Существует ли наша физическая реальность объективно?

Мы привыкли считать физическую реальность тем, что существует объективно, независимо от какого-либо наблюдателя. Но теория относительности и квантовая физика утверждают обратное.

На старый философский вопрос: «Если дерево падает в лесу, и никого нет рядом, чтобы это услышать, издает ли оно звук?» — казалось бы, есть очевидный ответ: да. Всякий раз, когда падает дерево, его ствол ломается, ветки ударяются о другие ветки, а само оно ударяется о землю. Каждое из этих действий должно производить звук. Но теория относительности учит нас, что звук, воспринимаемый каждым наблюдателем, зависит от его положения и движения, а квантовая физика говорит нам, что сам акт наблюдения изменяет квантовое состояние системы. Что же всё это означает для существования «объективной реальности»?

Если и есть что-то, в чем большинство из нас может быть уверено, так это в следующем: наша наблюдаемая физическая реальность действительно существует. Хотя за этим выводом всегда стоят определенные философские допущения, это допущение не опровергается ничем, что мы когда-либо измеряли при каких-либо условиях: ни человеческими чувствами, ни лабораторным оборудованием, ни телескопами или обсерваториями, ни под воздействием одной лишь природы, ни при специфическом вмешательстве человека. Реальность существует, и наше научное описание этой реальности появилось именно потому, что эти измерения, проведенные где угодно и когда угодно, согласуются с этим самым описанием реальности.

Но ранее существовал набор допущений, сопровождавших наше представление о реальности, с которыми теперь согласны не все, и главным среди них является то, что реальность сама по себе существует в форме, независимой от наблюдателя или измерителя. Фактически, два величайших достижения науки XX века — теория относительности и квантовая механика — конкретно оспаривают наше представление об объективной реальности и указывают на реальность, которую невозможно отделить от акта её наблюдения. Вот странная наука о том, что мы знаем сегодня о понятии объективной реальности.

Объективная реальность

Проще говоря, главная идея заключается в том, что реальность существует, и она существует таким образом, что не зависит от кого-либо или чего-либо, кто её отслеживает или наблюдает. Частицы имеют массы, заряды и другие внутренние свойства, которые не меняются, независимо от того:

кто их измеряет,
где находится наблюдатель,
как быстро он движется,
какое свойство измеряется,
или каким способом получено измерение.

Это фундаментальная идея науки: «реальность» чего-либо полностью не зависит от того, исследуется ли оно и как именно.

Но эта идея — всего лишь допущение. Конечно, мы видим, что законы физики и фундаментальные константы природы, похоже, не меняются со временем или в пространстве: атом водорода здесь имеет тот же набор линий излучения и поглощения, что и атом водорода за много миллиардов световых лет от нас или много миллиардов лет назад. Протон имеет ту же массу покоя в Антарктиде, что и на Международной космической станции, или в галактике где угодно во Вселенной. Как показывают эти примеры, мы можем утверждать, что это допущение верно лишь в той степени, в какой мы способны подвергнуть его экспериментальным и наблюдательным проверкам.

Это чрезвычайно хорошо подтверждалось физикой на протяжении большей части её истории: от Галилея до Ньютона, Фарадея и Максвелла. Закон всемирного тяготения казался одним и тем же универсальным законом везде, куда мы могли заглянуть: от объектов здесь, на Земле, до объектов, вращающихся вокруг Земли, а также планет, лун и комет, вращающихся вокруг иных небесных тел. Гравитационная постоянная была действительно постоянной; законы движения казались одинаковыми для всех, и если два разных человека измеряли положение, движение или ускорение объекта, а также время, затраченное на перемещение между разными точками, они оба получали один и тот же ответ.

Поначалу казалось, что это применимо к электромагнетизму так же хорошо, как и к классической механике. Законы электричества и магнетизма были одинаковыми везде, куда бы мы ни посмотрели, и одинаково хорошо применялись к зарядам в покое и в движении — на любой скорости. Не имело значения, были ли это радиоактивные частицы, такие как альфа-частицы (ядра гелия) или бета-частицы (электроны), или же это были огромные скопления зарядов, подобные тем, что можно найти на заряженном генераторе Ван де Граафа. Заряды могли вести себя по-разному внутри проводников или изоляторов, и природа этих материалов могла влиять на то, как заряды движутся внутри них, но законы, константы и результаты измерений оставались согласованными независимо от установки.

