики в интересный научный и психологический опыт. В очередной раз меняя нашу точку зрения на основы физики, знаменитый ученый приглашает нас в увлекательное путешествие по Вселенной, чтобы мы могли лучше понять свое место в ней.
Предлагаем прочитать фрагмент книги.
2. Если понимать волновую функцию ψ буквально: множественные миры, скрытые переменные и физические коллапсы
Чтобы на банкете физической конференции разгорелась яростная дискуссия, достаточно ненароком спросить соседа: «Как, по-твоему, шредингерский кот бодрствует или спит?»
В 30-х годах, сразу же после создания квантовой теории, ее тайны были предметом бурных дискуссий. Вспомним хотя бы знаменитый многолетний спор Эйнштейна с Бором, продолжавшийся на множестве встреч и конференций и в многочисленных публикациях и письмах… Эйнштейн не хотел отказываться от реалистичного представления о явлениях, а Бор защищал концептуальные новшества теории.
В 50-е годы стало принято игнорировать эту проблему: мощь теории была настолько впечатляюща, что физики привыкли применять ее во всех возможных областях, не задавая лишних вопросов. Но если не задаваться вопросами, то ничему и не научишься.
Оживление интереса к концептуальным проблемам началось уже в 60-е годы, и удивительным образом к этому подтолкнула культура хиппи, которых завораживали странности квантовой теории.
В настоящее время такие споры ведутся среди философов и физиков и по их ходу высказываются взаимно противоречащие точки зрения. Появляются новые мысли, проясняются тонкие моменты. Ученые отказываются от некоторых представлений и идей, в то время как другие выходят на первый план. Те, что выдерживают критику, открывают новые возможности для понимания квантовой механики, но все это ценой необходимости признания поистине странных свойств. До сих пор нет полной ясности в вопросе о соотношении плюсов и минусов разных подходов.
Идеи со временем развиваются, и я надеюсь, что когда-нибудь мы придем к согласию, как это произошло в случае других, казавшихся неразрешимыми великих научных споров: движется ли Земля или неподвижна? (Движется.) Что такое теплота — это жидкость или быстрое движение молекул? (Движение молекул.) Существуют ли на самом деле атомы? (Да.) Состоит ли Вселенная из одной лишь энергии? (Нет.) Происходим ли мы с обезьянами от общего предка? (Да.) И так далее… Эта книга — просто фрагмент текущего диалога: я стараюсь рассказать о современном состоянии дискуссии и о направлении ее развития.
Перед тем как перейти в следующей главе к идеям, которые считаю наиболее убедительными, давайте сейчас резюмируем наиболее обсуждаемые альтернативные точки зрения. Их называют «интерпретациями квантовой механики». Все они так или иначе подразумевают необходимость принятия радикальных гипотез: это множественные вселенные, скрытые переменные, ненаблюдаемые явления и прочие диковинки.
Никто тут не виноват — на крайние меры нас толкают странности теории. Так что остальная часть этой главы — это сплошные домыслы. Если вас они бесят, переходите сразу к следующей главе, где разговор пойдет о сути дела — реляционном подходе. Если же, наоборот, хотите получить развернутое представление о происходящей сейчас дискуссии и выдвигаемых аргументах, то вам будут интересны и домыслы… Так перейдем же к ним.
Многомировая интерпретация
Среди ряда философов, физиков-теоретиков и космологов сейчас очень популярна «многомировая» интерпретация. Идея состоит в том, чтобы принять теорию Шредингера «буквально» и считать волновую функцию ψ не вероятностью, а реальной сущностью, которая описывает мир таким, какой он фактически есть. В определенном смысле это значит забыть о нобелевской премии Макса Борна, присужденной ему за как раз за истолкование волновой функции ψ исключительно как меры вероятности.
Если все действительно так обстоит, то шредингерский кот описывается совершенно реальной волновой функцией ψ. И следовательно, он действительно представляет собой суперпозицию бодрствующего и спящего котов — и оба они существуют в действительности. Но почему, если откроем сейф, то увидим там либо бодрствующего, либо спящего кота, но никак не обоих сразу?
А теперь не упадите. Дело, согласно интерпретации со множественными мирами, состоит в том, что и я — Карло — тоже представляю собой сущность, описываемую волновой функцией ψ. Когда я наблюдаю кота, то моя волновая функция ψ взаимодействует с волновой функцией кота и тоже разделяется на две составляющие: одна представляет вариант меня, который видит бодрствующего кота, а другая — версию меня же, которая видит спящего кота. И обе в рамках предлагаемой картины мира являются реальными.
