Сто лет назад физики построили теорию, которая предсказывает результаты экспериментов с точностью до двенадцатого знака после запятой, — и с тех пор уговаривают себя, что понимают, о чём она. Квантовая механика работает. Она работает так хорошо, что мы слепили из неё транзисторы, лазеры, МРТ и половину технологической цивилизации. Но «работает» и «объясняет» — это два разных глагола, и между ними лежит пропасть, в которую уже столетие стыдливо не заглядывает академическое сообщество.
Давайте на секунду допустим крамольную мысль: квантовая теория — не венец физики, а промежуточная станция. Не ошибка, нет. Скорее — гениальное приближение, которое однажды займёт в учебниках то же почётное, но скромное место, что сейчас занимает ньютоновская механика: прекрасно работает в своём диапазоне, но за его пределами начинает нести ахинею. И если эта мысль вас возмущает, поздравляю — вы в хорошей компании. Эйнштейн тоже возмущался, только он возмущался раньше и по существу.
Ньютон тоже думал, что всё объяснил
Исаак Ньютон сформулировал законы движения, и два столетия подряд мир был уверен: механика замкнута, физика в целом — решённая задача. Планеты летали по эллипсам, яблоки падали с предсказуемой скоростью, артиллеристы рассчитывали траектории снарядов. Всё сходилось. Лорд Кельвин в конце XIX века, по легенде, обронил, что в физике остались лишь «два облачка» — мелкие нестыковки в теории излучения и результаты опыта Майкельсона — Морли. Ну, знаете, пустяки.
Из этих «пустяков» выросли специальная теория относительности и собственно квантовая механика. Два облачка обрушили всё здание и потребовали полной перестройки фундамента. Ньютоновские законы не оказались неправильными — они оказались частным случаем. Они врут, когда скорости приближаются к световой. Они врут, когда массы искривляют пространство-время. Они просто не знают о существовании режимов, в которых их уютная арифметика перестаёт работать.
А теперь натяните эту историческую параллель на сегодняшний день. Квантовая механика безупречна в своём диапазоне — атомы, фотоны, субатомные частицы. Но у неё есть свои «облачка», и они куда страшнее кельвиновских. Проблема измерения. Несовместимость с общей теорией относительности. Чёрные дыры, в которых квантовые уравнения выдают бесконечности, как сломанный калькулятор. Мы смотрим на эти нестыковки и повторяем мантру: «Теория работает, теория работает». Ну да, ньютоновская механика тоже работала — пока кто-то не разогнал электрон до приличной скорости.
Бог играет в кости, но кто написал правила?
Квантовая механика говорит нам: на фундаментальном уровне природа случайна. Электрон не имеет определённой позиции, пока вы не посмотрите. Кот Шрёдингера и жив, и мёртв. Волновая функция коллапсирует при наблюдении, и никто — ни один физик на планете — не может внятно объяснить, что такое «наблюдение» на языке самой теории. Это не мелкая техническая заминка. Это дыра размером с галактику в фундаменте здания, которое мы объявили завершённым.
Задумайтесь: у нас есть теория, которая требует наблюдателя для описания реальности, но сама не может определить, что такое наблюдатель. Это как если бы ваш рецепт торта включал ингредиент под названием «что-нибудь вкусное» — и все делали вид, что это нормально, потому что торт получается съедобным.
Проблема измерения — это не философское кокетство. Это конкретное указание на то, что математический аппарат квантовой механики не самодостаточен. Он нуждается во внешнем костыле — классическом наблюдателе, который стоит снаружи системы и решает, когда волновая функция схлопывается. Но если вся Вселенная квантовая, то кто стоит снаружи Вселенной? Бог? Инопланетяне с линейкой? Аспирант в белом халате?
Копенгагенская интерпретация, которой учат в каждом университете, по сути предлагает: «Заткнись и считай». И это работало. Семьдесят лет это работало. Но «заткнись и считай» — не объяснение. Это капитуляция, обёрнутая в прагматизм. Мы перестали задавать вопрос «почему?» и назвали это научной зрелостью. Гениальный маркетинговый ход, но к физике он имеет мало отношения.
Гравитация и квант: развод, который никто не может оформить
Вот вам ещё один слон в комнате, которого физическое сообщество кормит арахисом и делает вид, что это декоративная статуэтка. Квантовая механика и общая теория относительности — две самые успешные теории в истории науки — несовместимы друг с другом. Не «слегка расходятся», не «требуют небольшой коррекции», а фундаментально, структурно, концептуально несовместимы. Это как пытаться запустить программу для Windows на тостере — даже интерфейсы не совпадают.
Квантовая теория работает в плоском пространстве-времени и оперирует фиксированным фоном. Гравитация, по Эйнштейну, — это и есть кривизна пространства-времени. Попытки их объединить приводят к уравнениям, которые выдают бесконечности, — не поэтические, а буквальные математические бесконечности, от которых нельзя избавиться стандартными трюками перенормировки. Восемьдесят лет усилий, тысячи диссертаций, несколько нобелевских премий за смежные области — и никакой квантовой гравитации.
Теория струн обещала решить проблему, но за полвека не выдала ни одного проверяемого предсказания. Петлевая квантовая гравитация элегантна математически, но экспериментально нема. Мы застряли. И само это застревание — мощнейший аргумент в пользу того, что квантовая механика в её нынешнем виде — не финальная глава, а середина книги. Если бы она была полной теорией реальности, она бы не захлёбывалась при первой же попытке описать гравитацию.
