Сто лет назад небольшая группа физиков-теоретиков перевернула наше представление о мире с ног на голову. И до сих пор наука не может оправиться от этого потрясения.
Содержание
Рождение квантовой механики
В 1926 году в Институте теоретической физики в Копенгагене царило напряжение. Институт был основан десятью годами ранее датским физиком Нильсом Бором, который превратил его в инкубатор молодых талантов, работающих над новой теорией атомов. В 1925 году один из протеже Бора, блестящий и амбициозный немецкий физик Вернер Гейзенберг, предложил такую теорию. Но теперь все спорили друг с другом о том, что она означает для самой природы физической реальности.
Казалось, что реальность распадается на части.
Бор потряс научный мир в 1913 году своей смелой теорией строения атомов. Опираясь на идею, предложенную в 1900 году немецким физиком Максом Планком, он утверждал, что электроны, вращающиеся вокруг плотного центрального ядра, ограничены определенными орбитами и могут перескакивать между ними, только испуская или поглощая свет дискретными порциями энергии, называемыми квантами.
Эта теория принесла Бору Нобелевскую премию в 1922 году, но она была неуклюжим, специально подогнанным сочетанием традиционной физики и новой “квантовой” гипотезы Планка. Бор жаждал объяснения, которое добралось бы до корня того, почему атомы, казалось, ведут себя столь странным образом. Его нельзя было построить на основе традиционной классической механики, которая преобладала со времен формулировки Исааком Ньютоном ее основных законов в 17 веке. Требовалась новая механика квантов.
Такая “квантовая механика” была разработана Гейзенбергом летом 1925 года, когда он находился на острове Гельголанд в Северном море, спасаясь от ужасной сенной лихорадки. Амбициозный, смелый и блестящий, Гейзенберг привлек внимание Бора, когда еще студентом бросил вызов одному из утверждений Бора на лекции, которую датчанин читал в Геттингенском университете в 1922 году.
Бор пригласил молодого человека в Копенгаген в 1924 году, и они вдвоем начали искать способ придать квантовой гипотезе строгую математическую форму. Гейзенберг совершил тот же скачок веры, что и Бор, разрабатывая свою квантовую модель атома: отбросить то, на чем настаивает традиция, и начать с чистого листа. Его схема включала запись чисел, измеренных экспериментально для частот света, испускаемого атомами, в виде столбцов, называемых матрицами. Затем их можно было использовать для вычислений, например, для предсказания интенсивности излучаемых лучей.
Матричная квантовая механика Гейзенберга выглядела как прорыв, которого ждал Бор. Как он написал своему бывшему наставнику, новозеландцу Эрнесту Резерфорду в Англии: “Теперь мы видим возможность разработки количественной теории атомной структуры”.
Однако аскетичная матричная механика Гейзенберга не давала никакого намека на то, что математика означает для реального мира: физической природы материи, света и энергии. Этот пробел был преднамеренным. Гейзенберг был полон решимости работать только с тем, что раскрыли эксперименты, без каких-либо предположений о лежащей в основе реальности, которую они описывали.
Эйнштейн не может поверить
К 1926 году ситуация запуталась окончательно. Копенгагенская группа – Бор, Гейзенберг и их коллеги, включая дерзкого молодого австрийца Вольфганга Паули и их сотрудника Макса Борна, бывшего наставника Гейзенберга в Геттингене – расходилась во мнениях с такими учеными, как Альберт Эйнштейн (предложивший световые кванты в 1905 году) и австрийский физик Эрвин Шредингер, о том, как интерпретировать новую квантовую механику. Предположение, исходящее из Копенгагена, о том, что квантовый мир просто нельзя визуализировать в терминах объектов, взаимодействующих во времени и пространстве, казалось Эйнштейну и Шредингеру отказом от всего, к чему стремилась наука: физической картины реальности.