Таким образом, совокупная волновая функция ψ состоит из двух составляющих — двух «миров». Мир разветвился на «два мира»: один, в котором кот бодрствует и Карло видит бодрствующего кота, и другой, в котором кот спит и Карло видит спящего кота. Итак, теперь у нас два Карло — по одному в каждом мире.
Почему я теперь вижу, например, только бодрствующего кота? Ответ состоит в том, что сейчас я являю собой лишь одного из двух Карло. В столь же реальном и конкретном параллельном мире копия меня видит спящего кота. Вот почему кот может быть одновременно бодрствующим и спящим, но если я на него взгляну, то увижу что-то одно — потому что, взглянув на него, я также раздвоюсь.
Поскольку волновая функция Карло ψ постоянно взаимодействует не только с котом, но также и с бесчисленным количеством других систем, то отсюда следует наличие бесконечного количества других параллельных миров, которые одинаково существуют, одинаково реальны и в которых существует бесконечное множество копий меня, которые производят опыты со всеми возможными альтернативными реальностями. В этом состоит теория множественных миров.
Идея выглядит безумной? Так и есть.
И тем не менее выдающиеся физики и философы считают это лучшей из возможных интерпретаций квантовой теории. Безумны не они, а эта невероятная теория, которая так замечательно работает уже на протяжении целого столетия.
Но неужели, чтобы выйти из тумана, надо предположить конкретное и реальное существование бесконечного числа ненаблюдаемых для нас копий нас самих, скрытых внутри гигантской универсальной волновой функции ψ?
Я вижу еще и другую трудность в этой интерпретации. Исполинская универсальная волновая функция ψ, содержащая в себе все миры, напоминает черную ночь Гегеля, в которой все коровы черные: сама по себе она не дает представления о наблюдаемой нами феноменологической реальности. Для описания наблюдаемых явлений служат другие математические составляющие, а не волновая функция ψ, и многомировая интерпретация не объясняет их.
Скрытые переменные
Есть еще один способ избежать бесконечного размножения миров и наших собственных копий. Такую возможность дает группа так называемых теорий «со скрытыми переменными». Идею лучшей из них подсказал де Бройль, выдвинувший концепцию волн вещества, а сама теория была разработана Дэвидом Бомом.
Дэвид Бом был американским ученым, у которого была трудная жизнь оттого, что он был коммунистом с не подходящей для этого стороны железного занавеса. В эпоху маккартизма он был под следствием, а в 1949 году — арестован и пробыл небольшое время в заключении, после чего был освобожден, но его все равно уволили из Принстонского университета. Бом был вынужден эмигрировать в Южную Америку, где американское посольство изъяло у него паспорт из опасений, что он отправится в Советский Союз…
Теория Бома проста: волновая функция ψ электрона — это реальная сущность, как и в случае многомировой интерпретации, но помимо волновой функции существует также и собственно электрон — реальная материальная частица, у которой в любой момент есть определенное положение. Таким образом, разрешается проблема связи теории с наблюдаемыми явлениями. Речь идет о единственном и однозначном положении, как в классической механике, и никакой «квантовой суперпозиции». Волновая функция ψ изменяется в соответствии с уравнением Шредингера, в то время как реальный электрон движется в физическом пространстве, направляемый волновой функцией ψ. Бом исследовал уравнение, описывающее, каким образом волновая функция ψ может реально «направлять» электрон.
Идея блестящая: интерференционные явления определяются волновой функцией ψ, которая направляет объекты, но сами объекты при этом не находятся в состоянии квантовой суперпозиции. Они в любой момент находятся в определенном точно заданном положении. Кот или бодрствует, или спит. Но его волновая функция ψ состоит из обеих составляющих: одной, соответствующей реальному коту, — и второй, представляющей собой «пустую» волну без реального кота, но эта пустая волна может порождать интерференцию с реальным котом.
Вот почему мы видим кота или бодрствующим, или спящим, и при этом все же наблюдаются интерференционные эффекты: кот, конечно же, находится в од номединственном состоянии, но при этом во втором состоянии находится часть его волновой функции, которая и порождает интерференцию.
Это объясняет описанный выше опыт Цейлингера. Почему, когда я перекрываю один из путей для фотона, это влияет на прохождение фотоном другого пути? Ответ: фотон проходит по одному-единственному пути, а вот его волновая функция — по обоим. Моя рука изменяет волновую функцию, которая, в свою очередь, направляет фотон иначе, чем в отсутствие перекрывающей один из путей руки. Таким образом, моя рука влияет на будущее поведение фотона, даже если этот фотон проходит далеко от руки. Прекрасное объяснение.
