Первый намек на квантовую теорию появился в 1900 году, когда Макс Планк понял, что досадный парадокс в поведении электромагнитной энергии (технически форма спектра излучения абсолютно черного тела) может быть успешно разрешен опытным путем, если предположить, что излучение испускается или поглощается импульсами, которые он назвал «квантами». В 1905 году Альберт Эйнштейн показал, что то, каким образом луч света выбивает электроны из металла (фотоэлектрический эффект), позволяет предположить, что эти кванты остаются стабильными после испускания (они скорее напоминают пули, выпущенные из ружья, чем капли из крана, которые потом сливаются в общую массу жидкости). Величайшая революция в физике со времен Ньютона была уже близка. Она завершилась в 1925 году блистательными и не зависимо друг от друга предложенными формулировками квантовой теории Вернера Гейзенберга и Эрвина Шредингера. Позднее важность их научного открытия была разъяснена Максом Борном и Полем Дираком под руководством Нильса Бора, бывшего тогда отцом–основателем этого направления физики.

Когда пыль улеглась, стали очевидными две вещи: на одном уровне существует абсолютно ясное формальное различие между классической физикой Ньютона и квантовой физикой Хайзенберга и Шредингера, на более же глубоком уровне интерпретация новой теории слишком туманна, какой и остается по сей день.

Принцип наложения/совмещения (суперпозиции)

На формальном уровне различие коренится в основном принципе квантовой теории, который Дирак назвал «принципом суперпозиции», или «принципом наложения». Он предполагает возможность совмещения состояний вещества, которые в классической физике никак не могут быть совмещены. Это положение можно проиллюстрировать важнейшим для квантовой теории экспериментом, получившим название «опыт двух отверстий». Как показано на рисунке, электроны (или любые другие квантовые частицы) испускаются источником S и сталкиваются с экраном, имеющим два отверстия: А и В. За первым экраном имеется второй, детекторный, экран D, на котором регистрируется столкновение с ним электронов. Для ясности предположим, что D — фотографическая пластинка, на которой каждый электрон оставляет след. Частота, с которой электроны испускаются источником S, подобрана таким образом, что электроны ударяются об экран D строго по одному, причем с достаточным интервалом. Если все действительно происходит так, то можно наблюдать, что метки, оставляемые электронами, накапливаются постепенно, одна за другой. Это означает, что электроны в данном случае ведут себя, как отдельные частицы. Однако когда меток становится достаточно много, они образуют некую «кривую распределения», которая характеризуется различной интенсивностью в разных своих частях. Она схематично изображена на рисунке. Эта «кривая распределения», интерференционная картина, как она называется в науке, имеет все характеристики волны. Это видно из того факта, что на некоторых участках D волна от А и волна от В будут «идти в ногу» (пик совпадает с пиком), давая увеличение пика, а на некоторых участках они будут «идти не в ногу» (пик совпадет со впадиной), давая понижение пика. Таким образом, данный эксперимент иллюстрирует знаменитый квантовый парадокс: один и тот же объект может обладать одновременно свойствами частицы и свойствами волны. А поскольку мы знаем, что частица есть нечто, сходное с пулей, а волна — нечто гибкое, колеблющееся и распространяющееся в пространстве, такое поведение совершенно необъяснимо в терминах классической механики.

Тот, кто задаст вопрос: «А через какое именно отверстие влетел электрон?», попадет «в яблочко». Действительно, если некий электрон влетел через отверстие А, то отверстие В для нас в данном случае не важно, и оно могло бы быть и закрытым. Но тогда электрон должен был бы попасть в D где–то в районе А1, тогда как на самом деле он ударяется об экран D где–то в районеО.Таким образом, получается, что он не мог влететь через А. Но по той же логике он не мог влететь и через В. Единственное логичное решение этой дилеммы — предположить, что один и тот же неделимый электрон умудрился влететь одновременно через А и В! Другими словами, состояние его движения равно сумме «влет через А + влет через В». В терминах классической механики — это полная бессмыслица, но в терминах квантовой механики — это как раз то, что позволяет «принцип наложения». Вот тут мы и встретились на опыте с необъяснимой, с точки зрения повседневности, загадкой квантового мира.

