В которой мы пытаемся разгадать квантовую загадку

Квантовая механика напрямую сталкивает нас с неизвестным и заставляет многих физиков чувствовать себя неуютно. «Неизвестное» – это приговор для науки, которая создана для того, чтобы иметь дело с непознанным и постепенно устранять его. Эйнштейн, Шрёдингер и научные реалисты отрицали саму возможность того, что некоторые секреты Природы могут так и остаться нераскрытыми. Они признавали, что наши знания об окружающем мире ограниченны и как минимум, неполны, но считали, что это объясняется нашим собственным несовершенством, а не какими‑то скрытыми глубокими мотивами. Они надеялись, что вероятностный характер квантовых систем является не фундаментальным, а оперативным. В конце концов, вероятности используются и в другой успешной теории – статистической механике, описывающей поведение газов и систем с множеством частиц, – но в этом случае она лишь отражает практическую неспособность отследить поведение каждой отдельной частицы среди триллионов точно таких же. Вместо этого мы описываем среднее общее поведение частиц и рассматриваем любые отклонения от него как статистические погрешности. Реалисты надеялись, что что‑то подобное произойдет и в квантовой механике, и таким образом вероятностное поведение станет не внутренним свойством, присущим системам малого размера, а лишь продуктом нашего ограниченного понимания истинной природы микромира.

Точно такие же ожидания слышатся в словах некоторых физиков, которые заявляют, будто знают, как объяснить происхождение Вселенной с помощью квантовой механики и общей теории относительности. Разумеется, этого не знает никто, и до настоящего времени у нас имелись лишь очень упрощенные модели, основанные на множестве неподтвержденных предположений. Эти ожидания не просто беспомощно наивны, но и философски недопустимы. Ведь любую модель в физических науках поддерживают идеализированные концепции, такие как пространство, время, энергия и закон ее сохранения. Происхождение Вселенной включает в себя появление всех этих понятий. Но откуда же они взялись? Кроме того, модели формулируются с помощью так называемых граничных условий, которые предполагают четкое разделение между предметом исследования и его окружением. Очевидно, что такие границы сложно провести, если предметом исследования является вся Вселенная целиком, даже с учетом особенностей геометрии кривых.

Пытаясь объяснить происхождение Вселенной с помощью физических моделей, мы можем надеяться максимум на создание жизнеспособного описания первых мгновений космической истории в соответствии с данными, которые мы можем получить. Это масштабное и крайне волнующее предприятие, но нельзя приравнивать его к объяснению всего сущего. Для этого нам пришлось бы начать с поиска источников физических законов, в соответствии с которыми работает Вселенная, а эта тема находится вне юрисдикции современных физических теорий, включая те, которые предполагают существование Мультивселенной (где законы физики могут отличаться от наших). В части I книги мы уже обсуждали, что любые теории о различающихся законах в разных вселенных лишь дополнительно сбивают ученых с толку. Более того, если мы хотим добиться хоть какого‑то прогресса в понимании квантовой природы происхождения Вселенной, нужно уточнить, какую роль в ней играет нелокальность – что возвращает нас к дискуссии о запутанности и декогерентности.

К счастью, 40 лет ярких экспериментов принесли свои плоды. Мы уже знаем, что можно исключить расширения квантовой теории, в которых используются скрытые переменные, ведь, если такие расширения и существуют, они все равно не являются локальными и, соответственно, не помогают изгнать призрак «воздействия на расстоянии», которого так боялся Эйнштейн. Нелокальность – это неотъемлемая характеристика запутанности, а запутанность – неотъемлемая часть квантовой механики. Почему она кажется нам такой странной? Потому что так и есть! Запутанность настолько хрупка и нестабильна, что ее сложно поддерживать в течение длительного времени и на больших расстояниях. Экспериментальные физики идут на разнообразные ухищрения, чтобы продлить срок ее существования. Она подвергается многочисленным воздействиям со стороны окружающей среды – термальным, вибрационным, гравитационным, даже взаимодействиям между ее собственными колеблющимися атомами. Луна не может одновременно находиться в нескольких местах на своей орбите, потому что она не является изолированной системой. На нее постоянно попадают фотоны солнечного света (поэтому‑то мы можем ее видеть) и космические лучи, она состоит из мириадов атомов, подвергается влиянию гравитационных сил от Солнца, Земли, нас с вами и т. д. Все эти факторы уничтожают возможные суперпозиции «Луна там» и «Луна тут». Более крупные объекты трудно отделить от декогерирующего влияния внешнего мира. Наша классическая реальность выступает из декогерированных теней квантового мира.

