В действительности, если подумать, законы квантовой механики очень похожи на законы эволюции живой природы. Объясняю, почему.
Волновая функция
Для начала давайте еще раз вспомним, какой смысл имеет волновая функция. Согласно правилу Борна, волновая пси-функция (точнее говоря, ее квадрат) показывает плотность вероятности найти квантовомеханическую систему в некотором состоянии в результате измерения. Например, вероятность найти частицу в какой-то точке пространства-времени.
На картинке ниже я изобразил три красные точки, обозначающие положение частицы в пространстве-времени при измерении, при этом пси-функция показывает, какова вероятность того, что частица будет обнаружена именно в этой точке - и эта вероятность для трех точек разная, и она нигде не равна 1. Поэтому при измерении мы можем обнаружить частицу в любой из этих трех точек (или в какой-либо другой, где пси-функция не равна нулю).
Но если мы - например, в опыте с одной щелью - проведем множество экспериментов, выпуская из источника к экрану по-отдельности множество частиц или запустив сразу множество частиц одновременно - то частицы распределятся по экрану по пси-функции. То есть будут попадать во все точки экрана, но с разной плотностью - где-то гуще, где-то жиже. И это объясняет, почему квантовые закономерности носят статистический характер.
Но где каждая отдельная частица находилась до измерения?
Где прячется частица до измерения?
На этот вопрос физики дают разные ответы.
1). Можно предположить, что до измерения частица находится где-то "за кулисами" (то есть нигде конкретно - возможно, даже вне пространства-времени), а в момент измерения она вдруг выпрыгивает на сцену в определенном месте как частица - причем вся, целиком, красивая и нарядная: "А вот и я! Решила на этот раз появиться в этом месте - ведь вероятность моего появления здесь не равна нуля, а значит, имею полное право!"
Примерно так все это понимается в Копенгагенской интерпретации. Но поскольку, если вдуматься, все это выглядит довольно дико, то представители копенгагенской школы предпочитают на подобные вопросы вообще не отвечать, прикрывая срамоту своей интерпретации, как "фиговым листочком", пустой и вздорной философией позитивизма: дескать, квантовая механика прекрасно предсказывает результаты измерений, они носят характер статистических (вероятностных) закономерностей, а что там происходит с частицей между моментом ее излучения и моментом ее обнаружения на экране - совершенно неважно, и задавать такие "глупые вопросы" не нужно.
2). Можно предположить, что частица до измерения "размазана" по пространству-времени, и "размазана" она в согласии с пси-функцией. А когда мы проводим измерение, эта "размазанная" по пространству-времени частица мгновенно вся "собирается" в определенной точке как частица.
Такого взгляда придерживался Шредингер и некоторые другие физики. Так, Шредингер искренне верил, что электрон в атоме "размазан" по орбитали.
Проблема тут в том, что иногда пси-функция показывает, что обнаружить частицу - пусть с очень маленькой вероятностью - мы можем в огромном или даже бесконечном объеме пространства-времени. А это означает, что частица (например, электрон) должна быть "размазана" по всей Вселенной, а в момент измерения мгновенно снова "собраться" в частицу в определенной точке пространства-времени. Да и непонятно, каким образом в атоме могут быть "размазаны" заряд и масса электрона. Так что эта интерпретация выглядит ничуть не менее абсурдной, чем первая.
3). Но есть и третий вариант. Можно предположить, что частица остается частицей, и при этом она движется совершенно случайным и непредсказуемым образом. Однако некоторые точки (и траектории) в пространстве-времени для нее оказываются более предпочтительными, чем другие, и поэтому вероятность, что частица окажется в этих точках, несколько больше. То есть "размазанной" является не частица, а ее траектории в пространстве-времени.
Но это в случае одной отдельной частицы. А когда частиц много, то эти более предпочтительные точки - предпочтительные для всех частиц - уже приобретают форму статистического закона. И поэтому при большом количестве частиц мы при измерении получаем распределение частиц согласно пси-функции.
Именно такая интерпретация напрашивается, если внимательно проанализировать метод Фейнмана интеграции по траекториям.
Почему же какие-то точки в пространстве-времени - для каждой отдельной частицы и для множества частиц - оказываются более предпочтительными, чем другие? Потому, что именно таким образом деформировано пространство-время. Оно колеблется, и колеблется согласно волновой функции. А потому пси-функция, которая описывает эти колебания пространства-времени, задает нам и распределение вероятности обнаружения частиц в этом колеблющемся пространстве-времени.
Представьте себе облако мошкары. Каждая мошка движется совершенно случайным и непредсказуемым образом, однако в целом облако не распадается. А теперь допустим, что подул небольшой ветерок. Облако мошкары тогда начнет двигаться вместе с ветром. Однако какие-то отдельные мошки вполне могут иногда вылетать, отделяться от этого облака достаточно далеко, и иногда даже лететь против ветра, а затем снова присоединяться к массе мошкары.
