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

механики – и это еще не полный список. Никто не знает, какой из этих способов описания действительности верен в квантовом масштабе. Все они работают, все до сих пор давали одни и те же прогнозы относительно результатов экспериментов и наблюдений[22],и все они имеют одну и ту же математическую основу. Иногда сторонники этих теорий относятся к ним как к идеологическим догмам, почти как к религии, и в этом случае наука замирает на мертвой точке.

И все же в попытках понять квантовый мир намечается хоть и медленный, но прогресс. Экспериментальные методики становятся все изощреннее, а некоторые теории отбрасываются вообще. Есть надежда, что однажды мы познаем, как Природа колдует над своим квантовым волшебством. Если вам это кажется разумным, то многие физики с вами не согласятся. Позитивисты утверждают, что наука есть не более чем инструмент для прогнозирования исхода экспериментов, а тем, кто хочет знать, что именно квантовая механика сообщает нам о действительности, и разглядеть смысл в соответствующем математическом аппарате, лучше заниматься не физикой, а философией. По правде говоря, не все сторонники позитивистского копенгагенского подхода пренебрегают попытками взглянуть на проблему поглубже. В начале 2000-х годов появилась новая антиреалистическая интерпретация под названием «квантовое байесианство» (или «кубизм»), сторонники которого считают реальность совершенно субъективным, иногда даже личным опытом. Критики приравнивают эту интерпретацию к солипсизму.

Выбор интерпретации квантовой механики не должен сводиться к вопросу о философских предпочтениях. Тот факт, что все они дают одинаковые прогнозы о состоянии мира, не означает, что все они эквивалентны друг другу или что можно выбрать любую, повинуясь собственному капризу. Объяснение определенного аспекта действительности посредством физики – двухступенчатый процесс. Во-первых, мы должны найти соответствующую математическую теорию, которая может оказаться верной или неверной. Допустим, мы считаем ее верной – как, например, эйнштейновское уравнение поля в теории общей относительности или уравнение Шредингера в квантовой механике. Во-вторых, нам понадобится метод интерпретации или объяснения того, что значит эта математика. Без этого нам не удастся объединить символы и уравнения с физической Вселенной, как бы они нам ни нравились с эстетической точки зрения. И эта правильная интерпретация столь же важна, как правильная математическая теория.

Разные интерпретации квантовой механики рисуют весьма различные картины реальности: либо существуют параллельные вселенные (теория множества вселенных), либо нет; либо существует нелокальное квантовое поле (теория скрытых переменных), либо нет. Природе наплевать на наши мелкие свары по поводу квантовой механики – она существует независимо от наших представлений о ней. Если у нас есть проблема с согласованием взглядов по поводу поведения квантового мира, то это наша проблема. Так считал Эйнштейн. Он тоже был реалистом. Он полагал, что физика должна описывать, каков мир на самом деле, и, если существует больше одного описания, которое соответствует математике квантовой механики, нам нельзя успокаиваться на достигнутом. Похоже, что в этом отношении я попал в хорошую компанию.

Запутанность, измерение и декогерентность

Но даже Эйнштейн иногда ошибался. Одно из самых интересных и необъяснимых предположений, сделанных на основании квантовой механики, – идея запутанности. В квантовом мире две и более частицы могут мгновенно создать связь в пространстве, бросая тем самым настоящий вызов логике. Терминологически это явление известно как нелокальность, и ее можно образно объяснить так: то, что происходит «здесь», может мгновенно повлиять на то, что происходит «там». Мы говорим, что две частицы описываются одним и тем же «квантовым состоянием», одной волновой функцией. Эйнштейн всегда ощущал некоторую неловкость по поводу нелокальности и запутанности, называя их «подозрительным воздействием на расстоянии», и отказывался признать, что какое-либо взаимодействие между субатомными частицами способно перемещаться быстрее скорости света, поскольку это противоречило бы специальной теории относительности. Однако такая взаимосвязь может, в принципе, возникать даже между частицами на противоположных концах Вселенной. Пионеры квантовой науки доказали, что явление запутанности естественным образом вытекает из их формул, а эксперименты 1970–1980-х годов подтвердили, что Эйнштейн был не прав: теперь мы эмпирически установили, что квантовые частицы могут образовывать мгновенные связи, находясь далеко друг от друга в пространстве. На самом деле наша Вселенная нелокальна.

Сегодня многие ученые, работающие в таких областях, как квантовая оптика, квантовая информационная теория и даже квантовая гравитация, видят глубокую связь между запутанностью и главной проблемой квантовой механики – проведением измерений. Сначала мы должны признать, что квантовая система – скажем, атом – на самом деле является частью окружающего ее мира, так что рассматривать ее отдельно, строго говоря, будет неверно. Мы должны учесть в наших вычислениях воздействие окружающей среды. Такая открытая квантовая система ставит перед нами гораздо более сложную проблему, но в тоже время она дает нам возможность продвинуться вперед в понимании того, что значит проводить измерения в квантовой системе за пределами того, что Нильс Бор назвал «необратимым актом», имея в виду, что квантовая «размытость» кристаллизуется в реальность при проведении измерений.

По сути, теперь ясно, что среда, окружающая квантовую систему, такую как атом, может сама провести все «измерения». Для этого не требуется осознанное наблюдение. Мы можем представить себе, как атом еще более «запутывается» в своем окружении, так что его квантовая природа «вытекает» в среду как тепло, выделяющееся из нагретого тела. Это вытекание и есть эфемерная квантовая размытость, известная как декогерентность, и в данный момент она активно исследуется. Чем сильнее взаимосвязь между квантовой системой и ее средой, тем быстрее рассеивается ее квантовое поведение.

Объясняет ли этот процесс полностью проблему измерения или нет – вопрос, который все еще горячо дебатируется в определенных кругах. Попытка решить сложную проблему измерений в квантовой механике (или провести границу между мельчайшим квантовым миром и масштабным классическим миром) была впервые осуществлена в середине 1930-х годов знаменитым Эрвином Шредингером при помощи мысленного эксперимента. Несмотря на то что Шредингер был одним из пионеров и отцов-основателей в этой области знаний, он неоднократно высказывал сомнения насчет смысла квантовой механики. Шредингер спрашивал, что бы случилось, если бы мы поместили кошку в ящик с радиоактивным веществом и смертельным ядом. Пока наш ящик закрыт, мы не можем сказать, была ли испущена радиоактивная частица, которая активирует механизм выделения яда, который убьет кошку. Все, что мы можем сделать, – это высчитать вероятность двух возможных исходов, когда мы откроем ящик: либо частица уже испущена и кошка мертва, либо нет и кошка жива. Однако