Связь между классической и квантовой физикой очень зыбкая. Некоторые системы могут проявлять типично квантовое поведение на удивительно больших расстояниях и в длительные сроки. Цайлингеру удалось идентифицировать связанные фотоны через сотни километров; кристаллы и крупные молекулы могут оказываться в суперпозиции и демонстрировать интерференционные узоры, как фотоны и электроны. При правильном подходе связанность можно сохранить. Однако не следует забывать, что это происходит в искусственных лабораторных условиях под тщательным надзором экспериментаторов. Я не сомневаюсь, что эти достижения будут совершенствоваться и в ближайшие десятилетия окажутся реализованы при создании первых рабочих квантовых компьютеров, приведут к распространению квантовой криптографии и иному практическому использованию спутанности и случайности квантовых систем.

Эти случаи практического применения, основанные на странных свойствах квантового мира, заставляют нас задаться интересным вопросом: можем ли мы поднять суперпозицию и запутанность до уровня макроскопических объектов, возможно, даже живых организмов? Зависит все просто от достаточного финансирования научной работы (как однажды заявил Цайлингер) или существуют более фундаментальные препятствия, мешающие экстраполяции квантовых эффектов на системы с высоким уровнем сложности? Если мы сумеем создать для бактерии состояние квантовой суперпозиции и провести ее через две прорези в препятствии, что это будет значить? Может ли жизнь существовать при квантовой интерференции?[165] Возможно, этот вопрос представляет собой переформулированную проблему квантовой механики, о которой говорил Белл, – проблему существования разрыва между двумя мирами. Декогерентность может объяснить, почему классическая и квантовая реальность кажутся нам настолько отличными друг от друга. Но можем ли мы создавать квантовые эффекты самостоятельно и увеличивать их до масштабов нашего мира? Иными словами, если квантовые эффекты лежат в самой основе реальности, можем ли мы превратить их из щелчков и вспышек на экранах приборов в объекты прямого наблюдения? И если да, поможет ли это нам познать истинное значение вещей?

Не уверен, что хоть кто‑то знает ответ на этот вопрос. Лично я думаю, что это невозможно, и проблема здесь заключается не только в экспериментальной ограниченности, но и в тех аспектах квантовой физики, которые мы знаем на сегодняшний день. Эксперименты, связанные с ЭПР, показали, что случайность – неотъемлемая часть природы. Когда Элис и Боб измеряют спин или поляризацию связанных частиц, они не знают, какой результат получат. Ни одна из наших теорий не может предсказать результаты разового квантового измерения. Что еще хуже, после исключения локальных скрытых переменных эта теория кажется в принципе невозможной. Так что, если «истинное значение вещей» предполагает традиционную надежду реалистов на абсолютное познание Природы, у нас ничего не выйдет. Наш подход к знаниям требует пересмотра в свете открытий квантовой механики. Некоторые аспекты реальности навсегда останутся скрытыми от нас. Остров знаний вечно будет окружен океаном не просто непознанного, но непознаваемого.

В этом утверждении нет никакого пораженчества. Цель науки состоит в том, чтобы в меру своих возможностей выяснить, как работает Вселенная. Наука не предназначена для того, чтобы отвечать на все вопросы. Надеяться на это бессмысленно, особенно когда мы сталкиваемся с природой знаний, о которой говорится в этой книге: постоянно расширяющейся, постоянно изменяющейся, четко отражающей наш подход к миру и вопросы, которые мы задаем (можем задать) ему в тот или иной момент времени. Знания, которыми мы обладаем, определяют знания, которыми мы можем обладать. Тем не менее, как сказал бы физик, именно таковы наши исходные данные: после нескольких первых шагов ситуация становится непредсказуемой, а финал – открытым. По мере изменения наших знаний мы начинаем задавать новые вопросы, которых не могли предвидеть ранее.

