Современная физика построена на фундаменте, который трещит по швам, но академическое сообщество упорно делает вид, что всё в порядке. Квантовая механика — эта священная корова двадцатого века — возможно, является самой грандиозной научной ошибкой в истории человечества, и сегодня мы разберём, почему Эйнштейн был прав, когда называл её неполной теорией.
Да, вы не ослышались. Тот самый Альберт Эйнштейн, чей портрет висит в каждом школьном кабинете физики, до конца своих дней отказывался принимать квантовую механику в её копенгагенской интерпретации. И знаете что? У него были чертовски веские основания. Но об этом почему-то не принято говорить на научпоп-каналах, где вам рассказывают про котов Шрёдингера и «загадочную» квантовую запутанность с придыханием и восторгом.
Вот в чём штука: нам десятилетиями твердят, что теорема Белла раз и навсегда похоронила идею скрытых переменных. Мол, эксперименты проведены, неравенства нарушены, дискуссия закрыта. Расходимся, граждане, тут смотреть не на что. Но так ли это на самом деле? Или мы имеем дело с коллективным самообманом научного сообщества, которое слишком много инвестировало в одну парадигму, чтобы признать её возможную ошибочность?
Пристегните ремни. Сейчас будет больно тем, кто привык верить учебникам на слово.
Квантовая неполнота — что имел в виду Эйнштейн
Когда физики говорят, что квантовая механика «работает», они имеют в виду одну простую вещь: она даёт правильные предсказания. И тут не поспоришь — предсказательная сила квантовой теории феноменальна. Полупроводники, лазеры, МРТ — всё это работает благодаря квантовым расчётам. Но есть одна маленькая проблема, о которой обычно умалчивают.
Предсказательная сила и объяснительная сила — это разные вещи.
Птолемеевская система с эпициклами тоже прекрасно предсказывала положение планет. Веками астрономы использовали её для навигации и составления календарей. Работало? Ещё как работало! Но была ли она истинной? Очевидно, нет. Земля не находится в центре Вселенной, как бы удобно это ни было для расчётов.
Эйнштейн, Подольский и Розен в своей знаменитой работе 1935 года поставили вопрос ребром: либо квантовая механика неполна, либо реальность нелокальна. Третьего не дано. Знаменитый парадокс ЭПР был не просто философским упражнением — это был вызов, брошенный копенгагенской интерпретации.
Суть парадокса проста до безобразия. Возьмём две запутанные частицы и разнесём их на противоположные концы галактики. Согласно квантовой механике, измерение одной частицы мгновенно определяет состояние другой. Мгновенно! Быстрее скорости света. Эйнштейн называл это «жутким дальнодействием» и категорически отказывался в него верить.
И знаете, его скептицизм был абсолютно обоснован. Специальная теория относительности — его же детище — запрещает передачу информации быстрее света. А тут нам предлагают поверить в какую-то мистическую связь через пространство. Согласитесь, это попахивает средневековой алхимией, а не строгой наукой.
Эйнштейн предполагал, что существуют скрытые переменные — некие параметры, которые мы пока не можем измерить, но которые полностью определяют поведение частиц. Никакой мистики, никакого дальнодействия — просто наше незнание, которое можно преодолеть.
Теорема Белла — священный грааль или карточный домик
В 1964 году ирландский физик Джон Белл, казалось бы, поставил точку в этом споре. Его теорема математически доказывала: если скрытые переменные существуют и они локальны, то определённые статистические неравенства должны выполняться. Проведите эксперимент, проверьте неравенства — и вопрос решён.
Эксперименты провели. Неравенства нарушились. Победа копенгагенской интерпретации? Не так быстро.
Вот что вам не расскажут в популярных статьях: теорема Белла содержит несколько неявных допущений, которые редко обсуждаются. И каждое из этих допущений — потенциальная лазейка, через которую скрытые переменные могут прошмыгнуть обратно в физику.
Первое допущение — локальность. Белл предполагал, что измерение в одной точке пространства не может мгновенно влиять на физическую реальность в другой точке. Разумное допущение? Безусловно. Но что если нелокальность — это не баг, а фича? Что если само пространство-время устроено иначе, чем мы думаем?
Второе допущение — свобода выбора. Белл исходил из того, что экспериментатор свободен в выборе параметров измерения. Его решение, под каким углом установить поляризатор, не предопределено заранее. Звучит очевидно? А вот и нет. Если Вселенная детерминирована, то выбор экспериментатора — такая же часть причинно-следственной цепочки, как и поведение частиц.
Третье допущение — статистическая независимость. Предполагается, что скрытые переменные частиц статистически не связаны с настройками измерительных приборов. Но кто сказал, что это так? В детерминированной Вселенной всё связано со всем.
Физическое сообщество дружно проигнорировало эти лазейки. Слишком неудобные вопросы, слишком радикальные следствия. Проще объявить дискуссию закрытой и двигаться дальше.
Супердетерминизм — ересь или ключ к разгадке
Есть концепция, от которой большинство физиков шарахается, как чёрт от ладана. Называется она супердетерминизм, и её главный современный защитник — Сабина Хоссенфельдер, немецкий физик-теоретик, не боящаяся идти против течения.
Идея проста и одновременно головокружительна. Что если всё во Вселенной — включая наши мысли, решения и действия — предопределено начальными условиями Большого взрыва? Что если «свободный выбор» экспериментатора — иллюзия, а его решение установить детектор под определённым углом было записано в структуре реальности четырнадцать миллиардов лет назад?
