Квант. Эйнштейн, Бор и великий спор о природе реальности

Эверетт назвал свою интерпретацию “формулировкой квантовой механики, основанной на понятии относительного состояния”. Он показал, что предположение о существовании всех возможных квантовых состояний приводит к тем же предсказаниям результатов квантово-механических экспериментов, что и копенгагенская интерпретация.

Свою альтернативную интерпретацию Эверетт опубликовал в 1957 году. Статья сопровождалась комментарием его научного руководителя, известного принстонского физика Джона Уилера. Это была первая работа Эверетта. Больше десяти лет она оставалась практически незамеченной. Разочарованный Эверетт бросил научную работу и стал работать на Пентагон, где занимался применением теории игр к стратегическому планированию.

“Вопрос не в том, существуют ли невидимые миры, — сказал однажды американский режиссер Вуди Аллен, — а в том, как далеко они от центра города и как поздно открыты”³¹. В отличие от Аллена, большинство физиков отказывалось признать, что бесконечное число исключающих друг друга реальностей, в которых реализуются все мыслимые экспериментальные результаты, существует. К сожалению, Эверетт умер от сердечного приступа в 1982 году, когда ему был всего пятьдесят один год. Он не дожил до момента, когда его “многомировую интерпретацию”, как ее позже назвали, стали всерьез воспринимать квантовые космологи, пытающиеся раскрыть тайну образования Вселенной. Многомировая интерпретация квантовой механики позволяла им обойти вопрос, ответ на который не могла дать копенгагенская интерпретация: какой акт наблюдения может привести к коллапсу волновой функции всей Вселенной?

Копенгагенская интерпретация требует существования вне Вселенной наблюдателя, который наблюдал бы такое событие. Но поскольку такового нет (не будем принимать в расчет Бога), Вселенная никогда не могла бы появиться и навсегда осталась бы в состоянии суперпозиции многих возможностей. Это еще раз ставило на повестку дня давнюю проблему измерений. В уравнение Шредингера, описывающее квантовую реальность как суперпозицию разных возможностей, каждой из которых ставится в соответствие определенная вероятность, акт измерения не входит. В математическом аппарате квантовой механики наблюдателя также нет. Теория ничего не говорит о коллапсе волновой функции — неожиданном, скачкообразном изменении состояния квантовой системы в процессе измерения, когда та или иная возможность становится реальностью. В многомировой интерпретации Эверетта для коллапса волновой функции не нужен ни наблюдатель, ни измерение: абсолютно все возможные результаты квантовых событий сосуществуют как реальные в параллельных Вселенных.

“Оказалось, что предложить интерпретацию — гораздо более сложная задача, чем просто вывести уравнения”, — заявил Поль Дирак пятьдесят лет спустя после Сольвеевского конгресса 1927 года³². Нобелевский лауреат Мюррей Гелл-Манн считает, что в какой-то мере так происходит из-за того, что Нильс Бор ‘“промыл мозги’ целому поколению физиков, заставив их поверить, что проблема решена”³³. В июле 1999 года социологический опрос, проведенный во время конференции по квантовой физике в Кембриджском университете, выявил отношение нового поколения физиков к вызвавшему столько споров вопросу об интерпретации квантовой механики³⁴. Из девяноста опрошенных всего четверо проголосовали за копенгагенскую интерпретацию, а тридцать высказались за современную версию многомировой теории Эверетта³⁵. Интересно, что пятьдесят физиков поставили галочку в клетке: “Ни одна из перечисленных / Еще не решил”.

Неразрешенные концептуальные трудности, такие как проблема измерения и невозможность указать точно, где кончается квантовый и начинается классический мир нашей повседневности, склоняют все большее число физиков к поиску чего-то, спрятанного на более глубоком уровне, чем квантовая механика. “Теория, ответом которой являются слова ‘может быть’, — говорит лауреат Нобелевской премии физик-теоретик Герард’т Хоофт, — должна восприниматься как неточная”³⁶. Он верит, что Вселенная детерминирована, и занят поисками фундаментальной теории, которая объяснила бы все странные, противоречащие интуиции, особенности квантовой механики. Однако есть и другие. Например, Николас Гисин, ведущий экспериментатор, исследующий перепутывание, заявляет, что “не испытывает затруднений из-за неполноты квантовой механики”³⁷.