Сегодня мы знаем, что нелокальность следует принять как часть физической реальности и что существуют долговременные квантовые эффекты, которые, судя по всему, преодолевают границы пространства и времени. Новый рубеж, открывшийся перед нами, будет продвигаться все дальше и дальше вглубь запутанности, в том числе изучать возможность ее применения к более масштабным системам и адаптации к сильному влиянию среды. Нам неизбежно придется задуматься о роли квантовых эффектов в мозгу и об их потенциальном влиянии на мозг, причем зайти в этих исследованиях гораздо дальше Вигнера. Может ли соучастная вселенная Уилера оказывать влияние на Вселенную в целом? Судя по всему, информация является ключевым элементом в определении физической природы квантовых объектов. Условия эксперимента, которые мы устанавливаем, и вопросы, которые мы задаем, задают характеристики этих объектов при обнаружении: если у нас нет данных о пути квантового объекта, возникает интерференция, а если есть, интерференция отсутствует. Реальность зависит от того, как мы с ней взаимодействуем, по крайней мере в квантовых системах.

И здесь мы сталкиваемся с понятием намерения, с выбором способа взаимодействия. Пускай волновую функцию обнаруживают и «схлопывают» детекторы, но устанавливают их люди. Без сознания с определенным уровнем сложности, способного к толкованию наблюдений, реальности вообще не существует. В нашем случае такое сознание генерируется человеческим мозгом, поэтому естественно было бы задаться вопросом: сам мозг является классическим или квантовым объектом? Или, если говорить более научным языком, в какой степени квантовые эффекты имеют отношение к функционированию мозга?

Несмотря на то что идеи Роджера Пенроуза и Стюарта Хамероффа, например, об изучении квантовой когерентности в микротрубочках, были опровергнуты экспериментами и теоретическими расчетами,[166] подобные темы столь сложны, а наши текущие знания настолько примитивны, что многие вопросы остаются без ответов. Возможно, квантовые эффекты проявляют себя в межсинаптических щелях, например, когда ионы, движущиеся от одного синапса к другому, рассеиваются при прохождении через приемочные ворота. А возможно, происходит нечто совершенно иное. Мы знаем, что квантовые эффекты играют большую роль в фотосинтезе, оптимизируя и ускоряя процесс поиска наилучших энергетических путей. Такие же эффекты могут наблюдаться и в мозгу и отвечать за эффективность нашей обработки информации и, соответственно, за существование различных уровней сознания. Пускай существующие предположения о роли квантовых эффектов в человеческом сознании кажутся невероятными, можно с уверенностью сказать, что этот вопрос остается открытым.

Мы покидаем атомный век и вступаем в эпоху информации. Метафоры, которыми мы пользуемся и которые строятся на наших знаниях, меняются. От ужаса холодной войны и угрозы взаимного уничтожения, нависавшей над нами в 1960–1970‑е годы, мы перешли к миру, в котором с беспрецедентной скоростью пересекаются культурные барьеры, а значительная часть населения планеты пользуется одними и теми же продуктами и услугами. Для работы с новыми знаниями и их потенциалом возникают новые дисциплины: квантовая информация и квантовые вычисления, теория сетей, анализ данных и его практическое применение, теория сложности и т. д. В их основе лежит понимание того, что информация – это ключ к знаниям. Мы должны изучать информацию, свое взаимодействие с ней и способы, с помощью которых она определяет наши знания. Разумеется, в ходе такого изучения мы обнаружим, что количество информации, которую мы можем извлечь из мира с помощью наших технологий, будь то математика или информатика, строго ограничено. Гораздо удивительнее то, что эти границы могут многое сказать о том, кто мы такие, и о нашем поиске смыслов в век науки.

Часть III. Сознание и смысл

Математик, подобно художнику или поэту, создает образы. Если его «образы» долговечнее их образов, то потому, что они состоят из идей.

Г. Х. Харви. Апология математика

Затем здесь, в Копенгагене, за те три года в середине двадцатых мы открыли, что не существует точно определенного объективного мироздания. Что мир существует только как серии приближений. Только в пределах границ, очерченных нашим к нему отношением. Только посредством разума, приютившегося в голове человека.

Майкл Фрейн. Копенгаген

Сегодня мы понимаем, что человеческое сознание – это не логический, а аналоговый механизм, работающий на догадках, на эстетике и красоте и исправляющий собственные ошибки.

Дуглас Р. Хофштадтер. Предисловие к книге «Теорема Геделя»

Существует два пути рассуждения – путь времени и истории и путь вечности и безвременья. Оба они являются частью попыток человечества понять мир, в котором оно живет. Ни один из них не сводится к другому и не понимается через него. Они, как говорят физики, представляют собой комплементарные элементы, дополняющие друг друга, и ни один из них не рассказывает всю историю целиком.

Дж. Роберт Оппенгеймер. Наука и взаимопонимание