Есть задачи, которые физика решила блестяще. Термоядерный синтез, квантовые компьютеры, предсказание масс элементарных частиц с точностью до двенадцатого знака после запятой. Математика работает. Предсказания сбываются. Можно гордиться.
И есть один вопрос, который физики задают друг другу уже сто лет - и каждый раз расходятся по домам, не договорившись. Вопрос звучит обезоруживающе просто: что происходит, когда мы смотрим? Именно смотрим. Измеряем. Наблюдаем.
Потому что квантовая механика говорит вот что: до измерения частица существует в суперпозиции - одновременно во всех возможных состояниях сразу. Электрон может быть одновременно «здесь» и «там». Фотон проходит через обе щели сразу. Спин частицы направлен одновременно вверх и вниз.
А в момент измерения - всё это многообразие схлопывается в одно определённое значение. Электрон оказывается именно здесь. Спин - именно вверх. Это называется коллапсом волновой функции. Математику этого явления знают все студенты физфака. А вот что именно при этом происходит - споры не утихают с 1920-х годов.
Начало двадцатого века было для физики временем головокружительным. Планк обнаружил кванты энергии. Эйнштейн объяснил фотоэффект. Бор построил модель атома. Всё шло к тому, что природа устроена дискретно, порционно, квантованно - и это странно, но с этим можно жить.
Настоящий удар пришёл позже. В 1924 году де Бройль предложил: если свет ведёт себя и как волна, и как частица - может быть, электрон тоже? Может быть, у любой частицы есть волновые свойства?
Через три года это подтвердили экспериментально. Дависсон и Джермер пустили электроны через кристалл и получили дифракционную картину. Электроны интерферировали - как волны. Хотя были зарегистрированы детектором - как частицы.
Шрёдингер записал уравнение для этой волны. Борн предложил интерпретацию: волновая функция - это вероятность обнаружить частицу в данной точке пространства. Не сама частица, а вероятность её обнаружения.
И тут-то и началась настоящая проблема. Потому что если волновая функция описывает вероятности - значит, до измерения частица не имеет определённого положения в принципе. Это не наше незнание. Это объективная неопределённость реальности.
Эйнштейн взбесился. «Бог не играет в кости», - написал он Борну. Борн ответил примерно так: «Альберт, перестань указывать Богу, что делать». Этот обмен репликами - один из самых известных в истории физики. И спор не закончен до сих пор.
Волновая функция - это математический объект, который полностью описывает квантовую систему. Для электрона с неизвестным спином она выглядит как суперпозиция: некоторая доля «спин вверх» плюс некоторая доля «спин вниз». Коэффициенты при этих состояниях - числа. Их квадраты дают вероятности. Скажем, шестьдесят процентов - найдём спин вверх, сорок - вниз.
Пока мы не измеряем - электрон описывается этой суперпозицией. Волновая функция эволюционирует по уравнению Шрёдингера - плавно, непрерывно, строго детерминированно. Никаких случайностей.
Но стоит произвести измерение - и волновая функция «коллапсирует». Случайным образом, с соответствующими вероятностями, выбирается одно из состояний. Остальные исчезают. Вот здесь физики и застревают уже век.
Уравнение Шрёдингера описывает плавную эволюцию. Коллапс - скачкообразный, мгновенный, случайный процесс. Это два разных математических режима для одной системы. Когда переключаться между ними? Почему? Что вызывает коллапс? На эти вопросы есть несколько ответов. Все они согласуются с экспериментом. Все они радикально расходятся в описании реальности.
ИНТЕРПРЕТАЦИЯ ПЕРВАЯ: КОПЕНГАГЕНСКАЯ
1927 год. Брюссель. Пятый Сольвеевский конгресс - наверное, самое звёздное собрание физиков в истории. Двадцать девять участников. Семнадцать из них впоследствии получат Нобелевскую премию. Нильс Бор и Вернер Гейзенберг представляют новую интерпретацию квантовой механики, которая потом получит название копенгагенской - по городу, где работал Бор. Её суть, если говорить без экивоков: не задавай вопросов, на которые нет экспериментального ответа.
До измерения у электрона нет определённого положения. Вообще нет. Это не незнание - это факт. Вопрос «где электрон до измерения» лишён физического смысла. Реальность электрона конституируется актом измерения.