Как ни странно, это физики более или менее понимают. Сложности начинаются, когда мы пытаемся проникнуть дальше в суть дела и ввести в эксперимент специальную аппаратуру, контролирующую, через какое же все–таки отверстие влетает тот или иной электрон. И тогда происходят следующие странные вещи. Во–первых, больше не удается зарегистрировать интерференционную картину на экране D. Во–вторых, электроны влетают либо через отверстие А, либо через отверстие В, причем, это происходит случайно и с абсолютно одинаковой степенью вероятности — 50/50.

Эффект, производимый введением в вышеописанный эксперимент специальной детекторной аппаратуры, заставляет нас задуматься о роли, которую измерение вообще играет в квантовой механике. Вместо того чтобы получить от точнейшего измерительного прибора какой–то определенный численный результат, мы просто получаем вероятность, причем абсолютно одинаковую (50% вероятности А, 50% вероятности В). Это привело большинство физиков к уверенности, что квантовая теория не поддается обсчету, и мы только можем экспериментально показать, что квантовые частицы обладают такими–то и такими–то свойствами, заявленными в том или ином эксперименте. Поставив перед собой конкретную задачу, мы получаем конкретный ответ (проход электрона через отверстие А или отверстие В). Нерешенной в квантовой физике остается теоретическая проблема, а именно как возможно то, что каждый раз, когда мы ставим конкретный эксперимент, мы получаем конкретный экспериментальный результат, хотя сама квантовая теория может только подсчитать вероятности того или иного результата. Эту загадку называли «проблемой измерения». Иногда ее также называют «свертыванием волны». Если электрон влетает через А, тогда только A–часть этой волны в данный момент присутствует, и наложение (суперпозиция) сводится к одному элементу. Иначе говоря, В–часть волны в это время «свертывается». Именно эта дискретность приводит к исчезновению интерференционной картины с центром в С1, оставляя только незначительный разброс в районе А1.

Измерение

Никакого удовлетворительного решения, с которым все могли бы единодушно согласиться, проблема измерения так до сих пор и не имеет. Ниже мы описываем принципиальные подходы к ее решению, которые были предложены учеными.

Оригинальное решение предложил Нильс Бор. Оно обычно называется «копенгагенской интерпретацией». Измерение есть вторжение повседневности (то есть принципов классической физики) в квантовый мир. Однако благодаря этому мы имеем ясные экспериментальные данные о свойствах квантовой системы, полученные с помощью классических измерительных приборов. В двух словах, Бор просто предлагает принять за аксиому то, что измерительная способность — онтологическое свойство классической измерительной аппаратуры. Есть квантовые частицы, и есть измерительные приборы. Сложите вместе две эти реальности — и вы получите ясный экспериментальный результат.

Сложность состоит в том, что мы получаем здесь своеобразную дуалистическую картину физического мира (квантовые частицы/измерительная аппаратура), чего на самом деле в природе не существует. Сама измерительная аппаратура, как и все остальные физические объекты мира, тоже состоит из квантовых частиц. В природе не существует двух разновидностей физического мира, существует только один. На самом деле, в интерпретации нуждается другой феномен: каким образом получается, что крупные комплексные системы макромира (измерительные приборы), состоящие из не поддающихся измерению частиц, могут сами обладать измерительными свойствами? Впрочем, существуют некоторые особенности поведения этих систем, дающие исследователям надежду, что эта загадка может быть разрешена. Например, мы можем сказать, что эти системы необратимы во времени (см.: глава 2 раздел «Время», подразделОбратимость).Другими словами, у них есть «до» и «после», что роднит их с феноменом измерения («после» мы знаем то, чего мы не знали «до»). И все же четко сформулированной современной версии «копенгагенской интерпретации» не существует.