Более того, в начале года Шредингер объявил о соперничающей форме квантовой механики по отношению к теории Гейзенберга, основанной на идее, что квантовые частицы можно описать как волны. Казалось, это восстанавливает физическую картину происходящего: матрицы были абстрактными и математическими, но волны – даже если это были волны частицеподобных сущностей, таких как электроны – были знакомыми аспектами реальности. Но Гейзенберг, обескураженный этой явной конкуренцией за истинную квантовую теорию, отверг волновую механику как “чушь”; Шредингер, в свою очередь, сказал, что его “отталкивают” резкие квантовые скачки между энергетическими состояниями, предполагаемые в матричной механике.
Вскоре, однако, копенгагенцы перестали соглашаться даже друг с другом. Пытаясь осмыслить идеи Гейзенберга, Бор обнаружил, что находится в противоречии с молодым немцем. Бор был склонен принять волны Шредингера и сделать понятие “дополнительности” краеугольным камнем квантовой механики: такие сущности, как электроны, могли вести себя как частицы или волны, но не одновременно и не в одном и том же эксперименте.
Гейзенбергу не нравились такие качественные идеи, он хотел придерживаться только математики. “Наши разговоры часто продолжались до глубокой ночи и не приводили к удовлетворительному выводу, несмотря на длительные усилия”, – писал он позже. “Мы оба были совершенно измотаны и довольно напряжены”. Их разногласия почти довели Гейзенберга до слез.
Весной 1927 года Бор отправился на лыжную прогулку в Норвегию, чтобы обдумать этот вопрос в одиночестве. В его отсутствие Гейзенберг написал статью, в которой попытался объяснить, что его матричная механика означает для квантовых объектов. Его выводы казались странными.
Существуют некоторые пары свойств квантовых частиц, сказал он, которые мы никогда не сможем измерить одновременно с желаемой точностью. Если мы измеряем одно из них более точно, другое обязательно становится менее определенным. По словам Гейзенберга, в основе природы лежит фундаментальная неопределенность. С точки зрения классической физики это кажется безумием, поскольку ничто не мешает нам одновременно измерить скорость и положение крупного классического объекта (как иначе можно было бы выписывать штрафы за превышение скорости?).
Гейзенберг отправил свою статью в печать, пока Бор катался на лыжах, только чтобы обнаружить по возвращении босса, что тот считает, что в ней содержатся серьезные недостатки. Гейзенберг пытался проиллюстрировать свой “принцип неопределенности”, показав, как попытка измерить положение и скорость электрона путем отражения от него гамма-луча неизбежно нарушит то, что пытаются измерить. Но Бор чувствовал, что здесь Гейзенберг упускает из виду волновой характер гамма-луча – как он, конечно, и делал, потому что ему вообще не нравилась идея волн в квантовой механике.
За этим последовали еще более горячие разговоры, после которых Гейзенберг согласился добавить примечание в конце статьи, признающее точку зрения Бора на дополнительность волн и частиц. “Слава Богу!” – написал он родителям. “Моя дружба с Бором, конечно, важнее физики”.
Реальность под вопросом
На кону стояло больше, чем вопрос о том, верна ли новая квантовая механика или нет. Для копенгагенской группы – здесь, по крайней мере, Бор и Гейзенберг были согласны – теория бросала вызов предположениям, лежащим в основе всего научного восприятия последних нескольких столетий. Квантовая механика, говорили они, требовала отбросить старую реальность и заменить ее чем-то более размытым, неопределенным и тревожно субъективным. Ученые больше не могли предполагать, что они объективно исследуют существующий мир. Вместо этого казалось, что выбор экспериментатора определял то, что было видно – что, фактически, вообще можно было считать реальным.
Другими словами, мир не просто сидит там, ожидая, пока мы откроем все факты о нем. Принцип неопределенности Гейзенберга подразумевал, что эти факты определяются только тогда, когда мы их измеряем. Если мы решаем точно измерить скорость электрона (точнее, его импульс), то это становится фактом о мире – но ценой принятия того, что просто нет фактов о его положении. Или наоборот.