Волновая функция - инструмент для предсказания результатов измерений. Описывает ли она что-то «настоящее», существующее независимо от наблюдателя? Копенгагенская интерпретация отвечает: этот вопрос некорректен. Физика изучает результаты измерений. Всё остальное - метафизика.
Гейзенберг формулировал это ещё жёстче. Атом или электрон не существует в том же смысле, в каком существуют обычные объекты. Существование - категория, применимая к макроскопическому миру. Квантовый мир другой.
Почему это прижилось. Копенгагенская интерпретация стала доминирующей по прагматическим причинам. Она работает. Она даёт правильные ответы. Её можно преподавать. Инженеры, которые проектируют транзисторы и лазеры, используют именно её.
Знаменитая фраза, которую приписывают разным физикам: «Заткнись и считай». Не важно, что происходит «на самом деле». Важно, что формулы предсказывают эксперимент.
Что с ней не так. Проблема копенгагенской интерпретации - граница между квантовым и классическим мирами. Где она проходит? Что такое «измерение»? Нужен ли сознательный наблюдатель, чтобы волновая функция коллапсировала? Или достаточно детектора? А если детектор тоже квантовый?
Бор отвечал примерно так: граница существует, хотя точно провести её нельзя. Измерительный прибор должен быть классическим. Что значит «классическим»? Достаточно большим. Насколько большим? Достаточно.
Это не ответ. Это уклонение от ответа. Кроме того, если волновая функция коллапсирует при измерении - что происходит с прибором, который производит измерение? С лабораторией? С физиком? Копенгагенская интерпретация не распространяет квантовое описание на всю систему - она просто говорит: вот квантовое, вот классическое, граница где-то здесь, не углубляйтесь.
Эйнштейн такой ответ ненавидел. Шрёдингер в 1935 году придумал мысленный эксперимент, чтобы показать абсурдность этой позиции. Тот самый кот.
Все слышали про кота Шрёдингера. Немногие понимают, зачем он был придуман. Шрёдингер взял квантовую систему - атом радиоактивного вещества с вероятностью распада пятьдесят процентов за час. Поместил его в ящик вместе с детектором, колбой яда и котом. Если атом распадается - яд высвобождается, кот умирает.
По копенгагенской логике, до открытия ящика атом находится в суперпозиции «распался / не распался». Детектор - в суперпозиции «сработал / не сработал». Колба - в суперпозиции «разбита / не разбита». И кот - в суперпозиции «жив / мёртв». Кот одновременно жив и мёртв.
Это и был аргумент Шрёдингера: смотрите, к чему приводит копенгагенская интерпретация. Если граница квантового и классического произвольна - суперпозиция распространяется на всё, включая котов. А если коты не могут быть в суперпозиции - скажите наконец, где граница.
Копенгагенский ответ: кот - макроскопический объект, к нему квантовое описание неприменимо. Граница проходит где-то между атомом и котом. Шрёдингер спрашивал: где именно? Ответа нет до сих пор.
ИНТЕРПРЕТАЦИЯ ВТОРАЯ: МНОГОМИРОВАЯ
1957 год. Принстон. Хью Эверетт Третий - молодой аспирант, работающий под руководством Джона Арчибальда Уилера - защищает диссертацию с идеей, которая звучала тогда как научная фантастика. А что если, спросил Эверетт, волновая функция вообще никогда не коллапсирует?
Что если уравнение Шрёдингера справедливо всегда и для всего - включая измерительные приборы, лаборатории и физиков? Тогда в момент измерения происходит вот что: система «электрон плюс прибор плюс наблюдатель» эволюционирует по уравнению Шрёдингера и оказывается в суперпозиции. Ветвь, где прибор показал «спин вверх» и наблюдатель зафиксировал «спин вверх». И ветвь, где прибор показал «спин вниз» и наблюдатель зафиксировал «спин вниз».
Обе ветви реальны. Обе существуют. Но они не взаимодействуют между собой - они декогерируют, расходятся в разные «ветви» реальности. Каждое квантовое измерение порождает расщепление. Вселенная ветвится - бесконечно, каждую наносекунду, повсюду.
