О том, чего мы не можем знать. Путешествие к рубежам знаний - Маркус Дю Сотой

Решение об установке на пути частицы «щелевого наблюдателя», принятое в 2016 г. н. э., может изменить поведение частицы в 2000 г. до н. э.

Если мы все-таки используем «щелевой наблюдатель» много лет спустя, это будет означать, что за много лет до того электрон должен был пролететь через ту или другую щель. Но если мы не используем «щелевой наблюдатель», то много лет назад электрон должен был пролететь через обе щели. Странно, не правда ли? То, что мы делаем в начале XXI в., может изменить то, что случилось тысячи лет назад, когда этот электрон начинал свое путешествие. Создается впечатление, что существует не только множественное будущее, но и множественное прошлое, и акт наблюдения, произведенный в настоящем, может определить, что произошло в прошлом. Квантовая физика не только ставит под вопрос возможность познания будущего, но и заставляет усомниться в возможности действительного знания прошлого. Прошлое также представляется в виде суперпозиции возможностей, которые кристаллизуются только в случае наблюдения.

С моей точки зрения, интересная – и часто упускаемая из виду – особенность квантовой физики заключается в том, что вплоть до момента наблюдения она полностью детерминистична. Природа волнового уравнения, которое описывает электрон, пролетающий через щель, не вызывает никаких вопросов. Когда в 1926 г. Шредингер предложил свою теорию, он сформулировал дифференциальное уравнение, дающее полностью детерминистическое предсказание развития волновой функции. Волновое уравнение Шредингера в некотором смысле не менее детерминистично, чем уравнения движения Ньютона.

Вероятностные свойства и неопределенность возникают при попытке наблюдения частицы и извлечения классической информации. В высшей степени неклассическое и странное новое свойство заключается в этом разрывном переходе, по-видимому происходящем при «наблюдении» волны. Детерминизм внезапно исчезает, оставляя нам электрон, случайным образом расположенный в какой-то точке пространства. На большом масштабе такая случайность описывается информацией, содержащейся в волновой функции, но ученые пока не обнаружили механизма, который позволил бы определить в каждом индивидуальном случае будущее расположение электрона в конкретном эксперименте. Так ли это на самом деле? Действительно ли мы никогда не сможем определить положение электрона до наблюдения?

Когда мы производим наблюдение или измерение, происходит странный скачок, который привязывает частицу к одному определенному набору координат. Но немедленно после наблюдения эволюцию частицы начинает описывать другая волновая функция – и это положение сохраняется до следующего наблюдения и следующего скачка. Шредингеру чрезвычайно не нравились эти прерывистые изменения поведения: «Если нельзя избавиться от этих проклятых квантовых скачков, то я жалею, что вообще связался с квантовой теорией»[58].

Тут важно не переборщить с оценкой роли человека. Можно предположить, что червяки тоже могут вызывать редукцию волновой функции. И измерения могут производить не только живые существа. На другом конце потенциально безжизненной Вселенной существуют частицы, взаимодействующие с неодушевленными объектами, и в результате такого взаимодействия волновая функция редуцируется для принятия решения о свойствах частицы. Такое взаимодействие является измерением ничуть не меньше, чем наши экспериментальные исследования в лаборатории. Вселенная заполнена излучением, которое освещает все, что оно встречает на своем пути. Может быть, именно поэтому Вселенная в целом кажется классической, а не пребывающей в постоянном состоянии неопределенности? Это предположение связано с концепцией, которую физики называют декогеренцией.

Мне очень трудно уместить в голове идею о том, что наблюдение становится точкой раздела между детерминистическим электроном, описываемым волновой функцией, и электроном, внезапно получающим точное, но абсолютно случайно определенное местоположение. Вся эта история кажется совершенно безумной. Тем не менее нельзя не признать, что она успешно работает в качестве инструмента для вычислений. Рассказывают, что физик Дэвид Мермин говорил тем, кого, как и меня, беспокоила такая неизвестность, «заткнитесь и считайте». По тому же принципу теория вероятностей применяется к броску игральной кости. Хотя движением кости управляют уравнения Ньютона, лучшим средством для вычисления ее возможного поведения остается теория вероятностей.

Но даже и заткнувшись я не могу избавиться от ощущения резонности таких возражений. Приборы, которые я использую для измерений, представляют собой физическую систему, состоящую из частиц, которые точно так же подчиняются законам квантовой физики, как и электрон, который я пытаюсь наблюдать. И сам я тоже! Я – всего лишь скопление частиц, подчиняющихся квантовым законам. Ведь любой наблюдатель, будь то фотопластинка или человек, является частью мира квантовой физики и тоже описывается волновой функцией. Взаимодействие между волновой функцией электрона и наблюдателем тоже должно описываться волной. В конце концов, в чем состоит «наблюдение» или «измерение»?

А если и наблюдатель, и частицы, пролетающие через щели, описываются волновыми функциями, то не может ли все быть детерминированным? Случайность внезапно исчезает. Почему же физики довольствуются заявлением о том, что акт наблюдения редуцирует волновую функцию, если на самом деле тут действует сверхфункция, описывающая всех участников процесса – и электрон, и приборы, и исследователя? Где проходит граница между квантовым миром вероятности и классическим миром определенности? Такое двойственное видение микроскопического квантового мира и макроскопического мира выглядит несколько подозрительно. Наверняка же можно описать все вместе неким волновым уравнением. Все это в высшей степени неудовлетворительно, но, по правде говоря, большинство физиков следуют совету Мермина и смиряются с таким положением вещей. Мой коллега Филип Канделас рассказывает, как один многообещающий студент, на которого все возлагали большие надежды, однажды вдруг пропал из виду. Когда Канделас поинтересовался, что с ним случилось, он узнал причину его исчезновения. Семейные обстоятельства? Болезнь? Долги? Ни то, ни другое, ни третье. «Он пытался понять квантовую механику».

Я, наверное, пренебрег советом, который Фейнман давал тем, кто подобно мне пытается добиться посвящения в квантовые тайны: «Если сможете, не мучайте себя вопросом “Но как же так может быть?”, ибо в противном случае вы зайдете в тупик, из которого еще никто не выбирался. Никто не знает, как же так может быть».

Тем не менее такую, по-видимому, встроенную в систему неопределенность пытались преодолеть несколькими разными способами. Один из них сводится к гипотезе, согласно которой в точке наблюдения реальность разделяется на суперпозицию разных реальностей. В каждой из них фотон или электрон имеет разные положения, так что волна в некотором смысле не редуцируется, но сохраняется и описывает развитие событий во всех этих разных реальностях. Однако, когда в игру вступает сознание, мы оказываемся заперты в одной из таких реальностей и не имеем доступа ко всем остальным, в которых фотон или электрон обнаруживаются в какой-либо другой точке фотопластинки.