Но вопрос “Каковы были положение или импульс до того, как мы измерили то или другое?” не имеет ответа – не потому, что мы не могли знать, пока не посмотрели, а потому, что вопрос не имеет смысла. Кажется, мы сами выбираем, что реально. Эта идея казалась Эйнштейну безумной. Гейзенберг сказал, что Эйнштейн отказывался признать, что “невозможно, даже в принципе, обнаружить все частичные факты, необходимые для полного описания физического процесса. И поэтому он категорически отказывался принять принцип неопределенности”.
Эйнштейн был раздражен. Как может Луна быть реальной только если он на нее посмотрит?
Сто лет спустя ученые все еще спорят об этом вопросе о том, что квантовая механика означает для природы реальности. Возникли альтернативные интерпретации квантовой механики, которые породили свои собственные горячие дебаты.
Одна из них – теория “пилотной волны”, форму которой представил французский физик Луи де Бройль в 1920-х годах, но которая была более полно разработана в 1950-х годах Дэвидом Бомом. Согласно этой теории, квантовые частицы являются реальными сущностями с хорошо определенными свойствами во времени и пространстве, но которые движутся и взаимодействуют под влиянием волн в несколько таинственном поле, называемом квантовым потенциалом.
Возможно, самой популярной альтернативной интерпретацией является так называемая теория множественности миров, впервые предложенная американским физиком Хью Эвереттом в 1957 году. Она утверждает, что измерения не навязывают выбор того, какие из возможных результатов, допускаемых квантовой механикой, становятся “реальными”; скорее, все результаты реализуются, но в разных мирах, которые расходятся при проведении измерения.
Физик Антон Цайлингер, разделивший Нобелевскую премию 2022 года за свои экспериментальные исследования неуловимой природы квантового мира, сказал, что невозможно продемонстрировать, “что любая частица имеет реалистическую траекторию” в случае интерпретации де Бройля-Бома. Между тем, утверждение Эверетта о том, “что наблюдатель сосуществует во многих различных состояниях, по своей сути непроверяемо”.
Такие альтернативные интерпретации квантового поведения предполагают, что физики хотят вернуть объективную реальность. Они хотят вернуться к тому, что философы называют реализмом, где вещи имеют определенные положения и свойства независимо от того, как или смотрим ли мы на них вообще. Но до сих пор научные исследования квантового мира не удовлетворили требованиям реалистов.
Бор не дает Шредингеру спать
Поначалу матричная механика Гейзенберга была слишком сложной даже для некоторых его коллег из Копенгагена. Математика была в порядке, но что раздражало, так это настойчивость Гейзенберга в том, что бессмысленно искать физическую картину происходящего. Забудьте всю идею электронных орбит в атомах, говорил он – это просто манера выражения. Но, возражал Паули, мы же видим, как Луна следует по орбите! Чем электроны могут отличаться?
Бор, с другой стороны, казалось, наслаждался загадкой. “Как замечательно, что мы столкнулись с парадоксом”, – сказал он. “Теперь у нас есть надежда на прогресс”. В этом был весь Бор: принять противоречие, как будто это был ответ. Было почти так, как если бы, просто придумав слово для этого – дополнительность – Бор утверждал, что решил проблему. Дополнительность можно примерно описать как предположение, что противоречивые вещи могут быть одновременно истинными, но не в одно и то же время. Частица может быть волной, и наоборот – но не обоими одновременно. “Противоположность одной глубокой истины вполне может быть другой глубокой истиной”, – любил говорить Бор.