Что это означает для кота. Кот Шрёдингера при многомировой интерпретации - это просто описание расщепления. В одной ветви кот жив. В другой - мёртв. Когда мы открываем ящик - расщепляемся сами. В одной ветви мы видим живого кота. В другой - мёртвого. Нет никакого «одновременно жив и мёртв» - есть два разных наблюдателя в двух разных ветвях реальности. Суперпозиции нет. Есть ветвление.
Что хорошего в многомировой интерпретации. Она математически элегантна. Уравнение Шрёдингера работает всегда, для всего, без исключений. Никакого загадочного коллапса. Никакой специальной роли наблюдателя. Никакой произвольной границы между квантовым и классическим.
Сегодня многомировая интерпретация - вторая по популярности среди физиков после копенгагенской. Среди теоретиков и космологов она нередко выходит на первое место.
Причина - в том числе практическая. Квантовая космология - наука о том, как применить квантовую механику ко Вселенной в целом - требует, чтобы квантовое описание работало без внешнего наблюдателя. Вселенной некому «коллапсировать». Если коллапс требует наблюдателя извне - квантовая космология невозможна в принципе. Многомировая интерпретация снимает эту проблему.
Что с ней не так. Параллельные вселенные - это, мягко говоря, дорогостоящая онтология. Бесконечное количество реально существующих ветвей реальности, которые мы никогда не можем наблюдать. Принцип бритвы Оккама скрипит зубами. Но главная техническая проблема другая: откуда берутся вероятности?
В копенгагенской интерпретации вероятности - это фундаментальный постулат. Просто так устроена природа. В многомировой интерпретации все ветви существуют - значит, все результаты реализуются. Но почему мы наблюдаем результаты с теми вероятностями, которые предсказывает квантовая механика? Если каждая ветвь реальна, почему некоторые «реальнее» других?
Физики работают над этим. Есть несколько подходов - в частности, декогеренция и правило Борна через аргументы симметрии (работы Дэвида Дойча и Дэвида Уоллеса). Пока ни один не считается окончательным.
ИНТЕРПРЕТАЦИЯ ТРЕТЬЯ: ПИЛОТНАЯ ВОЛНА (ДЕ БРОЙЛЯ - БОМА)
Луи де Бройль предложил свою идею ещё в 1927 году на том же Сольвеевском конгрессе, где Бор представлял копенгагенскую интерпретацию. Де Бройль предположил: у частицы всегда есть определённое положение. Просто она движется под воздействием волны, которую мы не можем наблюдать напрямую. Идею разгромили. Паули задал острые вопросы. Де Бройль отступил.
В 1952 году Дэвид Бом независимо пришёл к той же идее и опубликовал полноценную теорию. Эйнштейн, прочитав, сказал что-то вроде «слишком дёшево» - но это было ближе к его мировоззрению, чем копенгагенский агностицизм.
Теория называется теорией скрытых переменных, или пилотно-волновой механикой, или механикой де Бройля - Бома.
Суть. Частица - реальная, всегда имеющая определённое положение. Но её движение определяется волновой функцией - «пилотной волной», которая заполняет пространство и направляет частицу.
Волновая функция при этом тоже реальна. Она не просто математический инструмент - она физическое поле, которое существует в конфигурационном пространстве и оказывает квантовый потенциал на частицы.
Никакого коллапса нет. Есть частица с траекторией и волна, которая эту траекторию определяет. Результат измерения всегда определён заранее - мы просто не знаем начальных условий достаточно точно, чтобы его предсказать. Вот откуда вероятности.
Это скрытые переменные. Скрытые - потому что недоступны нашему измерению, а не потому что их нет.
Что с котом при теории Бома. Кот всегда жив или мёртв. Атом либо распался, либо нет. Пилотная волна уже определила исход - мы просто не знали начального состояния системы достаточно точно. Никакой суперпозиции живого и мёртвого кота нет. Есть кот и незнание.
Что хорошего. Теория Бома - единственная из трёх, которая полностью детерминирована. Причинность работает всегда. Частицы имеют траектории. Реальность существует независимо от наблюдателя. Это именно то, чего хотел Эйнштейн. Физика без «Бог играет в кости». Кроме того, теория Бома математически эквивалентна стандартной квантовой механике - она даёт те же предсказания для всех экспериментов. Это важно.