В квантовом мире происходит примерно то же самое. Каждая отдельная частица в целом движется совершенно случайным и непредсказуемым образом. Однако большое количество частиц подчиняется понятным закономерностям. Откуда берутся эти закономерности? Что выступает в качестве "ветра", задающего предпочтительное движение для всех частиц? Само пространство-время, его колебания. И именно эти колебания пространства-времени, описываемые волновой пси-функцией, в итоге и задают поведение частиц, если частиц достаточно много.
Эволюция живой природы
Но, помимо метода Фейнмана интегрирования по траекториям, есть еще одно очень важное соображение, которое показывает правильность именно такой интерпретации квантовых процессов. И соображение уже скорее философского плана.
Дело в том, что нечто очень похожее происходит при эволюции живой природы. Да-да, не удивляетесь! Каков "механизм" этой эволюции?
В свое время Жан-Батист Лемарк выдвинул свою теорию эволюции. Он полагал, что все сущее - включая животных - стремятся к совершенству. Совершенствуясь, организмы вынуждены приспосабливаться к условиям внешней среды, и отсюда у них возникает развитие особых органов и умений.
Так, у жирафов, по мнению Лемарка, длинная шея появилась потому, что жирафам приходится постоянно вытягивать шею, чтобы дотянуться до листьев, растущих у них над головой. И в результате таких постоянных упражнений их шеи становятся длиннее, вытягиваются.
Однако "механизм" эволюции, как оказалось, совершенно иной. У любых организмов их гены могут чуть-чуть меняться - то есть могут происходить небольшие мутации. Причем эти мутации носят совершенно случайный характер, никак не связанный ни с окружающей средой, ни с образом жизни животного. Именно поэтому дети двух родителей, хотя и имеют схожесть с папой и мамой, все же от них отличаются, и каждая особь имеет свои индивидуальные неповторимые особенности.
А дальше вступает в дело принцип естественного отбора. В результате которого у вида закрепляются только те случайные мутации, которые по каким-то причинам давали преимущество в выживании. И поэтому потомство той особи, у которой появилась такая случайная мутация, получают преимущество перед другими особями - они лучше выживают, лучше плодятся, и эта мутация в ходе последующих миллионов лет постепенно закрепляется для всего вида. Причем происходит это также довольно сложным образом.
Таким образом, "механизм" эволюции живой природы основан на сочетании двух прямо противоположных принципов: принципа абсолютной случайности и принципа детерминизма. Небольшие мутации в каждом новом поколении потомства происходят постоянно, у каждой особи, и происходят совершенно случайным образом. А затем уже внешняя среда, в которой обитает данный вид, придает этому процессу детерминированный и вполне целенаправленный характер: в силу естественного отбора у вида закрепляются только те случайные мутации, которые каким-то образом повышают выживаемость отдельных особей и всего вида в целом.
Но подобное сочетание "принципа случайности" и "принципа детерминизма" можно найти и в других процессах - социальных, экономических, демографических, исторических. Так, в рыночной экономике каждый отдельный покупатель при выборе и покупке какого-либо товара руководствуется своими индивидуальными мотивами: личными вкусами, своим доходом, ценой товара. Производители и продавцы также руководствуются своими интересами - прибылью. И в итоге при большом количестве покупателей и производителей формируются статистические закономерности (закономерности больших чисел), и какие-то товары завоевывают рынок, а какие-то исчезают.
А в физике?
Так вот, я полагаю, что в физике (то есть в физическом мире, мире "неживой природы") также действуют те же принципы. И совершенно случайные процессы и события в физическом мире сочетаются с детерминистскими закономерностями.
Примерно такие закономерности мы находим в термодинамике. И такие же закономерности, судя по всему, лежат в основе квантовой механики. Каждая отдельная квантовая частица движется совершенно случайным и непредсказуемым образом. Для нее "никаких законов не писано". Однако какие-то точки и траектории в пространстве-времени для нее оказываются более предпочтительными, чем другие.
Что задает эти предпочтительные точки для частицы? Само пространство-время. Его деформации - искривления, сжатия и колебания. При гравитации искривление пространства-времени вблизи массивного тела задает для любой пробной частицы геодезические линии, и свободное тело или частица движется именно по этим геодезическим линиям. То есть в гравитационном поле пространство-время задает траектории движения тел очень жестко, и движение в гравитационных полях становится полностью детерминированным.
А вот в квантовом мире такого жесткого детерминизма нет: деформация (колебания) пространства-времени лишь делают для квантовых частиц некоторые точки и траектории более предпочтительными перед другими. И "детерминированными" - то есть приобретающими характер "физического закона" (физической закономерности) - эти точки и траектории становятся только при большом количестве частиц. Поэтому "законы" квантовой механики не являются полностью детерминированными (как в классической механике), а носят вероятностный статистический характер.
Так что возвращаясь к известному спору между Бором и Эйнштейном о сути квантовых процессов, следует признать, что оба оказались неправы: закономерности квантовой механики не являются полностью детерминированными, но и совсем уж случайными и только вероятностными они не являются. Хотя можно сказать, что и Бор, и Эйнштейн оказались правы, но оба - лишь частично.