Квантовая физика - одна из самых трудноопределимых областей знания. Среди ученых нет единого мнения насчет квантовой теории, и споры в этой сфере напоминают, скорее, философские диспуты. Говоря простым языком, если мы переходим к микроскопическому уровню единиц материи и света - атомов и фотонов - то совершенно непонятно, как объекты столь малого размера попадают из одного места в другое. Для обывателя на макроуровне все очевидно, однако чем глубже в ткань реальности мы погружаемся, тем более странные эффекты наблюдаем.
Ключевым моментом для квантовой теории - который задним числом можно назвать моментом ее рождения - является так называемый «двухщелевой эксперимент». Этот достаточно простой опыт начала XIX века позже был осмыслен как настоящее крушение реальности. Давайте посмотрим, как простое прохождение света через отверстия привело к (возможному) открытию множественности вселенных.
Две полоски
Сначала опишем сам опыт. Он был проведен в 1801 году британским физиком Томасом Юнгом. Тогда никто еще не помышлял о квантовой физике. Мышление о том, что свет может быть одновременно волной и частицей, было невозможно. Он должен был быть либо тем, либо другим. Юнг как раз хотел доказать волновую теорию света в противовес ньютоновской, который говорил, что свет состоит из частиц.
Для этой цели Юнг пропускал свет лазера через маленькое узкое отверстие. Логика была следующая - будь свет частицей и распространяйся прямолинейно, то световой узор строго повторял бы форму щели. На практике этого не наблюдалось, и свет как бы растрепывался по краям, создавая узоры. Впрочем, самого по себе этого было недостаточно, чтобы объявить свет волной. Казалось бы, если пропустить свет через две узких щели, то полоски будет все-таки две.
На практике оказалось, что полосок будет гораздо больше. Проходящий через два отверстия луч света формировал настоящую световую «зебру» с расплывчатыми краями.
Этот эксперимент, казалось, наглядно показывал волновую природу света. Если проводить аналогии, то если бы волны на воде проходили сквозь подобные щели, то они точно так же расщеплялись бы и накладывались друг на друга. Хотя подобные открытия о природе света происходили и ранее, но именно Юнг дал им название интерференции. Проходя сквозь два близких отверстия, волны света накладываются друг на друга и распределяются в зависимости от интенсивности. Конечный результат в виде узора мы и видим на стене.
Казалось бы, на этом можно было поставить точку. Тем более, Джеймс Максвелл в том же XIX веке доказал, что свет это волна в электромагнитном поле. На природе света поставили точку… пока смуту не внес Эйнштейн.
Свет не играет в кости?
Сам Эйнштейн возникшую позже квантовую теорию не принимал, несмотря на то, что косвенно заложил основу ее появления. Именно он объяснил явление фотоэффекта (потерю веществом отрицательного заряда под действием электромагнитного облучения) тем, что свет представляет собой квантованные порции - фотоны. Первоначально подобную мысль высказал Макс Планк, но именно Эйнштейн назвал фотон квантом.
Данное открытие заставило ученых вернуться к двухщелевому эксперименту и пересмотреть его результаты. Если одиночный фотон это все-таки волна, то пуск отдельных фотонов поочередно через щели не должен создать привычного узора интерференции, полученного Юнгом. Ведь в таком случае каждому отдельному фотону не мешает волна другого фотона, и они вольны падать на экран как им вздумается. Интерференции не должно наблюдаться.
Когда эксперимент провели, оказалось, что фотоны падают на вполне конкретные позиции, образуя, как в детской раскраске, те самые узоры интерференции, наблюдаемые в классическом эксперименте Томаса Юнга. Иными словами, фотоны сложились в узоры, которые бы появились, если бы фотоны проходили непрерывным потоком и накладывались друг на друга. Но в том-то и дело, что они не накладывались! Тогда что же образовало этот узор? Как фотоны решали, что нужно упасть именно сюда? Это будто в «памяти» фотона заложено знание о том, как должен складываться узор интерференции. Более того - точно так же вели себя не только фотоны, но и электроны, отдельные атомы и даже молекулы.
Что же происходило с частицами в этом коротком пространстве между щелями и стеной с отражением? Когда ученые задали себе этот вопрос, родилась квантовая физика. Реальность же окончательно сломалась.
Коллапс, Копенгаген и коты
Подведет итог результата опыта с двумя щелями. Итак, мы знаем начальное и конечное положение каждой пущенной частицы - в лазере, а затем на экране. То есть, в данном случае, что бы мы ни пускали - от света до молекулы - это все-таки частица. Однако в промежутках между конечной и начальной точками частица становится волной. И эта волна содержит информацию о всех своих возможных состояниях. Причем речь не только о положении на экране, но и вообще обо всем промежутке от лазера до точки назначения. Каким образом частица «решает», где ей приземлиться?
Этот вопрос разделил физиков. Нильс Бор и его Копенгагенская школа говорили, что положение на экране целиком зависит от наблюдателя. В момент наблюдения человеческое сознание влияет на выбор фотона, куда упасть на экране. То есть, во всем многообразии возможностей реальным становится всего одно - то, что мы наблюдаем в конкретный момент. Что происходит во время движения частицы к цели и куда деваются все ее потенциальные другие состояния, Копенгагенскую школу не интересовало. Иными словами, именно акт измерения и наблюдения «вынуждал» частицу появиться именно в конкретном месте.