Что с ней не так. Нелокальность. В 1964 году Джон Белл доказал теорему, которая изменила ситуацию. Он показал: любая теория скрытых переменных, которая воспроизводит предсказания квантовой механики, должна быть нелокальной. Пилотная волна в теории Бома мгновенно реагирует на изменения во всей системе - независимо от расстояния.
Если два запутанных электрона разнесены на тысячу километров - измерение одного мгновенно влияет на пилотную волну другого. Скорость влияния - бесконечная. Нарушение принципа локальности.
Это не нарушает специальную теорию относительности в том смысле, что информация всё равно не передаётся быстрее света - результат конкретного измерения случаен и не позволяет передать сигнал. Но с точки зрения элегантности - некрасиво. Мироздание оказывается прошитым нелокальными связями на всю глубину.
Ещё одна проблема: обобщение на квантовую теорию поля. Релятивистское обобщение теории Бома существует, но остаётся технически громоздким и не считается полностью удовлетворительным.
Неформальные опросы физиков проводились несколько раз. Результаты варьируются от конференции к конференции, но общая картина примерно такая. Копенгагенская интерпретация в разных формах - самая популярная, хотя её доля снижается. Многомировая - набирает сторонников, особенно среди теоретиков, занимающихся квантовой информацией и квантовой гравитацией. Теория Бома - небольшое меньшинство, но преданное.
Примерно треть физиков в таких опросах выбирает вариант «другое» или «не знаю». Существуют и другие интерпретации - информационная (волновая функция описывает информацию агента, а не физическую реальность), реляционная (Ровелли: квантовые состояния относительны, как и в специальной теории относительности), QBism (квантовая байесианская интерпретация, где волновая функция - степень убеждённости агента). Каждая решает одни проблемы и порождает другие. Единого консенсуса нет.
Принято говорить: интерпретации квантовой механики - это философия, а не физика. Эксперименты дают одинаковые результаты при любой интерпретации. Значит, выбор между ними - вкусовой. Это справедливо - с одной оговоркой.
Интерпретация определяет, в каком направлении искать новую физику. Если придерживаться копенгагенской - квантовая механика просто работает, вопрос «почему» некорректен, ищи дальше в рамках существующего формализма. Если принимать многомировую - нужно понять, откуда берётся правило Борна, и это может вести к новым теориям. Если работать с теорией Бома - нелокальность не кажется тёмным углом, а становится фундаментальным свойством, которое нужно понять.
Другой момент: есть конкурирующие «теории коллапса» - например, объективный коллапс Гирарди - Римини - Вебера, или Пенроуза, который связывает коллапс с гравитацией. Это уже не интерпретации, а альтернативные физические теории, дающие отличающиеся предсказания в крайних режимах. Эксперименты, которые могли бы их проверить, становятся всё более реальными технически.
Таким образом, вопрос «что такое коллапс» - не чисто философский. Это вопрос о глубинной структуре реальности, и он открыт.
Квантовая механика - самая точная физическая теория из всех, что у нас есть. Она работает с фантастической точностью. Транзисторы, лазеры, МРТ, квантовые компьютеры - всё это её практические следствия. При этом физики не договорились о том, что она означает.
Сто лет споров, и три главные интерпретации по-прежнему существуют параллельно. Копенгагенская говорит: реальность конституируется измерением. Многомировая говорит: все возможности реализуются в параллельных ветвях. Теория Бома говорит: частицы всегда имели траектории, мы просто не знали начальных условий.
Все три математически согласованы. Все три предсказывают одно и то же. Все три принципиально расходятся в описании того, что происходит.
Есть что-то обескураживающее в том, что самая успешная физическая теория в истории несёт в себе нерешённую загадку о природе реальности. И одновременно - что-то обнадёживающее. Наука дошла до места, где формулы работают, а смысл ещё не ясен. Это и есть граница знания. На сегодня так.
Продолжение следует.
ОТКРЫТ НАБОР НА КУРС "СЦЕНАРИЙ ТЕЛЕСЕРИАЛА".
СЛЕДУЙТЕ ЗА БЕЛЫМ КРОЛИКОМ!