Здесь следует сказать следующее. Каждый эксперимент, в котором мы получаем результат, связан с мыслящим человеческим сознанием. Может быть, именно сознание, та загадочная связка, существующая между материей и разумом, и играет роль определяющего начала? Такой подход есть реальная попытка связать одну тайну (феномен измерения) с другой (феномен сознания). Однако здесь тоже возникает масса проблем. Разве любой процесс на квантовом уровне не имел никогда результата до того, как через миллионы лет после начала космической истории человеческий разум не научился регистрировать такие результаты? Если представить, например, что компьютер, подсоединенный к измерительному прибору, выдал распечатку экспериментальных результатов и эта распечатка была положена в ящик, разве на бумаге не существует результатов до того момента, пока, возможно, месяцы спустя, на эту бумагу кто–то случайно не взглянет? И чей же разум будет определять результат в этом случае? Этот пример можно проиллюстрировать душераздирающей притчей о кошке Шредингера. Несчастное животное заперто в ящике, в котором имеется источник радиоактивности, у которого есть 50% вероятности начала распада в течение следующего часа. Если это произойдет, то распад инициирует испускание ядовитого газа, который моментально убьет кошку. Можем ли мы сказать, что в конце указанного срока, еще до того, как кто–нибудь заглянет в ящик, состояние кошки будет совмещением вероятностей «50% (живая) + 50% (мертвая)», или что ее сознание вызвало «свертывание волны»? Трудно поверить, что кошка настолько лишена сознания, чтобы не узнать о собственной смерти. Но если это так, то где мы можем остановиться в этих допущениях? Могут ли, допустим, черви делать то же самое?

Одно из самых причудливых объяснений проблемы измерения называется «интерпретацией множества миров». Определенные экспериментальные данные представляют собой одну случайно выбранную возможность из нескольких (А, а не Б). В самой формулировке квантовой теории (технически, уравнения Шредингера) нет ни намека на такую случайность. «Свертывание волны» происходит не из–за некого внутреннего свойства квантового мира, а каким–то образом привносится извне.

Здесь имеется в виду следующее. Некоторые физики считают, что все, что теоретически может случиться, случается на самом деле. С их точки зрения, кажущаяся реализация всего одной из возможностей происходит только из–за нашего несовершенного восприятия. По их мнению, в момент каждого квантового измерения происходит как бы разделение мира на несколько параллельных миров, и в каждом реализуется одна из возможностей. Таким образом, существует мир, где кошка Шредингера выживает, а существует мир, где она умирает. Мне может казаться, что я вижу живую кошку в ящике, но мой двойник в параллельном мире будет в тот же момент видеть ее мертвой. А поскольку такие измерения делаются постоянно, количество таких предполагаемых миров уже должно быть ошеломляющим. Эту точку зрения поддерживает небольшая группа физиков, которых называют квантовыми космологами. Они смело пытаются распространить квантовую теорию на законы существования всей вселенной, и в таком случае уже не остается места ни для больших измерительных приборов, ни для сознательных наблюдателей. Однако квантовая космология представляется весьма неправдоподобной. Если мы не понимаем, как микроскопический квантовый мир соотносится с макроскопическим миром нашей повседневности, то можно предположить, что его отношения с законами существования вселенной в целом и того сложнее.

И, наконец, есть еще одно объяснение, строящееся на том, что никакой проблемы, собственно, говоря, и нет. Существование квантовых частиц настолько объективно, что и Ньютон не мог бы пожелать лучшего. Видимые противоречия в квантовой теории можно объяснить тем фактом, что не все действующие силы квантового мира доступны нашему опыту. Эти не доступные нашему исследованию возможности называются «скрытыми переменными». Дэвид Бом был первым, кто выстроил стройную теорию, основанную на этом объяснении. Ее экспериментальные подтверждения полностью совпадают с опытными данными традиционной квантовой механики. Теория Бома охватывает как частицы (объективную физическую реальность), так и волну, которая заключает в себе информацию о среде и которая также направляет движение частиц, хотя зарегистрировать ее непосредственно не удается. Существование этого последнего объяснения показывает, что пресловутая неопределенность квантовой теории в общем–то не объективна, а зависит в основном от метафизического выбора того или иного ученого. Таким образом, возможно вполне определенное, хотя и не очень детальное ее описание. Однако большинство физиков все же склоняются на сторону Бора, а не на сторону Бома. Те, кто делает это на основе серьезных размышлений, а не просто повинуясь мнению большинства, чувствуют, что теория Бома, будучи полезной практически, слишком запутанна, чтобы быть убедительной. Этот выбор делается учеными не на эмпирических основаниях, но это не значит, что он безоснователен, потому что наука — это больше, чем чистый эмпиризм.