Кто-то возразит: может, это гравитация неполна? Может быть. Может быть, обе теории — осколки чего-то большего, и мы, как слепые, ощупываем разные части слона. Одна рука нашла хобот и решила, что мир состоит из шлангов. Другая нашла ногу и уверена, что вокруг одни колонны. Но слон — ни шланг и ни колонна. Слон — это то, чего мы пока не видим.
Скрытые переменные, или призрак, который не хочет уходить
Эйнштейн до конца жизни настаивал: квантовая случайность — иллюзия, за ней скрываются скрытые переменные, которые мы просто не умеем видеть. Его знаменитый мысленный эксперимент ЭПР (Эйнштейна — Подольского — Розена) был сконструирован как доказательство неполноты квантовой механики. В 1964 году Джон Белл вывел неравенства, которые позволяли проверить эту идею экспериментально. Эксперименты провели — и Эйнштейн, казалось бы, проиграл. Неравенства Белла нарушаются, локальный реализм мёртв.
Но вот что забавно: Белл похоронил только локальные скрытые переменные. Нелокальные — живы и здоровы. Бомовская механика, она же пилотно-волновая теория, даёт те же предсказания, что и стандартная квантовая механика, но без мистического коллапса волновой функции. Частицы реальны, траектории определены, случайность — следствие нашего незнания начальных условий. Звучит скучнее, чем «кот одновременно жив и мёртв», но зато не требует шаманства с наблюдателем.
Почему же бомовскую интерпретацию задвинули в угол? Отчасти — по социологическим причинам. Копенгаген победил политически ещё в 1930-х, и с тех пор любые разговоры об альтернативах воспринимались как ересь. Отчасти — потому что пилотно-волновая теория тоже неполна: она нелокальна, а значит, конфликтует с относительностью ровно так же, как стандартная квантовая механика. Мы снова упираемся в ту же стену. Разными дорогами, но в ту же стену.
И вот что действительно важно: само существование альтернативных интерпретаций, дающих идентичные предсказания, означает, что математический формализм квантовой механики не определяет единственную картину реальности. Формулы одни — а миров за ними может быть сколько угодно. Это ли не признак неполноты?
Что будет после кванта
Говорить о «посткванте» сегодня — примерно как в 1890-м обсуждать релятивистскую физику: у нас нет языка, нет математики, нет даже правильных вопросов. Но контуры проступают. Несколько исследовательских программ нащупывают территорию за горизонтом квантовой механики, и, что характерно, они идут с совершенно разных сторон.
Одно направление — информационный подход. Идея в том, что фундаментальной субстанцией Вселенной является не материя и не энергия, а информация. Квантовая механика в этой картине — набор правил обработки информации, причём, возможно, не единственный и не самый глубокий набор. Джон Уилер с его «it from bit» — бит порождает бытие — выглядит всё менее фриком и всё более пророком.
Другое направление — гипотезы о дискретности пространства-времени. Если пространство не непрерывно, а состоит из мельчайших зёрен на планковских масштабах, то квантовая механика может оказаться эффективным описанием для масштабов, на которых эта зернистость ещё не видна. Примерно как гидродинамика описывает воду, не зная о молекулах: работает идеально, пока не суёшь нос слишком глубоко.
Есть ещё программа декогеренции и попытки вывести квантовую механику из более простых постулатов. Суть проста: а что, если квантовая теория — это теорема, а не аксиома? Что, если волновая функция, суперпозиция и запутанность — следствия каких-то ещё более фундаментальных принципов, которые мы пока не сформулировали?
Ни одно из этих направлений не предлагает готовую замену. Но все они указывают в одну сторону: квантовая механика — не дно. Под ней что-то есть. И если история физики чему-то учит, то вот чему: каждый раз, когда мы решали, что добрались до фундамента, пол проваливался, и мы обнаруживали ещё один этаж.
Смирение как научная стратегия
Самая опасная фраза в науке — не «я не знаю», а «мы уже всё поняли». Каждое поколение физиков было уверено, что находится в шаге от Теории Всего. Ньютон полагал, что описал мир полностью. Кельвин думал, что осталось решить пару мелочей. В 1990-е теоретики рассуждали о конце физики и скором объединении всех взаимодействий.
И каждый раз природа демонстрировала оскорбительное безразличие к нашим ожиданиям.
Квантовая механика — выдающееся интеллектуальное достижение. Она изменила цивилизацию, подарила нам технологии и расширила понимание материи до масштабов, немыслимых для классической физики. Но назвать её окончательной — значит повторить ошибку, которую физика совершала раз за разом. Теория, не умеющая описать гравитацию, не объясняющая собственный процесс измерения, допускающая множество взаимоисключающих интерпретаций — это не теория всего. Это очень хорошая теория чего-то.
И, возможно, главный вклад, который квантовая механика внесёт в историю науки, окажется не в её ответах, а в её вопросах. Она показала, что реальность устроена радикально не так, как подсказывает интуиция. Она приучила нас к мысли, что здравый смысл — плохой навигатор в мире элементарных частиц. Но она же должна приучить нас к ещё одной мысли: если теория перестаёт отвечать на вопросы — дело не в вопросах. Дело в теории. И учёным пора перестать полировать старый костыль и начать искать ногу.