Бора справедливо критиковали за туманное выражение своих идей, как в письменной форме, так и в лекциях. Но это, кажется, происходило потому, что он пытался выразить идеи нашим повседневным языком, который не предназначен для такого. Когда мы говорим, что волнообразные квантовые частицы могут быть “во многих местах или состояниях одновременно”, или что измерение какого-либо свойства частицы “схлопывает” всю ее размазанную волнистость в единственное значение, или что странное квантовое явление, называемое запутанностью, заставляет измерение одной частицы мгновенно влиять на другую, независимо от того, как далеко она находится, мы на самом деле говорим не о том, на что похожа квантовая механика, а конструируем ее образы, основанные на наших собственных классических интуициях – именно то, что подрывает квантовая физика.
Квантовая механика заменила старую реальность чем-то тревожно субъективным.
Шредингер чувствовал, что его волновая квантовая механика предлагает выход из неопределенной, неоформленной реальности, которая, казалось, возникала из Копенгагена. Конечно, было странно, что квантовые частицы могли вести себя как волны, как будто они были размазаны в пространстве – но как только вы преодолевали это, по крайней мере, волны казались чем-то реальным. Но когда Шредингер посетил Копенгаген осенью 1926 года, чтобы обсудить свою теорию, он не совсем рассчитывал на тот прием, который он получит. Бор позже сказал довольно сдержанно, что “Шредингер дал нам очень впечатляющий отчет о своей замечательной работе”. На самом деле это была яростная битва.
Шредингер провел семинар с копенгагенской командой, который, по-видимому, погрузился в хаос. По одному из свидетельств, “полдюжины физиков выкрикивали возражения и вопросы. Бор, забыв о своей трубке, ходил по комнате. Каждый убеждал своего соседа… шум продолжался большую часть недели”.
Видимо, измученный спорами, Шредингер простудился и слег с лихорадкой в гостевых комнатах Института. Но это не принесло передышки. Бор продолжал обсуждать вопрос у постели Шредингера, пока жена Бора Маргрете не убедила его уступить ради хрупкого здоровья их гостя.
“Если бы я знал, что [волновая теория] будет воспринята настолько серьезно, что вызовет все эти дискуссии”, – сказал Шредингер в какой-то момент, – “я бы никогда ее не придумал”. И если, напротив, мы были бы вынуждены принять отвратительные квантовые скачки, на которых настаивали Бор, Гейзенберг и их коллеги, “я бы пожалел, что вообще связался с квантовой теорией”.
Но Бор ответил, заверив его, что все остальные благодарны, что он это сделал – потому что волновая механика Шредингера “представляет собой гигантский шаг вперед по сравнению со всеми предыдущими формами квантовой механики”. Он не просто пытался успокоить своего гостя; к огорчению Гейзенберга, Бор и многие его коллеги приняли волновое исчисление Шредингера вместо матриц Гейзенберга, поскольку оно было в целом проще в использовании. Сам Шредингер доказал, что обе версии квантовой механики эквивалентны, так что выбор между ними – просто вопрос вкуса.
Во всяком случае, волновая механика Шредингера не восстановила тот тип реальности, которого хотели он и Эйнштейн. Его теория представляла все, что можно было сказать о квантовом объекте, в форме математического выражения, называемого волновой функцией, из которой можно предсказать результаты измерений объекта. Волновая функция выглядит очень похоже на обычную волну, как звуковые волны в воздухе или водные волны на море. Но волна чего?
Сначала Шредингер предположил, что амплитуда волны – представьте это как высоту водной волны – в данной точке пространства была мерой плотности размазанной квантовой частицы там. Но Борн утверждал, что на самом деле эта амплитуда (точнее, квадрат амплитуды) является мерой вероятности того, что мы найдем частицу там, если сделаем измерение ее положения.
Самое обескураживающее следствие Гейзенберга
Это так называемое правило Борна лежит в основе того, что делает квантовую механику такой странной. Классическая ньютоновская механика позволяет нам рассчитать траекторию объекта, такого как бейсбольный мяч или Луна, чтобы мы могли сказать, где он будет в данный момент времени. Но квантовая механика Шредингера не дает нам ничего эквивалентного траектории для квантовой частицы. Скорее, она говорит нам о шансе получить определенный результат измерения.