Величайший парадокс квантовой теории — то, что, несмотря на успешное ее применение уже в течение более чем семидесяти лет, такой фундаментальный аспект ее интерпретации, как природа измерения, остается неясным и продолжает быть предметом дискуссий.

Другие составляющие квантовой теории

Существует много других аспектов квантовой теории, относящихся скорее к метафизике, чем непосредственно к физике, но которые, тем не менее, заслуживают нашего внимания.

Принцип неопределенности.Гейзенберг показал, что существование квантов налагает определенные ограничения на то, насколько точно мы можем одновременно определять различные свойства квантовых объектов. Выражаясь простыми словами, если вы знаете, где находится в данный момент электрон (его положение в пространстве), то вы не знаете, что с ним происходит (количество его движения), и наоборот. Такие ограничения могут быть представлены в виде ясных и четких правил. Эти правила вытекают из того факта, что существование квантов устанавливает минимальный уровень количества энергии обмена при взаимодействии (она не может быть меньше, чем 1 энергия одного кванта), из чего следует, что существует несократимое количество неконтролируемой энтропии, появляющейся при вмешательстве в систему во время процедуры измерения.

В своей исходной форме принцип Гейзенберга был эпистемологическим (основанным на познавательной способности, то есть на том, что мы можем узнать, в данном случае — измерить). Однако очень скоро Гейзенберг и большинство его коллег сформулировали этот принцип уже как онтологический, то есть основанный не на том, что мы можем или не можем знать о квантовой реальности, а на гипотезе о ее принципиальной неопределенности. Гейзенберг считал, что квантовые объекты просто не обладают такими характеристиками, как точное положение в пространстве и точное количество движения, обладая только потенциальной возможностью реализации этих характеристик, что и происходит при выполнении процедуры измерения. Существование альтернативной объективной интерпретации Бома показывает, что взгляды Гейзенберга, будучи широко распространенными, не стали, однако, нормативными для квантовой физики, хотя и приняты большинством физиков как метафизическая позиция. Этот выбор соответствует реалистической стратегии поиска настолько выверенного баланса между эпистемологией (человеческим познанием) и онтологией (сущностными характеристиками реальности), насколько это возможно. Выражаясь словами Полкинхорна, «Эпистемология служит моделью для онтологии», то есть, выясняя, что мы можем и что мы не можем знать, мы получаем заслуживающий доверия ориентир на то, что существует в реальности.

Принцип дополнительности.Сформулируйте задачу исследования квантового объекта в терминах частиц — и вы получите ответ в тех же терминах, сформулируйте ее в терминах волны — и ответ тоже будет соответствующим. Бор указывал на то, что, как ни странно, это не создает никакого логического противоречия, поскольку противоречивые ответы, на самом деле, возникают только из–за того, что вопросы взаимоисключают друг друга. Иначе говоря, их просто нельзя задавать одновременно.(Техническое замечание.Позднее Дирак выстроил теорию квантового поля, которая обеспечивает это свойство квантовой реальности ясной математической моделью, так что физики теперь понимают природу дуализма «частица–волна». Оказалось, что она напрямую связана с принципом наложения, то есть то состояние квантовой реальности, которое мы называем «волна», составлено из неопределенного количества частиц (см.: глава 2, «Квантовая теория», подразделПринцип наложения/совмещения (суперпозиции).А поскольку мы знаем, что можно точно измерить либо положение частиц, либо количество их движения, но нельзя сделать и то и другое одновременно, значит возможно описывать квантовую систему либо в терминах «частицы», то есть положения отдельных частиц в пространстве, либо в терминах «волны», то есть количества движения этих частиц. Эти пары (волна/частица, положение/количество движения) представляют такое свойство квантовой теории, которое Бор назвал «дополнительностью». Этот принцип означает, что противоречащие друг другу описания, внутренне полные и самодостаточные сами по себе, могут быть сделаны для одного и того же явления.

