Это всё квантовая физика! Непочтительное руководство по фундаментальной природе всего

Щелкал датчик или нет? И то и другое.

Жив кот или мертв? И то и другое. (Хештег «зомбокот».)

Вниз по кроличьей норе

Ясное дело, к моему рассказу вы отнеслись скептически. Вы же никогда не видели кота, который наполовину мертв, наполовину жив.

Возможно, вам даже хочется сказать: «Очевидно, что квантовая механика не работает, ведь я никогда не видел зомбокотов, все это полная ерунда».

Но вот в чем беда: квантовая механика дает нам лучшие предсказания, так что с ней не может сравниться никакая другая физическая теория устройства вселенной за всю историю человечества – то есть буквально никакая. Поэтому нельзя нам выплескивать ребенка вместе с водой.

Нам волей-неволей придется как-то объяснить, почему квантовая механика учит, что зомбокоты бывают, хотя никто их ни разу не видел.

В двадцатые годы ХХ века датский физик-сескипедалофил^[2] Нильс Бор предпринял первую полноценную попытку объяснить, как такое может быть.

«Сам я зомбокотов никогда не видел, – подумал Нильс Бор, вероятно, по-датски. – Если зомбокот существует ровно до того момента, как я на него взгляну, значит, либо во мне, либо в оборудовании, которое я использую для наблюдения, есть что-то особенное, что вынуждает кота избрать какое-то одно состояние (либо жив, либо мертв), когда я на него смотрю. Похоже, акт наблюдения заставляет зомбокота „коллапсировать“ – кот вынужден выйти из гибридного состояния, когда он одновременно и жив и мертв, и стать либо только живым, либо только мертвым, но не то и другое вместе. Коллапс – вот ответ, скажу я вам!»

Вот что предложил Бор:

У идеи Бора о коллапсе был один недостаток: он так четко и не объяснил, что именно считается «наблюдением» и кого или что можно считать «наблюдателем». Он намекал, что «большие» объекты вроде микроскопов и камер, скорее всего, отвечают за коллапс систем поменьше, но детали как-то замылил.

Наверняка Бор знал только одно: коллапс должен происходить достаточно рано, чтобы «крупные» предметы вроде футбольных мячей не существовали в нескольких местах одновременно и не вращались в нескольких направлениях сразу, поскольку такого мы в окружающем мире не встречаем.

Для слабонервных физиков, боявшихся утратить опору на реальность, коей они наслаждались до начала ХХ века, даже сшитое на живую нитку понятие коллапса, предложенное Бором, было лучше, чем ничего. Оно помогло временно унять тревогу и вернуться к работе, не страшась, что тебе вот-вот померещится зомбокот. По крайней мере, Бор на это надеялся.

Однако идея коллапса, которую живописал Бор, понравилась далеко не всем.

Крупнейшим противником Бора оказался не кто-нибудь, а ходячая реклама кондиционера для волос – Альберт Эйнштейн.

Ход Эйнштейна

Решение проблемы зомбокота, предложенное Бором, обладало одной чертой, которую Эйнштейн просто на дух не переносил. Оно предполагало случайность.

Если верить Бору, сам акт наблюдения нашего зомбокота заставляет вселенную случайным образом выбрать, в какое из двух состояний кот должен коллапсировать. Бор полагал, что эта случайность фундаментальна. По его мнению, предсказать исход коллапса теоретически невозможно, какими бы хитроумными и точными ни были измерительные инструменты. Сама вселенная не знает, какой результат выдаст в тот момент, когда вы сделаете свое наблюдение.

Однако Эйнштейн рос в эпоху ньютоновской физики, в то время, когда считалось, что вселенная фундаментально предсказуема, а любое событие можно проследить до его истоков по цепочке причинно-следственных связей. В этом ньютоновском мире, если у тебя есть достаточно информации о вселенной в какой-то момент прошлого, ты можешь уверенно предсказать будущее – вплоть до каждого электрона, вращающегося по часовой стрелке, и каждого кота, живого или мертвого.

Эйнштейн обожал предсказуемость. Он считал, что это красиво. А картина Бора с ее непредсказуемыми, случайными коллапсами была, с его точки зрения, уродливой. Вот он и отказался в нее верить.

Честное слово, он именно так и рассуждал. Не приводил никаких хитроумных математических выкладок. Никаких гениальных наблюдений, касающихся орбиты Сатурна или солнечных затмений. Просто «а по-моему, твоя теория некрасивая».

Забавная штука: большинство считает, что физики – это такие благородные искатели научной истины, но на самом деле люди уровня Бора и Эйнштейна не лишены предрассудков, как и все мы. Один физик считает, что вселенная должна быть детерминистической и в ней нет места случайности, другой – что случайность изначально присуща природе, третий – что законы физики придумал всеведущий Создатель с единственной целью максимизировать в космосе количество бургерных, работающих по франшизе. Мнение физика по подобным вопросам нередко строится на той же интуиции и глубинных предрассудках, что и любое другое мнение. Но об этом позже.

К тому времени, когда Эйнштейн и Бор затеяли спор о коллапсе и детерминизме, уже множество экспериментов продемонстрировали, что квантово-механические частицы могут вести себя вроде бы по-настоящему случайно. Так что Эйнштейну надо было показать, что эта случайность – иллюзия.

Задача могла оказаться не такой уж трудной. Ведь большинство того, что мы с вами привыкли считать «случайным», – то же подбрасывание монетки – на самом деле вовсе не случайно.

То есть как это – подбрасывание монетки не случайно?! Рад, что вы спросили.

Да, подбрасывание монетки на самом деле не дает случайных результатов. Если бы у вас было достаточно информации об этой монетке – например, вы знали бы все ее габариты, и как распределен ее вес, и как на ее полет повлияет сопротивление воздуха, и так далее и тому подобное – и еще под рукой имелся суперкомпьютер, чтобы симулировать бросок, вы рано или поздно определили бы со стопроцентной точностью, что выпадет в следующий раз – орел или решка. Случайность исхода при подбрасывании монетки – это иллюзия: мы лишь думаем, будто орел или решка выпадают случайно, поскольку расчеты, которые нужно проделать, чтобы предсказать, какой получится результат, так чудовищно сложны, что мы просто машем на них рукой и говорим: «Ладно, будем считать, что это случайность!»

Будь мы достаточно одержимы, в наших силах было бы уверенно предсказывать результаты при подбрасывании монетки, но у большинства из нас обычно слишком много других дел, надо работать, да и вообще, так что руки у нас до этого пока не дошли.

По мысли Эйнштейна, если как следует приглядеться, мы в итоге обнаружим, что «случайные» результаты экспериментов (вроде «живой кот» и «мертвый кот» или «вращение по часовой стрелке» и «вращение против часовой стрелки») тайно контролируются переменными, о которых мы просто не задумывались. Эти скрытые переменные – что-то вроде массы, распределения веса и прочих характеристик нашей монетки: если бы мы могли определить их значения, случайности в квантовой механике не осталось бы места.

Последние годы жизни Эйнштейн посвятил лихорадочным поискам соответствующей теории, но так и не сумел сформулировать убедительную интерпретацию со скрытыми переменными – однако другим это в конце концов удастся.

Спор Эйнштейна и Бора привел к самому настоящему расколу общества в борьбе за сердце и душу квантовой физики. В последующие годы Бор, отправившись в кругосветное лекционное турне, проповедовал свою идею коллапса всем встречным и поперечным. И со временем его идеи стали считаться «ортодоксальной» интерпретацией законов квантовой механики – не в последнюю очередь благодаря его упорству, умению убеждать и политическому чутью.