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 бо́льшие и бо́льшие 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.