Джон Гриббин. Шесть невозможностей. Загадки квантового мира. М.: Альпина нон-фикшн, 2021. Перевод с английского Натальи Лисовой. Содержание. Фрагмент
Как и большинство авторов, пишущих о науке, Джон Гриббин и сам начинал как ученый, но после защиты диссертации по астрофизике в начале 1970-х полностью переключился на книги и научно-популярные статьи для Nature и New Scientist.
«Шесть невозможностей» — не первая книга, в которой британец касается контринтуитивной концепции в основе квантовой теории. В книге «В поисках кота Шрёдингера» 1984 года автор рассказывает, как и зачем квантовая физика появилась, какие проблемы решает и какие — ставила и продолжает ставить. В продолжении 1995 года «Котята Шрёдингера» — пишет, как современная квантовая физика объясняет непонятные свойства квантовых частиц и переносит их в реальность в форме квантовой телепортации или квантовой криптографии.
В новой книге он смотрит на проблему непонятности квантовой теории немного под другим углом. Проблема квантовой механики — не просто в том, что теорию сложно понять. Результаты экспериментов — не только мысленных (как с запертым в ящик котом Шрёдингера, который и жив, и мертв одновременно), но и вполне реальных (как с дифракцией электронов на двух щелях), говорят, что квантовый мир можно описывать и как мир частиц, и как мир волн. Иногда так, иногда иначе. Эта двойственность — принципиальный элемент теории, но почему в одних условиях электроны ведут себя как частицы, а в других — интерферируют как волны?
Для Гриббина самая полная формулировка этой диалектической проблемы — в терминах парадокса Эйнштейна, Подольского и Розена. Парадокс описывает измерение квантовых параметров при взаимодействии двух частиц, которое приводит к изменению квантового состояния третьей частицы, находящейся на удалении от первых двух. В такой системе проявляется нелокальность квантовых взаимодействий, а проблема объяснения квантовой реальности сводится к вопросу: «Как одна квантовая частица может реагировать на состояние другой, запутанной с ней квантово, даже если находится на другом краю Вселенной?». В классических, неквантовых теориях реальность локальна, и взаимодействия не могут распространяться быстрее скорости света. Но в квантовой теории частицы могут взаимодействовать на сколь угодно большом расстоянии друг от друга — и принять этот факт тяжело.
В отличие от классической земной физики, квантовая физика не просто контринтуитивна — для нее вообще сложно найти хоть какое-то удовлетворительное объяснение. Кот не может быть жив и мертв одновременно. Но математика, которая описывает это сосуществование, прекрасно работает. Атомная бомба, электронный микроскоп и фотолюминесцентные частицы существуют. Квантовая физика объясняет мир, но никто не объясняет саму квантовую физику. Электрон действительно ведет себя одновременно и как частица, и как волна, а научный метод делает мир одновременно и более, и менее понятным. Над интерпретацией работающей математики, на которой построена квантовая физика, ученые бьются уже больше века. Решения, которое устраивало бы всех, все еще нет, и каждому человеку приходится утешать себя таким объяснением, которое ближе его видению мира.
Сформулировав в первых главах проблему, Гриббин после этого предлагает шесть возможных «утешений». Каждое из них — конкретное решение, предложенное конкретным человеком (или несколькими). В кратких формулировках, которые писатель предлагает уже в заключении, они звучат так: «мир не существует, если вы на него не смотрите», «движением частиц управляет невидимая волна, но частицы на волну не влияют», «все, что могло хотя бы в принципе случиться, случается в одной из множества параллельных реальностей», «все, что могло хотя бы в принципе случиться, уже случилось, а мы заметили лишь часть этого», «все влияет на все остальное мгновенно, как если бы пространства не существовало», «будущее влияет на прошлое».
Начинает писатель с самого первого и самого известного объяснения — Копенгагенской интерпретации. Лица этой концепции — Нильс Бор, Эрвин Шрёдингер и Вернер Гейзенберг. Эта концепция описывает квантовые процессы через квантовые скачки между разрешенными состояниями и вероятность того или иного состояния у квантовой частицы в конкретный момент. Бор, объединив уравнение Шрёдингера (в котором квантовая частица — это волна) с идеей квантовой вероятности, получил уравнение для волны вероятности, которая схлопывается до конкретного выбора в момент наблюдения. Выбор между волной и частицей решается в тот момент, когда появляется наблюдатель и определяет, какие именно свойства он будет измерять.