Интерпретация со скрытыми переменными возвращает квантовую физику в лоно классической: все детерминировано и предсказуемо. Если нам известны положение электрона и значение волновой функции, то можем предсказать все.
Но все не так просто. Фактически мы никогда не знаем состояния волновой функции, потому что никогда не видим ее, а только лишь сам электрон. Следовательно, поведение электрона определяется переменными, которые остаются «скрытыми» от нас (волновая функция). Переменные скрыты в принципе — мы вообще никак не можем их определить, и поэтому эта теория называется интерпретацией со скрытыми переменными.
Но если принять эту теорию, то придется признать существование целой недоступной для нас физической реальности, которая при ближайшем рассмотрении нужна лишь, чтобы мы не волновались по поводу того, о чем теория не говорит. А стоит ли предполагать существование ненаблюдаемого и никак не влияющего на нас мира, не предусмотренного квантовой механикой, исключительно лишь чтобы уберечь нас от страха неопределенности?
У этой интерпретации есть и другие трудности. Теория Бома нравится многим философам потому, что она дает концептуально ясную картину. Но она не нравится физикам, потому что любые попытки ее применения к более сложным задачам, чем случай одной-единственной частицы, приводят к нагромождению проблем. Например, волновая функция ψ множества частиц не является множеством волновых функций отдельных частиц — эта волна распространяется не в физическом, а в абстрактном математическом пространстве. Исчезает интуитивно понятное и ясное представление о реальности, которое теория Бома предлагает в случае одной частицы.
Но по-настоящему серьезные проблемы возникают при попытке учесть эффекты теории относительности. Скрытые переменные в интерпретации Бома грубейшим образом противоречат самой идее относительности — они задают выделенную, привилегированную систему отсчета. Платой за картину мира, представленную исключительно через детерминированные переменные, как в случае классической физики, оказывается необходимость признания не только принципиально скрытого характера этих переменных, но также и того, что эти переменные противоречат всей совокупности наших знаний в рамках этой самой классической физики. А оно того стоит?
Физический коллапс
Есть еще один способ интерпретировать волновую функцию ψ как реальную сущность, не прибегая при этом ни к множественности миров, ни к скрытым переменным: предсказания квантовой механики можно рассматривать как своего рода приблизительное описание, не учитывающее аспекты, без которых вся картина оказывается недостаточно внятной.
Должен существовать реальный и независимый от наших наблюдений физический процесс, который происходит спонтанно, время от времени, и препятствует «расползанию» волновой функции. Этот до сих пор никогда не наблюдавшийся гипотетический механизм был назван «физическим коллапсом волновой функции». Таким образом, «физический коллапс волновой функции» происходит не вследствие наблюдения, а спонтанно, и тем скорее, чем более макроскопичны рассматриваемые объекты.
В случае с котом волновая функция ψ сама собой должна очень быстро перейти в одно из двух состояний, и кот практически сразу же должен стать или бодрствующим, или спящим. Таким образом, гипотеза состоит в том, что квантовая механика неприменима к макроскопическим объектам вроде котов. Предсказания теорий этого типа отличаются от предсказаний обычной квантовой теории.
Эти предсказания проверялись в разных лабораториях во всем мире, и такие проверки продолжаются по настоящее время. Пока что всегда подтверждались предсказания именно квантовой теории. Большинство физиков, включая и вашего покорного слугу, который пишет эти строки, готовы поспорить, что квантовая теория останется верной еще какое-то время…
3. Принятие неопределенности
Обсуждавшиеся до этого интерпретации квантовой механики имели целью избежать неопределенности, рассматривая волновую функцию ψ как реальный объект. Расплатой за это было добавление к реальности сущностей вроде множественных миров, недоступных переменных или никогда не наблюдаемых процессов.
Но для столь буквального восприятия волновой функции ψ нет никаких оснований.
Функция ψ — это не реальная сущность, а всего лишь математический аппарат для расчетов. Это как прогноз погоды, предварительная смета на строительство дачи, прогнозы букмекеров на скачках. Реальные явления в мире имеют вероятностный характер, и величина ψ — это просто наш способ вычисления вероятности наступления событий.
Интерпретации квантовой теории, в которых волновая функция ψ не рассматривается как нечто реальное, называются эпистемологическими, поскольку толкуют функцию ψ просто как способ описания происходящего нашим сознанием (ἐπιστήμη — «эпистема» — «знание», «наука»).