Отсутствие локализации.В 30–х годах XX века Эйнштейн и его молодые коллеги Борис Подольский и Натан Розен привлекли внимание физиков к никем не отмеченному до того свойству квантовой теории, которое «противоречит интуитивному ожиданию» (вступает в противоречие с тем, что мы привыкли ожидать). Оно предполагает отсутствие локализации (то есть «единство–в–разделенности), что значит, что, если две квантовые частицы провзаимодействовали друг с другом, они сохраняют способность влиять друг на друга вне зависимости от того, насколько далеко они разошлись друг от друга после взаимодействия. Если даже частицаАосталась в лаборатории, а частицаБулетела куда–то заЛуну, измерение, связанное с А, будет немедленно воздействовать на состояниеБ.Необходимо понять, что этот эффект — каузальный, онтологический, а не просто эпистемологический.

В том, что наше знание о частицеБувеличивается с увеличением нашего знания о частице А, вне зависимости от того, как далеко друг от друга эти частицы находятся, еще нет ничего «противоречащего интуитивному ожиданию». Предположим, что в непрозрачной емкости лежат два шарика, и мы знаем, что один из них белый, а другой — черный. Вы берете один из них, сразу зажимая его в кулаке, так что ни вы, ни я не знаем, какого цвета ваш шарик. Я таким же образом беру оставшийся. Через некоторое время я разжимаю кулак и выясняю, что у меня черный шарик. Немедленным следствием этого знания будет абсолютно достоверное знание о том, какого цвета ваш шарик, хотя в этот момент вы, возможно, будете уже на расстоянии многих километров от меня. И в этом нет никакого парадокса и никакой загадки. Ведь у вас с самого начала был белый шарик, и все, что произошло, это то, что я об этом узнал, посмотрев, какого цвета шар у меня.

Эффект Эйнштейна–Подольского–Розена (или ЭПР–эффект, как он обычно называется) предполагает нечто гораздо более глубокое. Измерение различных свойств А предполагает различные последствие дляБ.Этими последствиями будут реальные изменения в состоянииБ,произошедшие вследствие измерений А. (Кто–то может подумать, что такие немедленные последствия будут противоречить теории относительности, но эта теория говорит только о невозможности распространения информации быстрее, чем скорость света, а рассматриваемый эффект не имеет отношения к распространению информации.) Сам Эйнштейн считал, что все это настолько невероятно, что должно говорить о неполноте квантовой теории. Однако Джону Беллу удалось сформулировать некоторые экспериментально доказуемые следствия ЭПР–эффекта (так называемые «неравенства Белла»), а в 1980–х годах А. Эспектом и его коллегами были проведены блистательные эксперименты, показавшие, что отсутствие локализации действительно свойственно природе.

Метафизические следствия

Открытие квантовой теории расширило поле нашего воображения в отношении природы физических процессов. А это в свою очередь повлияло на наше мышление в целом. Из открытия квантовой реальности можно сделать следующие выводы:

Физический мир полон неожиданностей.Тривиальное мышление, основанное на повседневном опыте, может служить нам руководством далеко не во всех случаях. Реальность обычно превосходит наши ожидания. Невозможно решить, что «здраво», а что нет, опираясь только на размышления и рассуждения. Для этого необходимо найти соответствующие опытные подтверждения. Так, никто не смог бы предположить дуалистичность природы квантового мира. Для обнаружения этого потребовалось непосредственное исследование физических явлений.