Теория относительности

Однако всё начало меняться с открытием сокращения длины и замедления времени, что в конечном итоге привело к революционной теории относительности Эйнштейна. Если вы выстрелите снарядом из состояния покоя здесь, на Земле, все стоящие вокруг смогут измерить, как быстро он летит, и получат одну и ту же скорость; различия будут только в направлении движения снаряда: кто-то «позади» снаряда увидит, что он удаляется, а кто-то «впереди» увидит, что он приближается.

Если снаряд находится на движущейся платформе и/или если наблюдатели находятся на движущейся платформе, они могут измерить разные скорости относительно друг друга, а также разные направления. Однако, если бы вы знали, как быстро движутся различные платформы, каждый наблюдатель мог бы легко реконструировать то, что увидел бы любой другой наблюдатель.

Но что, если вместо обычного снаряда, вроде пушечного ядра, это была бы частица, движущаяся со скоростью, близкой к скорости света? Более того, что если бы это был сам свет? Внезапно эти старые законы перестали работать. Ибо каждый, кто наблюдает свет, всегда видит, что он движется с абсолютно одинаковой скоростью: 299 792 458 м/с.

Внезапно такие понятия, как пространство и время, перестали быть объективными частями реальности, а стали существовать лишь относительно наблюдателя. В мысленном эксперименте выше два наблюдателя измеряют, сколько времени требуется свету, чтобы пройти от пола к зеркалу на потолке и снова вернуться к полу. Такой прибор — известный как световые часы — должен давать одинаковый результат для любого наблюдателя, будь он в покое или в движении.

Но наблюдателю, находящемуся в покое, движущиеся световые часы покажутся идущими медленнее, и на самом деле время будет течь медленнее для человека в движении относительно него. Точно так же для наблюдателя в движении его собственные световые часы будут идти с нормальной скоростью, но световые часы, находящиеся в покое (которые будут казаться движущимися относительно него), будут идти медленнее, и время будет казаться текущим медленнее для всех, кто не движется вместе с наблюдателем и его часами.

Аналогично, расстояние между двумя объектами — мера длины — может быть определено только относительно наблюдателя. И такие понятия, как «одновременность», снова могут быть определены только для двух наблюдателей, находящихся в покое в одном и том же месте. Фактически, если бы мы могли измерять «время» достаточно точно, наблюдатели в разных местах или движущиеся с разными скоростями или в разных направлениях получили бы разные результаты даже для простого примера: «Когда этот снаряд упал на землю?»

Как выяснилось, не только изменения положения или движения могут влиять на такие вопросы, как «Насколько удален этот объект?», «Как долго длилось это явление?» или «Какое событие произошло первым?». Кроме того, изменения кривизны самого пространства-времени — то есть эффекты гравитации — могут повлиять на ответ. Время не просто замедляется, когда вы движетесь со скоростью, близкой к скорости света, оно также замедляется, когда вы находитесь в более сильном гравитационном поле. Присутствие и распределение материи и энергии влияют на то, как мы воспринимаем пространство и время; именно поэтому свет искривляется, проходя слишком близко к массивным объектам, и поэтому время замедляется при приближении к горизонту событий черной дыры.

Фактически, некоторые очень странные и неинтуитивные наблюдения могут возникать как следствие того факта, что объективной меры «пространства» или «времени» не существует. Если в далекой галактике взрывается сверхновая, вы можете ожидать, что свет достигнет ваших глаз в один конкретный, заранее определенный момент времени. Но если между вами и этой сверхновой находится большая масса, она может фактически исказить промежуточное пространство, создавая множественные изображения одной и той же галактики и сверхновой, причем свет от сверхновой будет приходить в разное, неодновременное время для каждого изображения, где она появляется. Пространство и время могут быть реальными, но они не являются объективно реальными; они реальны только относительно каждого отдельного наблюдателя или измерителя.

Квантовая физика

В квантовом мире всё становится еще более контринтуитивным, так как исход эксперимента или наблюдения зависит от вашего метода проведения этого наблюдения или измерения, а также от того, проводите ли вы его вообще.

Рассмотрим, например, знаменитый эксперимент с двумя щелями. Если вы попытаетесь бросить большое количество мелких предметов через барьер с двумя прорезанными в нем щелями, вы ожидаете увидеть, что эти предметы соберутся у стены позади барьера в две кучи: одну, соответствующую левой щели, и другую, соответствующую правой. Именно это и происходит в макроскопическом мире, используете ли вы мячи, камешки или живые организмы.