Подобную идею приняли не все. Например, Эйнштейн выдвигал такое возражение: «Получается, что и Луна существует только, когда мы на нее смотрим». Эрвин Шрёдингер иллюстрировал проблему с Копенгагенской интерпретацией знаменитым мысленным экспериментом с котом. Допустим, кот заперт в коробке, где также находится флакон с ядом и источник радиоактивности. Мы оставляем ящик на час, в течение которого один из радиоактивных атомов может распасться, а может и нет. Если он распадется, то запустится процесс выпуска яда, и кот умрет. Здесь то же самое, что и со светом в двухщелевом эксперименте - как мы не знаем, куда упадет свет, пока не проведем наблюдение, так мы не знаем, произойдет распад или нет, пока не заглянем в коробку. В данном случае, состояние кота расскажет нам о состоянии частицы. Но если кот окажется мертв, то, получается, мы «убили» его своим наблюдением? А до открытия ящика он был одновременно и жив, и мертв? Этим экспериментом Шрёдингер хотел показать абсурд логики влияния наблюдателя на квантовые события, привязав состояние микроскопической частицы к судьбе макрообъекта.
Следует сказать, что опыт с котом заводит нас в еще большие джунгли последствий Копенгагенской интерпретации. Ведь у кота тоже есть свой взгляд на события, он тоже своего рода наблюдатель. Почему же его судьба решается каким-то ученым, который заглядывает в коробку? Почему он сам не решает наблюдением, разобьется фляжка с ядом или нет? Можно сказать, что кот не обладает человеческим сознанием и не понимает физики. Но тогда почему предпочтение отдается людям? Или есть цепочка иерархии? Словом, мы уходим туда, откуда вернуться довольно сложно.
Но давайте вернемся к двухщелевому эксперименту и рассмотрим другую интерпретацию. То, что мы описали ранее, зовется копенгагенцами «коллапсом волновой функции» (или редукцией фон Неймана) - мгновенное изменение квантового состояния при наблюдении. Но что если волновая функция все-таки не коллапсирует, то есть мгновенного изменения не происходит? Так не может быть, скажете вы, ведь наблюдается конкретная точка на экране в конкретном месте. Да, но речь и про данного конкретного вас. Однако существуете другой вы в другой вселенной, который наблюдает точку на экране в другом месте. Возвращаясь к эксперименту с котом, существуют вселенные, где кот оказался жив после открытия и где оказался мертв. Конечно, наверняка гораздо больше вселенных, где такой жестокий эсперимент даже не проводился.
Такой подход предложил Хью Эверетт в 1957 году, и со временем эта теория получила название «многомировой интерпретации». С этой точки зрения, когда происходит квантовое событие, вселенная расщепляется на миры - так много, сколько есть исходов данного события. Какое же количество возможных вселенных тогда существует? Ответ трудно себе вообразить, поскольку даже один двухщелевой эксперимент происходит с триллионами фотонов.
В каком-то смысле, многомировая интерпретация (будем звать ее ММИ) является развитием копенгагенской теории, поскольку последняя игнорирует множественность положений частицы между состояниями, делая упор на важность финального результата. ММИ же дает объяснение такой множественности. С точки зрения математики, ММИ является более полной теорией. Тем более, она освобождает науку от элемента случайности, который вносится наблюдением в Копенгагенской интерпретации. В частности, ее приверженцем является ученый Дэвид Дойч, который расширяет многомировую интерпретацию в книге «Структура реальности» 1998 года.
***
Есть и другие объяснения квантовых событий, но сегодня мы остановимся на этих двух. На мой взгляд, они хорошо иллюстрируют философский подход тех, кто занимаются наукой. Как видим, простой эксперимент с пучком света и двумя отверстиями буквально открыл изнанку реальности. В то же время он разделил ученых по принципу - для чего существует наука? Если она существует чисто в инструменталистских целях, чтобы получить результат, то действительно неважно, что случается с состояниями фотона. Но если наука существует для объяснения реальности и более глубокого ее понимания, то подход многомировой интерпретации, хотя и не сулит практических результатов - ведь заглянуть или «перепрыгнуть» между вселенными мы не можем (пока) - видится мне более многообещающим.
Перенося этот подход на повседневность, давайте задумаемся вот над чем. Если существуют триллионы версий вас в других вселенных, делающие другие выборы в жизни, идущие другими путями, это как раз освобождает нас от мучительности выбора в данный конкретный момент, говорим мы про большие решения или про маленькие. Вы сделали и сделаете все возможные выборы, которые вам представятся. Судьбы не существует и никто не дергает за ниточку «за кулисами». Таким образом, если мы принимаем многомировую интерпретацию квантовой физики, мы говорим, что судьба человека полностью в его руках и ему даны все возможности.
***
Если вам понравилась статья, вы можете поставить отметку «нравится». Если есть с чем поспорить, пишите в комментарии - мне интересно альтернативное мнение. Также вы можете подписаться на канал. Я пишу материалы о науке, истории и психологии.