«На что смотрите, то и получаете, а то, на что вы смотрите, зависит от того, что вы решили искать. Согласно Копенгагенской интерпретации, бессмысленно задаваться вопросом, что представляют собой квантовые объекты, такие как электроны и атомы, и что они делают, когда их никто не измеряет — или не смотрит на них, если вам так больше нравится».
Во вступлении Гриббин оговаривается, что постарается держать собственные симпатии при себе. Но уже на первой интерпретации отходит от этого правила и пишет и об идее с некоторым скепсисом, при этом называя Бора прагматиком, которому важно не столько объяснение, сколько применимость концепции к результатам наблюдений. В этой самой первой и самой популярной интерпретации действительно много необъясненных моментов — все следующие концепции возникали в ответ на нее и старались закрыть те или иные вопросы, которые возникали по отношению к идее Бора и Гейзенберга.
Утешение номер два — идея волны-пилота, предложенная Луи де Бройлем и позже доработанная Дэвидом Бомом. Согласно этому подходу, частица и волна существуют одновременно отдельно друг от друга. Невидимая волна несет видимую частицу и описывается набором скрытых параметров. Интерферируют между собой невидимые волны, но в эксперименте можно измерить свойства частиц. В отличие от Копенгагенской интерпретации эта теория предполагает, что каждая квантовая частица всегда обладает своими свойствами, а не получает их в момент измерения. Но до измерения эти параметры скрыты, а открываются во время наблюдения. Минус этой идеи в том, что волна при таком рассмотрении на частицу влияет, но частица на волну — нет.
Идея волны-пилота Гриббину явно симпатичнее Копенгагенской интерпретации, а ее временный кризис в первой половине века связывает с критикой от авторитетов Бора, Паули и фон Неймана. В итоге в выкладках фон Неймана ошибку нашел Джон Белл, который предложил свою интерпретацию этой идеи, основанную как раз на идее нелокальности. В этой версии невидимые волны возникают из-за инерции при движении относительно центра масс Вселенной. И из-за них квантовые параметры одной квантовой системы зависят от свойств другой отдаленной системы, с которой первая система взаимодействовала в прошлом.
Через распределение масс во Вселенной писатель переходит к многомировой интерпретации. Идея, которая появилась в 50-е годы XX века, во многом похожа на идею Эрвина Шрёдингера о суперпозиции нескольких квантовых состояний. Самому Шрёдингеру не очень нравилась идея Бора о схлопывании волнового уравнения в момент наблюдения; он говорил, что возможные варианты не альтернативны, а происходят одновременно. Идея американского физика Хью Эверетта, которую он разрабатывал независимо, во многом продолжает эту идею. Он предположил, что те возможные решения, которые не удается увидеть в эксперименте, никуда не пропадают, а находятся в альтернативных версиях Вселенной. Существование этих Вселенных человек проверить не может, но их существование ничему не противоречит. Строгую версию интерпретации со множеством вселенных развил потом Дэвид Дойч, который предложил доказать эту модель с помощью квантового компьютера.
В такой схеме время не течет, а версии Вселенной копятся при каждом следующем квантовом выборе. В результате число альтернативных вселенных превышает число атомов в той Вселенной, которую знаем мы. И в Мультивселенной оказываются все миры из прошлого, будущего или описанные в любом реалистическом романе (таком, где выполняются законы физики). Поэтому Гриббин, цитируя Джона Уилера, сам формулирует вопрос, который резонно возникает у читателя: не слишком ли велика метафизическая нагрузка всей этой системы? Аргументированного ответа на этот вопрос не дать, но работоспособность квантового компьютера может быть косвенным свидетельством возможности суперпозиции вселенных.
