Мир физики и физика мира. Простые законы мироздания - Джим Аль-Халили

и мощном математическом основании, оказывается, что мы вполне можем с ней справиться, если узнаем, как пользоваться ее правилами в прогностических целях и использовать этот мир для разработки новых технологий, пусть даже философы в отчаянии заламывают руки и неодобрительно качают головами. В конце концов, ноутбук, на котором я сейчас печатаю этот текст, не появился бы на свет, если бы на основе квантовой механики не возникла современная электроника. Но когда мы посмотрим на вещи с прагматической точки зрения, придется принять, что сами мы становимся не более чем элементом квантовой механики – практиками и лаборантами, которые не обращают внимания на то, как и почему квантовый мир ведет себя таким образом, а просто принимают его как есть и двигаются дальше. А я всеми фибрами своей души чувствую, что для физиков это должно быть по-другому. Разве их главной задачей не является объяснение мира? Квантовая механика без интерпретации уравнений и символов является просто математическим аппаратом, который позволяет рассчитать и прогнозировать результаты экспериментов. Этого недостаточно. Физика должна показывать, как результаты опытов объясняют реальный мир.

Многие физики могут не согласиться с этим утверждением, как, собственно, и один из величайших мыслителей в истории науки, отец квантовой механики Нильс Бор. Он обладал таким влиянием, что сейчас, когда я это пишу, я не могу не чувствовать некоторой вины из-за несогласия с одним из тех, перед кем я всегда преклонялся. И все же я не готов отказаться от своих убеждений. Несомненно, философские взгляды Бора определили то, как несколько поколений физиков относятся к квантовой механике; одновременно, по мнению многих, они в чем-то препятствовали и замедляли прогресс в этой области. Бор утверждал, что физика должна заниматься не познанием сути явлений природы, а только тем, что можно сказать об этих явлениях, об «аспектах нашего существования». Эти два противоположных взгляда, онтологический и эпистемологический, оба могут быть правильными: то, что физики говорят о сути явлений природы даже в квантовом масштабе, должно соответствовать тому, что эта природа собой представляет, или быть максимально приближенным. В конечном счете я всегда выступаю на стороне «реалистов», хотя иногда меня гложут серьезные сомнения.

С другой стороны, нас подстерегает опасность направить все наше внимание на странность квантовой механики и проглядеть ее мощный потенциал в качестве научной теории. Ибо такое внимание привлекает шарлатанов, как яркий свет – мотыльков. Самые неожиданные на первый взгляд предположения и теории, сделанные на основе данных квантовой механики, – например, идея запутанности, когда отдельные частицы мгновенно объединяются в пространстве, – в течение многих лет представляли собой источник для всякого рода псевдонаучной чепухи, начиная с телепатии и заканчивая гомеопатией. Целые поколения физиков воспитывались на прагматической догме Бора, извечной, как сама Копенгагенская школа квантовой механики (она названа в честь города, где расположен знаменитый Институт теоретической физики Нильса Бора). Именно здесь в середине 1920-х годов были разработаны математические основы этой теории – что отчасти связано с попыткой избежать философских рассуждений, перетекающих в разный постмодернистский вздор.

Как и всем, кто изучал физику в одно время со мной, квантовую механику начинали преподавать с введения в историю развития этой теории и работ Планка, Эйнштейна, Бора и прочих. Но я очень быстро перешел к изучению математического аппарата (инструментария), который был необходим для разработки теории. Одновременно мне пришлось постичь кучу понятий, названных в честь их отцов-основателей: правило Бора, уравнение Шредингера, принцип неопределенности Гейзенберга, принцип запрета Паули, нотацию Дирака, диаграммы Фейнмана… список можно продолжать. И хотя, если мы хотим понять квантовый мир, все это достаточно важно, не менее важно и то, чего мы не изучали, – то, о чем эти великие физики всю свою жизнь вели споры и философские дебаты, да так и не решили.

Трудности понимания квантовой механики во многом завязаны на так называемой «проблеме измерения». Почему же, когда мы осуществляем измерения, этот эфемерный квантовый мир вдруг оказывается в фокусе? Где пролегает граница между квантовым и классическим миром – между тем, что само по себе не обладает четкими характеристиками, и тем, что мы можем увидеть и измерить? Многие отцы-основатели, включая Нильса Бора, Вернера Гейзенберга и Вольфганга Паули, считали, что задумываться на эту тему нет смысла, и придерживались принципов Копенгагенской школы, о которой я писал выше. Они удовлетворились тем, что разделили мир на квантовый и классический, не оговаривая, как при проведении измерений один мир способен перетекать в другой. Они считали, что квантовая механика и так работает, и этого достаточно. Но такой позитивистский подход может помешать прогрессу науки. Хотя он помогает нам лучше понять некоторые явления и даже разрабатывать новые технологии, он не дает настоящего понимания[21].

История науки изобилует подходами такого рода. Один из наглядных примеров – древняя космология. В течение двух тысячелетий, со времен античности до зарождения современной науки, почти повсеместно была распространена геоцентрическая модель Вселенной, согласно которой Земля является центром космоса, а Солнце со всеми другими планетами и звездами вращается вокруг нее. Защитник позитивистского подхода в те времена сказал бы, что, поскольку эта модель позволяет хорошо предсказывать движение небесных тел, не нужно искать альтернативных объяснений, как и почему они движутся по небу так, как мы это наблюдаем. Действительно, было время, когда геоцентрическая модель казалась более точной для объяснения астрономических явлений, чем правильная и гораздо более простая гелиоцентрическая модель Коперника. Но интерпретация теории определенным образом, связанная только с тем, что в этом виде «она работает», – это интеллектуальная леность, что, безусловно, не соответствует сути физики. То же должно относиться и к квантовой механике. Известный квантовый физик Джон Белл как-то сказал, что цель физики – понять мир и «видеть цель квантовой механики в том, чтобы служить подпоркой для лабораторных экспериментов – значит, предать саму суть этой науки».

К сожалению, даже сегодня слишком много физиков этого не понимают; это еще один аргумент в пользу того, что философия – не просто переливание из пустого в порожнее, она способствует продвижению науки. Если бы вам пришлось проводить опрос физиков, занимающихся квантовой механикой (по крайней мере тех, кто к ней неравнодушен), вы бы обнаружили, что в большинстве своем они все еще придерживаются принципов Копенгагенской школы. Однако все чаще ученые отмечают в таком подходе отрицание значимости физики и готовы поддерживать иные взгляды, например такие экзотические идеи, как теория множества вселенных, скрытых переменных, динамического коллапса, последовательных историй, квантового байесианства или реляционной квантовой