Реальность может не совпадать с наивно понимаемой «объективностью».Физики верят в реальность существования электронов, но они не считают, что электроны можно описывать в простых терминах повседневной объективности. Электроны обладают скорее потенциальной способностью занимать определенное положение в пространстве и иметь определенное количество движения, чем обладают этими характеристиками актуально. Долгая борьба Эйнштейна с общепринятой интерпретацией квантовой теории, несмотря на то, что он был, так сказать, дедушкой этой области физики, была мотивирована его страстной верой в реальность физического мира и его ошибочной уверенностью в том, что эта реальность предполагает классически понимаемую объективность абсолютно всех физических явлений. По мнению современных физиков, основной критерий реальности существования какого–то явления — не его прямо понимаемая объективность, а принципиальная возможность для его понимания, они верят в реальность существования электронов, поскольку с ее помощью можно объяснить множество опытно зарегистрированных физических явлений.

Невозможно установить универсальные критерии познаваемости —это следующий урок, извлеченный учеными из квантовой теории. Если квантовый мир вообще можно познать, то это возможно сделать только в пределах, устанавливаемых принципом неопределенности, и невозможно, опираясь на ясные критерии ньютоновской классической физики.

Холизм.Принцип «единства–в–разделенности», выражаемый ЭПР–эффектом, вступает в противоречие с любым положением наивного редукционизма, благодаря которому мы мыслим целое как простую и делимую сумму частей. К нашему удивлению, оказывается, что субатомный мир нельзя рассматривать атомистически. Впрочем, это положение нуждается в дальнейших исследованиях.

Предпочтение большинством физиков интерпретации Бора, а не Бома говорит о важностинеэмпирических критериев в выборе научной теории.

Есть еще несколько положений, которые, несмотря на расхожее мнение, на самом деле не следуют из квантовой теории, а именно:

Квантовая теория — настолько странная штука, что уж если ее признали верной, то теперь все, что угодно, можно считать возможным.Конечно, это не всегда утверждается насколько прямо, но это порождает стиль мышления, который можно было бы назвать «квантовой вседозволенностью». Например, моментально и совершенно неправомерно был сделан вывод, что с помощью ЭПР–эфффекта можно объяснить телепатию. (Мы уже говорили, что это явление не применимо к распространению информации, так что об этом и речи быть не может.) Далее, принцип дополнительности может каким–то образом использоваться богословием, чтобы по аналогии объяснить положение о дуалистической — одновременно божественной и человеческой — природе Христа, хотя это тоже совершенно неправомерно. Нельзя забывать, что принцип комплиментарности существует в квантовой физике в строго определенном виде, специфичном для квантовой теории, и не может быть бездумно применен в какой–то другой области.

Далее, безосновательна мысль о том,что квантовый мир совершенно неопределен по своей сути, что позволяет провести аналогию между ним и восточной концепциеймайа.Квантовая теория основана на положении о существовании двух определенных вещей: частиц и несколько менее определенного, но вполне реального явления, названного «волной». Одним из первых следствий квантовой теории было объяснение того, почему атомы сравнительно стабильны (для потери стабильности им нужен так называемый «квантовый скачок», тогда как в классической физике потеря стабильности может быть достигнута постепенным изменением). Квантовые процессы контролируются теми же законами сохранения (а именно энергии и количества движения, которые не могут просто так взять и исчезнуть), что и процессы в классической физике. Квантовая теория может быть названа туманной, но она имеет под собой почву. Кроме того, в ней есть структура, представленная принципами симметрии, на которых базируется любая современная теория элементарных частиц. Именно на основе этих принципов выработаны закономерности организации всех составляющих атомного ядра.

То, что можно сказать о влиянии наблюдателя на реальность, напрямую зависит от того, какому решению проблемы измерения будет отдано предпочтение. С одной стороны имеются интерпретация Бома и никак с ней не связанная «интерпретация множества миров», свободные от концепции влияния наблюдателя настолько же, насколько от нее свободна классическая физика, с другой стороны — «разумная» интерпретация, говорящая о важности роли наблюдателя, но сводящая эту роль к выбору одного из ограниченного количества принципиально возможных результатов. В целом, видимо, лучше всего будет сказать, что квантовая теория может послужить источником теории о существовании «реальности, испытывающей влияние наблюдателя». Но в любом случае следует воздержаться от разговоров о «реальности, создаваемой наблюдателем».