Автор четвертой интерпретации Энтони Леггетт начал работать над своей идеей в 1960-е. Эта идея — в каком-то смысле продолжение Копенгагенской интерпретации. Леггетт свою концепцию тоже строил на суперпозиции, но ключевая роль в ней отводится декогеренции — разрушению связи между двумя квантово запутанными объектами. Согласно этой идее, именно декогеренция делает квантовую систему неквантовой. Пока объекты когерентны, они — интерферирующие волны. Как только связь разрушается, квантовость пропадает и они начинают вести себя как независимые классические объекты. Декогеренция — это очень быстрый процесс, особенно если объекты состоят из большого числа частиц. В классическом мире она мгновенна и неизбежна. Леггетт показал, что правила квантовой механики могут быть применимы и к макроскопическим объектам, и главное тут — не размер, а именно когерентность.
Этот подход не противоречит и идее бесконечного числа квантовых вариаций вселенных и альтернативных историй, поэтому в каком-то смысле его можно рассматривать как компромисс между Копенгагенской и многомировой интерпретациями.
Со следующей концепцией Гриббин немного нарушает хронологический порядок и сначала возвращает нас в первую половину XX века. Ансамблевая интерпретация квантовой механики — это первая альтернатива Копенгагенской. В ее исходной версии волновая функция объясняется просто с позиции статистики. Результат любого действия с квантовым объектом выбирается с определенной вероятностью из множества вариантов — как если бы это действие проводили над множеством одинаковых объектов или над одним и тем же объектом, но очень большое число раз. Сам по себе такой подход ничего нового не объясняет. Зато помогает понять, как происходят переходы между разными квантовыми состояниями и какова при этом роль наблюдателя, меняющего своим присутствием вероятности отдельных состояний. Основная проблема оригинальной версии этой концепции — в том, что волновая функция описывает только ансамбль и никак не относится к отдельной квантовой частице.
Модернизированную версию этой концепции предложил Ли Смолин, включив в нее идею нелокальности. Это сделало всех участников ансамбля не просто абстрактными нереализованными возможностями, а действительно существующими во Вселенной. Как атомы водорода в основном состоянии, которые существуют во Вселенной в огромном количестве. Все частицы из ансамбля влияют друг на друга, это взаимодействие нелокально и не зависит от того, где именно находится частица. К концу объяснения Гриббин приводит читателя к выводу о том, что Вселенная конечна, а квантовая механика при таком взгляде должна быть приближением какой-то более глубокой теории для ее описания.
Наконец, последнее, шестое утешение — транзакционная интерпретация. Этот самый неочевидный из предложенных подходов сформулировал Джон Крамер в 1986 году. Интерпретация строится на идее о том, что квантовые частицы при взаимодействии испускают две полуволны: одну в будущее, а вторую — в прошлое. Любое квантовое событие — это транзакция этих полуволн. В результате взаимодействия «опережающей» и «запаздывающей» волн возникает стоячая волна, и во всех областях, кроме области около взаимодействующих частиц, эти полуволны компенсируют друг друга.
Для объяснения идеи опережающей волны, которая распространяется в прошлое, Гриббин использует фрагмент одной своей книги, «Котята Шрёдингера», согласует эту идею с уравнением Шрёдингера, объясняет через нее идею нелокальности и показывает, почему такой взгляд не противоречит нашим представлениям о причинно-следственной связи и идее свободы воли. Впрочем, сложная идея остается сложной и после разъяснений, и если читатель с ней не был знаком до этого, то ему придется серьезно задуматься.
Но даже собрав шесть возможных утешений, читатель, в общем-то, все равно остается ни с чем. Оказывается, что все эти утешения не слишком-то и утешают, потому что после них нужны какие-то новые утешения.
«Все Утешения равно хороши, и все они равно плохи. Это, по крайней мере, означает, что вы вольны самостоятельно выбрать, которое из них самое комфортное для вас, и не обращать внимания на остальные».
Разрыв, который возникает в стройной картине устройства классического мира, оказывается тяжело закрыть рациональным образом. Утешения, которые предлагает современная физика, — пока не настоящие решения, а скорее способы смириться с этим непониманием на фундаментальном уровне. А такое смирение ставит перед нами более важный вопрос: если так себя ведет одна из самых серьезных и доказанных научных теорий, насколько вообще современная наука позволяет познавать мир вокруг?