Звучит безумно? Возможно. Но не более безумно, чем мгновенная телепатическая связь между частицами на разных концах Вселенной.
Супердетерминизм элегантно решает проблему. Если выбор настроек детектора коррелирован со скрытыми переменными частиц (потому что и то, и другое предопределено общими начальными условиями), то неравенства Белла могут нарушаться без всякой нелокальности и без отказа от скрытых переменных.
Критики возражают: супердетерминизм делает науку невозможной! Если наши эксперименты предопределены, как мы можем доверять их результатам? Но это возражение основано на непонимании. Детерминизм не означает, что законы природы перестают работать. Он означает лишь, что эти законы работают везде и всегда, включая наши мозги.
Между прочим, Эйнштейн был убеждённым детерминистом. Его знаменитое «Бог не играет в кости» — не просто красивая фраза, а выражение глубокого философского убеждения. И современная физика, возможно, слишком поспешно отвергла эту позицию.
Нелокальные скрытые переменные — третий путь
Есть и другой путь — признать, что скрытые переменные существуют, но они нелокальны. Это, собственно, то, что предлагает теория де Бройля-Бома, разработанная ещё в 1950-х годах и незаслуженно забытая.
В этой интерпретации частицы — реальные объекты с определёнными позициями в каждый момент времени. Никакого размазывания по пространству, никаких суперпозиций в буквальном смысле. Волновая функция здесь играет роль «пилотной волны», которая направляет движение частиц. И эта волна — нелокальна. Она мгновенно связывает все частицы Вселенной.
Звучит фантастически? Но математически теория де Бройля-Бома даёт абсолютно те же предсказания, что и стандартная квантовая механика. Каждый эксперимент, подтверждающий квантовую теорию, одновременно подтверждает и бомовскую механику. Нет ни одного эксперимента, который мог бы различить их.
Тогда почему эта теория не в учебниках? Почему о ней знают только специалисты? Причины скорее социологические, чем научные.
Во-первых, историческая случайность. Копенгагенская интерпретация утвердилась первой, и её сторонники — Бор, Гейзенберг, Паули — были невероятно влиятельны. Де Бройль представил свою теорию на Сольвеевском конгрессе 1927 года, но был разгромлен критиками и отказался от неё. Бом возродил идею четверть века спустя, но к тому времени копенгагенская ортодоксия уже закостенела.
Во-вторых, нелокальность пугает физиков. Она противоречит духу теории относительности (хотя формально не нарушает её, поскольку не позволяет передавать информацию быстрее света). Проще закрыть глаза и притвориться, что проблемы не существует.
В-третьих, бомовская механика требует принятия неприятной истины: Вселенная гораздо страннее, чем нам хотелось бы.
Почему это важно — философия против научной догмы
Кто-то скажет: какая разница, какую интерпретацию выбрать, если предсказания одинаковые? Это позиция инструментализма — философской доктрины, согласно которой теории суть лишь инструменты для предсказаний, а не описания реальности.
Но такая позиция — интеллектуальное банкротство. Наука всегда стремилась понять мир, а не просто манипулировать им. Когда мы отказываемся от вопроса «что реально?», мы предаём саму суть научного предприятия.
Более того, интерпретации имеют практическое значение. Они направляют исследования, подсказывают, какие эксперименты проводить, какие вопросы задавать. Если мы убеждены, что скрытых переменных не существует, мы не будем их искать. Если мы считаем, что квантовая механика полна, мы не будем пытаться её расширить.
История науки полна примеров того, как догматическая приверженность одной парадигме тормозила прогресс. Столетиями учёные цеплялись за флогистон, эфир, геоцентрическую модель. Кто сказал, что мы умнее предшественников? Кто гарантирует, что копенгагенская интерпретация не окажется очередным заблуждением?
Квантовая механика в её нынешней форме — возможно, не окончательная истина, а промежуточная станция на пути к более глубокому пониманию. И скрытые переменные — локальные или нелокальные — могут оказаться ключом к следующей революции в физике.
Что всё это значит для нас
Мы живём в эпоху, когда физика перестала быть понятной даже самим физикам. Теория струн, многомировая интерпретация, квантовая гравитация — всё это красивые математические конструкции, оторванные от эмпирической проверки. Наука рискует превратиться в разновидность схоластики, где истина определяется не экспериментом, а авторитетом и красотой уравнений.
Вопрос о скрытых переменных — не академическое упражнение. Это вопрос о природе реальности. Существуют ли вещи независимо от наблюдения? Является ли случайность фундаментальной или это лишь проявление нашего незнания? Детерминирована Вселенная или нет?
Ответы на эти вопросы определяют наше мировоззрение, нашу этику, наше понимание собственного места в мире. Если квантовая случайность реальна, у нас есть основания верить в свободу воли (хотя связь тут неочевидная). Если же всё предопределено, включая наши мысли и решения, придётся серьёзно пересмотреть понятия ответственности и морального выбора.
Не позволяйте экспертам убедить вас, что вопросы закрыты. Наука — это не набор догм, а процесс постоянного сомнения и проверки. Эйнштейн сомневался в квантовой механике до последнего вздоха. Возможно, он ошибался. Но возможно — и это куда интереснее — он видел дальше своих современников.
Дискуссия о скрытых переменных и теореме Белла далека от завершения. И чем скорее научное сообщество признает это, тем скорее мы продвинемся к подлинному пониманию того странного мира, в котором нам посчастливилось родиться.