На лужайке Эйнштейна. Что такое ничто, и где начинается всё - Аманда Гефтер

Вселенная, согласно квантовой теории, – это просто нагромождение суперпозиций. Иногда мы наблюдаем это в странном чередовании полос. Но мне никогда не приходилось оказываться и на Манхэттене и в Бруклине одновременно или повесить одно пальто сразу на несколько вешалок. Если мир действительно такой квантовый, где все эти одновременно живые и мертвые кошки?

Физики назвали это проблемой измерения: в волновой функции закодировано множество возможных состояний, но лишь одно из них дано нам в измерении. Что происходит в процессе измерения, из-за чего распределение вероятностей, описываемое волновой функцией, сводится к одному конкретному исходу? Как из множества разрешенных волновой функцией состояний выбирается одно? Действительно ли выбор происходит случайно и беспричинно? Действительно ли мир на своем самом фундаментальном уровне случаен? Эйнштейн не верил в случайность, но Вселенную, похоже, этот факт не волнует.

Бор утверждал, что квантовые явления, например частицы, обретают реальные свойства только после того, как происходит их измерение; нет смысла даже спрашивать, в каком состоянии они находились до этого. Нет никакого таинственного коллапса волновой функции, говорил он, потому что нечему коллапсировать. Бор не верил, что наблюдатели магическим образом оказывают влияние на результаты экспериментов или создают реальность в результате работы мысли – любой результат измерения объективен независимо от измерительного устройства, будь то детектор или фотопластинка или человеческий глаз.

Нельзя сказать, что он не понимал, насколько серьезной была эта проблема, требуя, как он писал, «радикального пересмотра наших взглядов на проблему физической реальности»[9]. Но в каком-то смысле тот факт, что свойства определялись относительно наблюдателя, не сильно отличался от постулатов теории относительности Эйнштейна, – это Бор с радостью отметил, когда Эйнштейн настаивал на том, что квантовая теория не могла быть полным описанием реальности. «Мне нравится думать, что Луна существует, даже если я не смотрю на нее», – говорил Эйнштейн. В ответ на это Бор писал, что «пересмотр наших взглядов на физическую реальность», которого требует квантовая теория, «может быть поставлен в параллель с тем фундаментальным изменением всех представлений об абсолютном характере физических явлений, который был вызван общей теорией относительности»[10]. Другими словами, квантовая теория, конечно, изнасиловала реальность, но это вы первые начали.

На деле в квантовой теории было что-то гораздо более странное, чем в теории относительности. По крайней мере, в теории относительности существует некая фундаментальная реальность – единое четырехмерное пространство-время, которое просто по-разному выглядит в разных системах отсчета, связанных с наблюдателями, и теория Эйнштейна любезно предлагает инструменты, такие как преобразования Лоренца или диффеоморфные преобразования для перехода между различными системами. Но что является фундаментальной реальностью в квантовой теории? В этой теории как будто не существует реальности вовсе, пока кто-то не сделал измерения.

Конечно, если бы это было так, то не существовало бы наблюдателей, чтобы провести измерения. Наблюдатель сам должен обитать в реальном мире. В этом состояла основная проблема с интерпретацией Бора. Если измерения определяют реальность, то измерительный прибор должен находиться вне реальности, что даже в сумасшедшем квантово-механическом мире выглядит абсолютно невозможным. Кроме того, любой измерительный прибор, включая самого человека, в конечном счете состоит из субатомных частиц, и проведение какой-либо онтологической грани между ними просто вызывает приступ шизофрении.

Утверждение, что частица не имеет никаких «реальных» свойств до тех пор, пока кто-то не измерит их, выглядит особенно странно, когда понимаешь, что некоторые свойства не могут быть измерены одновременно. Это означает, что определенные свойства не могут существовать одновременно. Например, положение в пространстве и импульс частицы. Не существует никакого мыслимого способа измерить одновременно и положение частицы в пространстве, и ее импульс с идеальной точностью. Если вы хотите точно измерить положение частицы, то вам необходимо жестко зафиксированное измерительное устройство, которое не будет двигаться, когда частица столкнется с ним, в противном случае его движение исказит результат измерения. Но если вы хотите точно измерить импульс частицы, то для этого лучше выбирать измерительное устройство, способное легко двигаться при попадании в него частицы, так что его откат регистрирует импульс, переданный частицей.