Появление других интерпретаций и серьезные сомнения относительно полноты квантовой механики привели к пересмотру вердикта, вынесенного не в пользу Эйнштейна в его длившемся так долго споре с Бором. “Может ли такое быть, чтобы Эйнштейн в каком-либо серьезном вопросе мог оказаться так глубоко ‘неправ’, как утверждают последователи Бора? — задается вопросом английский математик и физик сэр Роджер Пенроуз. — Я в это не верю. Со своей стороны я решительно поддерживаю Эйнштейна, верившего в субмикроскопическую реальность, и разделяю его убежденность, что современная квантовая механика в своей основе неполна”³⁸.

Хотя Эйнштейну в схватках с Бором никогда не удавалось нанести решающий удар, брошенный им вызов будоражит умы. Именно он сподвиг таких ученых, как Бом, Белл и Эверетт, попытаться проверить и дать оценку копенгагенской интерпретации Бора в то время, когда она господствовала повсеместно. Спор Эйнштейна и Бора о природе реальности стал стимулом для появления теоремы Белла. Проверка неравенства Белла прямо или опосредованно стала причиной лавинообразного появления новых областей исследований, таких как квантовая криптография, квантовая теория информации и квантовые компьютеры. Квантовая телепортация — одна из самых поразительных новых теорий. Кажется, этот термин взят из научной фантастики, но в 1997 году не одной, а сразу двум командам физиков удалось телепортировать частицу. Физически частицу в пространстве не перемещали, но ее квантовое состояние передавалось частице, расположенной в другом месте. Таким образом, первую частицу телепортировали из одного места в другое.

Последние тридцать лет жизни Эйнштейна, критиковавшего копенгагенскую интерпретацию и пытавшегося усмирить квантового демона, считали маргиналом. Теперь Эйнштейн частично реабилитирован. Его поединок с Бором не имел ничего общего с борьбой за уравнения и решения, полученные с помощью аппарата квантовой механики. Что означает квантовая механика? Что она говорит о природе реальности? Этих людей разделяли ответы на подобные вопросы. Эйнштейн никогда не предлагал собственную интерпретацию. Он не пытался облечь свои философские взгляды в форму физической теории. Вместо этого, основываясь на вере в независящую от наблюдателя реальность, он пытался дать оценку квантовой механике и построить такую теорию, которая удовлетворяла бы его самого.

Еще в декабре 1900 года классическая физика отводила каждому явлению определенную ячейку, и почти все ей удалось расставить по местам. Затем Макс Планк неожиданно столкнулся с квантом, и физики все еще стараются свыкнуться с ним. Эйнштейн говорил, что пятьдесят долгих лет “мозгового штурма” ни на шаг не приблизили его к пониманию того, что такое квант³⁹. Он продолжал свои попытки до конца, находя утешение в словах Готхольда Эфраима Лессинга: “Поиск истины значительно ценнее обладания ею”⁴⁰.

Краткая история квантовой физики

1858 23 апреля. В Киле (Германия) родился Макс Планк.

1871 30 августа. В Брайтуотере (Новая Зеландия) родился Эрнест Резерфорд.

1879 14 марта. В Ульме (Германия) родился Альберт Эйнштейн.

1882 11 декабря. В Бреслау (Германия) родился Макс Борн.

1885 7 октября. В Копенгагене (Дания) родился Нильс Бор.

1887 12 августа. В Вене (Австрия) родился Эрвин Шредингер.

1892 15 августа. В Дьеппе (Франция) родился Луи де Бройль.

1893 Февраль. Вильгельм Вин открыл закон смещения для излучения абсолютно черного тела.

1895 Ноябрь. Вильгельм Рентген открыл X-лучи.

1896 Март. Анри Беккерель обнаружил, что урановые соединения испускают неизвестное излучение, названное им “урановыми лучами”.

Июнь. Вин публикует согласующуюся с доступными экспериментальными данными формулу для распределения энергии в спектре излучения абсолютно черного тела (закон Вина).