Кажется, она указывает в противоположном направлении от других научных теорий: не к сущности, которую она описывает, а к нашему наблюдению за ней. А что, если мы вообще не проводим измерение частицы? Говорит ли волновая функция о вероятности ее нахождения в данной точке в данное время? Нет, она ничего не говорит об этом – или, точнее, она не позволяет нам ничего сказать об этом. Она говорит только о вероятностях результатов измерений.
Ключевой момент заключается в том, что то, что мы видим, зависит от того, что и как мы измеряем. Существуют ситуации, для которых квантовая механика предсказывает, что мы увидим один результат, если измеряем одним способом, и другой результат, если измеряем ту же систему другим способом. И это не потому, как иногда подразумевается (это было причиной ссоры Гейзенберга с Бором), что проведение измерения нарушает объект каким-то физическим образом, подобно тому, как мы можем очень незначительно нарушить температуру раствора в пробирке, опустив в него термометр. Скорее, это кажется фундаментальным свойством природы, что сам факт получения информации о ней вызывает изменение.
Если тогда под реальностью мы подразумеваем то, что мы можем наблюдать в мире (ибо как мы можем осмысленно назвать что-то реальным, если его нельзя увидеть, обнаружить или даже вывести каким-либо образом?), трудно избежать вывода, что мы играем активную роль в определении того, что реально – ситуация, которую американский физик Джон Арчибальд Уилер назвал “участвующей вселенной”. Эта точка зрения казалась абсурдной Эйнштейну, который раздраженно спрашивал, как Луна может быть реальной только если он на нее посмотрит.
Эйнштейн был прав в своем беспокойстве. Как можно было не беспокоиться, если вы действительно понимали, каким было послание из Копенгагена? Когда после одной дискуссии кто-то сказал Бору, что у них кружится голова от размышлений о последствиях, он ответил: “Но если кто-то говорит, что может думать о квантовых проблемах без головокружения, это только показывает, что он не понял главной вещи о них”.
“Неопределенность” Гейзенберга отражала это ощущение смещения почвы под ногами. Это было не идеальное слово – сам Гейзенберг изначально использовал немецкое Ungenauigkeit, означающее что-то ближе к “неточности”, а также Unbestimmtheit, что можно перевести как “неопределенность”. Дело было не в том, что кто-то был неуверен в ситуации квантового объекта, а в том, что не было ничего, в чем можно было быть уверенным.
За принципом неопределенности скрывалось еще более тревожное следствие. Неопределенность квантовых явлений, когда электрон в атоме, казалось, мог перескакивать из одного энергетического состояния в другое в момент своего собственного выбора, казалась указывающей на гибель самой причинности. В квантовом мире происходили вещи, но нельзя было обязательно привести причину, почему. В своей статье 1927 года о принципе неопределенности Гейзенберг бросил вызов идее о том, что причины в природе приводят к предсказуемым следствиям. Это, казалось, подрывало саму основу науки и делало мир беззаконным, несколько произвольным местом.
Реальность, ранее представлявшая собой мир, в котором хорошо определенные частицы взаимодействовали по точным законам, так что в принципе будущее можно было предсказать на основе полного знания настоящего, казалось, растворяется в тумане, внутри которого больше не было объективной точки зрения для наблюдателя. Позиция, отрицающая любую предсуществующую реальность, независимую от нашего знания о ней, называется антиреализмом. Было ли это тогда действительно тем, к чему сводилась копенгагенская интерпретация?
Некоторые так думают, но это не очевидно. Рассматривать квантовую механику как теорию о вероятностях результатов измерений не то же самое, что говорить, что нет ничего до того, как сделано измерение. Это просто признание ограничений того, что теория позволяет нам сказать об этом.