Неважно, как вы проводите эти измерения: они в любом случае взаимно исключающие. Чем точнее вы знаете положение частицы в пространстве, тем менее точно вы знаете ее импульс. И это не просто практический вопрос. Это не просто потому, что вы не можете измерить то и другое сразу. Частица не может иметь их одновременно. Соотношение неопределенности между координатами и импульсом лежит в основе квантовой теории. Волновая функция частицы в координатном представлении и волновая функция той же частицы в импульсном представлении являются Фурье-образами друг друга – это два в равной степени пригодных, но взаимоисключающих представления одного и того же. Выбрав одно из них, надо забыть о другом. Распределение вероятностей, закодированное в волновой функции, отражает факт такого взаимного исключения. Если вы предположите, что частица обладает одновременно определенным импульсом и определенным положением в пространстве, то полученное распределение вероятностей приведет к расхождению с экспериментом. Другими словами, вы можете делать вид, что все это чисто техническая проблема, отражающая наши ограниченные возможности проводить измерения, а вовсе не фундаментальные свойства реальности, но тогда вы будете получать ошибки.

Таково положение вещей. Частица не может одновременно обладать точно определенными положением в пространстве и импульсом, но наблюдатель может измерить одно из них и волен выбрать то свойство частицы, которое необходимо измерить. Мораль: не существует реальности в обыденном смысле, скрывающейся за квантовой сценой, не существует никакого объективного эйнштейновского мира, который не зависит от наблюдателя. Есть просто вещи, которые мы измеряем. Это походит на парадокс, но, как говорил Фейнман: «парадокс» – это только конфликт между реальностью и ощущением того, что, как мы полагаем, «должно реальностью быть».

Мне было ясно, что в нашей охоте за окончательной реальностью нам с отцом надо быть готовыми к тому, что земля вдруг уйдет у нас из-под ног. Реальность, согласно квантовой теории, – это совсем не фунт изюму, это не привычный нам уютно освещаемый луною мир, который мы знали. Но было также ясно, что Бор и его последователи еще не сказали последнего слова в интерпретации теории – поскольку не существует четкого разграничения между наблюдателем и наблюдаемым миром. Если, предположительно, эта мнимая разделительная линия отмечает место рождения реальности, то было бы важно узнать, что происходит с реальностью, когда эта разделительная линия стирается.

Было также понятно, что нам необходимо внимательно рассмотреть значение и роль «наблюдателей» в целом. Как теория относительности, так и квантовая теория изменили роль, которую наблюдатели играют в физике – наблюдатели не в смысле люди или сознательные существа, но наблюдатели в смысле точки зрения. Теория относительности учит нас, что мы не можем говорить о пространстве и времени без указания системы отсчета. Независимо от наблюдателя эти понятия теряют всякий смысл, поскольку время одного наблюдателя может превратиться в пространство другого. Квантовая механика учит нас, что мы не можем говорить о свойствах материи, не определив сначала, что именно мы измеряем – положение в пространстве, например, или импульс. В сердце обеих теорий одно прозрение: важно направление взгляда. По некой, пока еще неизвестной причине, точка зрения определяет не только то, как мы видим мир, но и сам мир.

Во всяком случае, в этом они совпадают. А в чем же корень их несовместимости? Почему же те «сумасшедшие ребята»[11] так и не смогли заставить идею работать?

Лето в Нью-Йорке было в разгаре, когда мне наконец удалось увидеться с Фотини Маркопулу. Мы договорились о встрече в холле отеля Tribeca Grand. По моим представлениям, там у нас были неплохие шансы найти спокойное местечко, хорошо охлаждаемое кондиционером – к тому времени я уже научилась ценить эту роскошь. В моей бруклинской квартире ее не было, и я брала книгу и блокнот с собой в ванну, чтобы не перегреться.

Я приехала на встречу заранее и заняла столик в углу. Было слишком рано для аперитива или ужина, поэтому зал был почти пуст, только несколько человек сидели кто тут, кто там, болтали, читали журналы, потягивая ледяные напитки, прячась от солнца в затемненном зале, чтобы хоть немного отдохнуть от безжалостной жары.