Остров знаний. Пределы досягаемости большой науки - Марсело Глейзер

Научный реалист мог бы возразить на это:

– Но ведь природный объект должен существовать в какой-то форме еще до начала наблюдений.

– Возможно, – ответил бы ему на это последователь квантовой механики. – Но мы ничего не можем сказать про эту форму, и она не имеет значения. Важно лишь то, что благодаря этой странной конструкции мы можем объяснить результаты своих наблюдений.

– То есть вы хотите сказать, что объекты существуют только тогда, когда мы на них смотрим? Электрона нет в природе, пока мы не начинаем с ним взаимодействовать?

– Да, именно это я и хочу сказать. Фактически электрон существует лишь тогда, когда мы измеряем его свойства.

– Но что насчет больших тел? В конце концов, и горы, и деревья, и люди состоят из атомов. Их тоже не существует, пока мы на них не посмотрим?

– Строго говоря, так и есть. Мы не можем знать, реально ли что-то, пока мы не вступим с ним во взаимодействие. Это верно и для макромира. Мы можем лишь предполагать, что крупные объекты существуют, потому что они существовали и до этого. Но пока мы не посмотрим на них, мы не можем быть уверены. На практике большинство людей считает, что существует некая разделительная черта или, еще лучше, переходная зона, после которой классическое описание реальности снова начинает работать. Для объяснения этого существует термин «декогерентность», к которому мы вернемся чуть позже.

– Хорошо. Но никто не знает, где эта переходная зона начинается и заканчивается, верно? Ничто не существует до тех пор, пока мы его не наблюдаем, по крайней мере в теории?

– Я знаю, звучит глупо. Вот почему мы не любим во все это углубляться. Мы используем квантовую механику по необходимости, проводим с ее помощью расчеты и расходимся по домам.

– Ну что ж, если вы не хотите познать истинную природу вещей, а просто используете свою теорию для расчетов, в этом нет ничего страшного. Но разве вы не хотите вырваться из этой тюрьмы практичности?

– Возможно, суть квантовой механики заключается в том, что мы не можем проникнуть в суть реальности, что нам нужно научиться жить с этим осознанием и принять ограниченность наших знаний. Мы должны научиться отпускать.

– Ну нет, так не пойдет. А что насчет всей Вселенной? Разве она не была маленькой до Большого взрыва? Если так, то не значит ли это, что она представляла собой квантовый объект? Но если так и если все вокруг подчиняется квантовой механике, выходит, Вселенная все еще им остается? Или в ней уже работают законы классической механики? Кто выступает в роли ее наблюдателя?

– Прости, дружище, мне пора домой.

– Esse est percipi – «Существовать – значит быть воспринимаемым». Так сказал епископ Джордж Беркли еще в 1710 году.

– Да, но Беркли использовал эту фразу как доказательство существования Бога, вечного наблюдателя, дающего жизнь всему. Не думаю, что это поможет нам понять квантовую механику.

– Но ведь в этом месте тайна всего сущего и природа реальности сходятся воедино и…

– Все, вот теперь я точно ухожу!

Странное квантовое поведение не ограничивается только микромиром. Все вокруг подчиняется квантовой механике, все движется, и ничто не остается стабильным. Разница лишь в том, что на малые объекты это движение оказывает огромное влияние, в то время как в больших телах квантовые колебания незаметны. Суть в том, что мир подчиняется законам не классической, а квантовой механики. Ньютоновское видение мира – это всего лишь удачное приближение, действующее для больших объектов, в отношении которых квантовыми эффектами можно безопасно пренебречь. Тем не менее это не больше чем приближение. Существуют разные способы определить, в какой момент квантовые эффекты перестают быть важны (например, при небольшой длине волны де Бройля по сравнению с параметрами системы, при высоких температурах или сильном внешнем воздействии), но тем не менее они могут оставаться релевантными и в достаточно больших масштабах. Неужели вся Вселенная живет по законам квантовой механики?[123]

Когда Шрёдингер записал свое волновое уравнение, ему нужно было понять, что оно значит, найти подходящую интерпретацию. Что-то присутствовало во времени и пространстве, и в своем уравнении он назвал это что-то волновой функцией, то есть математической функцией пространства и времени ψ(t,x). Так как своей первой задачей Шрёдингер видел объяснение теории де Бройля об электронных волнах, движущихся вокруг ядра атома по разным орбитам, его первым порывом было приравнять волновую функцию к таким волнам. Когда это не сработало, он попробовал интерпретировать свое волновое уравнение как описание плотности заряда электрона. Уравнение представляло электрон чем-то вроде расходящейся от заряда волны и позволяло рассчитать его наиболее вероятное местоположение. В письме Хендрику Лоренцу от 6 июня 1926 года Шрёдингер подошел невероятно близко к правильному ответу, предположив, что в физической интерпретации должен учитываться квадрат волновой функции: «Физическое значение имеет не само число, а его квадратичная функция».[124] Итак, знатоки соотносят количество с абсолютным квадратом ψ(t,x), так как это сложная функция.

Шрёдингер не собирался отказываться от мысли, что его уравнение описывало что-то конкретное. Ему оставался всего один шаг до верной интерпретации, но он не мог отойти от своего научного реализма. Через несколько дней после того, как Шрёдингер опубликовал свою работу, в которой попытался связать волновую функцию с плотностью заряда электрона, Макс Борн выступил с альтернативой, которая ужаснула Шрёдингера, де Бройля, Планка и Эйнштейна. Волновая функция не описывала ни электрон, ни плотность его заряда. Она вообще не была реальна. Борн заявил, что математическая функция, включенная в уравнение Шрёдингера, была всего лишь инструментом для расчета. Ее роль заключалась в том, чтобы указывать на нахождение электрона с определенной энергией в определенное время в определенном месте (так называемую амплитуду вероятности). Возведя ее в квадрат, можно получить плотность вероятности, то есть число от 0 до 1, указывающее на вероятность того, что при измерении позиции электрона он обнаружится неподалеку от определенной точки х.[125]