Примером такого подхода может служить «квантовое байесианство», или просто «кубизм». В этой интерпретации квантовая теория принимается такой, как есть, без попыток каким бы то ни было образом «дополнить» мир. Термин «кубизм» происходит от слова «кубит», означающего единицу информации квантового компьютера. Идея состоит в том, что волновая функция ψ — это просто имеющаяся в нашем распоряжении информация о мире и что физика описывает не мир, а то, что мы о нем знаем. Она описывает имеющуюся в нашем распоряжении информацию о мире.
Когда мы выполняем измерение, то объем информации увеличивается, и поэтому при измерении волновая функция ψ изменяется: не потому, что нечто происходит во внешнем мире, а просто поскольку изменяется имеющаяся в нашем распоряжении информация о нем. Если мы взглянем на барометр, то наш прогноз погоды изменится — не потому, что внезапно что-то изменится в небе, а потому, что мы в это мгновение узнаем нечто, до этого нам неизвестное.
Термин «кубизм» — это также игра слов, намек на кубизм Брака и Пикассо (стиль в живописи, который сформировался в Европе в эпоху, когда достигла зрелости квантовая теория). Кубизм и квантовая теория исходят из образного представления о мире. Картины кубистов зачастую представляют собой наложение несовместимых изображений предмета или человека с разных ракурсов. Точно так же, как в квантовой механике допускается возможность наличия взамоисключающих свойств у одного и того же физического объекта (немного погодя мы обсудим эту идею поподробнее).
В первые десятилетия ХХ века общим местом во всей европейской культуре стало осознание невозможности простого и полного описания мира. В Италии в период между 1909 и 1925 годами, когда зародилась квантовая механика, Пиранделло написал роман «Кто-то, никто и сто тысяч», в котором говорит о дроблении реальности, воспринимаемой с точки зрения разных наблюдателей.
Кубизм отвергает возможность реалистичного представления о мире сверх того, что мы видим или что дают нам измерения. Эта теория оперирует исключительно тем, что видит агент. Недопустимо говорить что-либо о коте или фотоне, когда мы на них не смотрим.
Слабое место кубизма — это его утилитаристский подход к науке. Цель науки не только в том, чтобы делать предсказания. Она должна также давать представление о реальности, концептуальные рамки для понимания вещей. Именно в этом стремлении сила научного мышления. Если бы целью науки было делать предсказания, то Коперник ничего не открыл по сравнению с тем, что было известно Птолемею: его астрономические предсказания были не лучше птолемеевских. Но Коперник нашел ключ к переосмыслению и лучшему пониманию всего.
Есть еще один момент, и это краеугольный камень всей дискуссии: кубизм привязывает реальность к сознающему субъекту, к мыслящему «я», который всегда находится вне природы. Кубизм не видит наблюдателя частью мира, а наоборот, изучает мир как отражение в сознании наблюдателя. Эта теория отвергает подлинный материализм, скатываясь в крайний идеализм. Важнейший момент состоит в том, что и сам наблюдатель может оказаться объектом наблюдения. У нас нет оснований сомневаться в том, что любой реальный наблюдатель также описывается квантовой теорией.
Если я наблюдаю наблюдателя, то могу видеть и то, чего сам наблюдатель не видит. Отсюда по аналогии разум но заключить, что есть то, чего и я как наблюдатель не вижу. Следовательно, сущее больше того, что я способен наблюдать, и мир существует, даже когда я его не наблюдаю. Мне нужна теория, объясняющая, как устроена Вселенная и что представляет собой наблюдатель внутри Вселенной, а не теория, в которой Вселенная зависит от наблюдающего ее меня.
* * *
В конце концов, все перечисленные в этой главе интерпретации квантовой механики всего лишь возвращают нас к спору Шредингера и Гейзенберга — спору между «волновой механикой», стремящейся любой ценой избежать неопределенности мира, и радикальным сальто «детской физики», которая ставит все в слишком уж большую зависимость от существования «наблюдающего» субъекта. В этой главе мы ознакомились со множеством забавных идей, но, в сущности, никак не продвинулись вперед.
Кто же этот познающий субъект, обладающий информацией? Что представляет собой имеющаяся в его распоряжении информация? Что представляет собой наблюдающий субъект? Он что, неподвластен законам природы или также описывается ими? Он вне природы или часть природного мира? Если он часть природы, то зачем рассматривать его особым образом?
И эта очередная формулировка поднятых Гейзенбергом вопросов: «Что характеризует наблюдение? Что такое наблюдатель?» — приводит нас в итоге к отношениям.