Но если вы используете квантовую частицу, такую как электроны или фотоны, вы не получите две кучи. Вместо этого вы получите то, что похоже на волновую интерференционную картину: чередующиеся равноудаленные полосы, куда частицы прилетают преимущественно, и зоны, куда им попадать «запрещено». Самый большой «пик» собранных частиц находится в средней точке между двумя щелями, с чередующимися пиками (уменьшающимися по величине) и впадинами (которые всегда доходят до нуля) по мере удаления от этого центрального пика.

Вам может прийти в голову посылать частицы по одной за раз, а не все сразу. Когда вы это сделаете, возникнут те же результаты: макроскопические объекты образуют две кучи, но квантовые частицы попадают только в «пики» интерференционной картины. Когда будет подсчитано достаточное количество частиц, проявится полная картина.

После этого вам может прийти в голову попытаться измерить, через какую именно щель проходит каждая частица на пути к задней стене. Возможно, вы удивитесь, но теперь оба эксперимента — и макроскопический, и квантовый — приведут только к двум кучам. Акт наблюдения того, «через какую щель прошла каждая частица», разрушает квантовое поведение. Каким-то образом проведение измерения, означающее создание достаточно энергичного взаимодействия между квантовой частицей, над которой вы экспериментируете, и другой квантовой системой, изменяет поведение квантовой системы.

Мы видим, как этот феномен проявляется в квантовой механике самыми разными способами. Пропустите вращающуюся квантовую частицу через вертикально ориентированный магнит, и частица отклонится либо вверх, либо вниз, раскрывая свой спин. Поставьте другой вертикально ориентированный магнит дальше по ходу движения, и частицы, которые отклонились вверх, снова отклонятся вверх, а те, что отклонились вниз, снова отклонятся вниз. Но как вы думаете, что произойдет, если вы поместите горизонтально ориентированный магнит между двумя вертикальными?

Ответ двоякий:

Горизонтальный магнит расщепляет пучок частиц надвое: один набор частиц отклоняется влево, а другой — вправо.
Но теперь, независимо от того, какой набор частиц вы решите пропустить через следующий вертикальный магнит, они снова расщепятся на траектории вверх и вниз.

Другими словами, выполнение «горизонтального» измерения (или наблюдения) уничтожает «вертикальную» информацию об ориентации спина этих частиц.

Означает ли это, что такой вещи, как объективная реальность, не существует? Не обязательно; может существовать базовая реальность, которая есть независимо от того, измеряем мы её или нет, а наши измерения и наблюдения — это лишь грубый, недостаточный способ раскрыть полный, истинный характер того, чем на самом деле является наша объективная реальность. Многие верят, что однажды будет доказано, что так оно и есть, но пока что — и за это достижение только что была присуждена Нобелевская премия по физике 2022 года — мы можем наложить очень значимые ограничения на то, какой именно тип «реальности» существует независимо от наших наблюдений и измерений. Насколько мы можем судить, реальные результаты, возникающие во Вселенной, не могут быть отделены от того, кто их измеряет и как.

Вопреки расхожему мнению, задача науки не в том, чтобы объяснять Вселенную, в которой мы живем. Цель науки — точно описывать Вселенную, в которой мы живем, и в этом она добилась поразительных успехов. Но вопросы, которые большинство из нас задает с наибольшим азартом — и делаем мы это по умолчанию, без подсказки, — часто связаны с выяснением того, почему происходят определенные явления. Мы любим понятия причины и следствия: что-то происходит, а затем, как следствие этого первого события, из-за него происходит что-то еще. Это верно во многих случаях, но квантовая Вселенная может нарушать причинно-следственные связи самыми разными способами.

Один из таких вопросов, на который мы не можем ответить, — существует ли такая вещь, как объективная, независимая от наблюдателя реальность. Многие из нас предполагают, что она существует, и мы строим наши интерпретации квантовой физики таким образом, чтобы они допускали базовую, объективную реальность. Другие не делают этого предположения и строят столь же обоснованные интерпретации квантовой физики, которые не обязательно её подразумевают.

Всё, чем мы можем руководствоваться, к лучшему или к худшему, — это то, что мы можем наблюдать и измерять. Мы можем физически описать это успешно — как с объективной, независимой от наблюдателя реальностью, так и без неё. В данный момент времени каждому из нас предстоит решить, хотим ли мы добавлять философски привлекательное, но физически избыточное понятие о том, что «объективная реальность» имеет значение.

← Назад