Можно сказать, что, с этой точки зрения, теория не говорит о том, как обстоят дела, а о том, что мы увидим, если будем наблюдать. Она не отрицает независимого существования некоего субстрата мира, который дает начало наблюдениям, а только наше право высказываться о нем. Историк науки Мара Беллер выражает это иначе: позиция Бора подразумевает, что нам не нужно принимать реалистический взгляд на мир, чтобы использовать квантовую механику для предсказания того, что мы будем наблюдать.
Правильно истолкованная (а копенгагенская команда не всегда сама была достаточно осторожна, чтобы это прояснить) интерпретация показывает нам пределы того, что, если квантовая механика верна, мы можем с уверенностью заключить о реальности. Это та строгость, которую Цайлингер отстаивает в любом поиске более глубокого понимания.
Проблема заключалась в том, что Бор, Гейзенберг и их коллеги, как правило, намекали на бессмысленность подобных поисков: мол, нам просто нужно принять вещи такими, какие они есть. Неудивительно, что Эйнштейн и другие упорно пытались восстановить какую-то версию старой объективной реальности.
Одним из самых провокационных взглядов Бора было то, что существует фундаментальное различие между размытым, вероятностным квантовым миром и классическим миром реальных объектов в реальных местах, где измерения, скажем, электрона с помощью макроскопического прибора говорят нам, что он находится здесь, а не там.
То, что имел в виду Бор, шокирует. Реальность, подразумевал он, не состоит из объектов, расположенных во времени и пространстве. Она состоит из “квантовых событий”, которые обязаны быть самосогласованными (в том смысле, что квантовая механика может их точно описать), но не классически согласованными друг с другом. Одно из следствий этого, насколько мы можем сейчас судить, заключается в том, что два наблюдателя могут видеть разные и противоречивые исходы одного и того же события – и при этом оба могут быть правы.
Но это жесткое различие между квантовым и классическим мирами сегодня не может быть устойчивым. Ученые теперь могут проводить эксперименты, которые исследуют размерные масштабы, находящиеся между теми, где, как считается, действуют квантовые и классические правила – не микроскопические (атомный масштаб) и не макроскопические (человеческий масштаб), а мезоскопические (промежуточный размер). Мы можем, например, наблюдать за поведением наночастиц, которые можно увидеть и которыми можно манипулировать, но которые достаточно малы, чтобы на них действовали квантовые правила. Такие эксперименты подтверждают точку зрения, что нет резкой границы между квантовым и классическим. Квантовые эффекты все еще можно наблюдать на этих промежуточных масштабах, если наши приборы достаточно чувствительны, но эти эффекты могут быть труднее различимы по мере увеличения числа частиц в системе.
Чтобы понять такие эксперименты, не обязательно принимать какую-либо конкретную интерпретацию квантовой механики, а достаточно применять стандартную теорию – заключенную, скажем, в волновой механике Шредингера – более широко, чем это делали Бор и его коллеги, используя ее для изучения того, что происходит с квантовым объектом при взаимодействии с окружающей средой. Таким образом, физики начинают понимать, как информация выходит из квантовой системы в окружающую среду и как при этом размытость квантовых вероятностей превращается в четкость классического измерения. Благодаря этой работе начинает казаться, что наш привычный мир – это всего лишь то, как выглядит квантовая механика с высоты человеческого роста.
Но даже если нам удастся завершить этот проект объединения квантового с классическим, мы можем так и не узнать, из какой материи – из какой реальности – все это возникает. Возможно, однажды другая, более глубокая теория даст нам ответ. А может быть, копенгагенская группа была права сто лет назад, утверждая, что мы просто должны смириться с условной, временной реальностью: миром, который сформирован лишь наполовину, пока мы не решим, каким он будет.
Филип Болл — британский литератор, популяризатор науки, в особенности физики, научный журналист.
Читайте также: Новый квантовый двигатель, работающий на запутанности ионов
