На лужайке Эйнштейна. Что такое НИЧТО, и где начинается ВСЕ - Аманда Гефтер

«Ладно, – подумала я. – Это было то, о чем меня предупреждали: запах вскипающих мозгов. Он действительно знает, когда за ним следят?»

Нет, конечно: фотон не знает ничего. Но как вы объясните то, что происходит? Действительно ли фотон может находиться в двух местах одновременно, когда никто на него не смотрит, и в одном, если кто-то следит за ним? Что значит – наблюдать за фотоном? И почему наши наблюдения так влияют на исход эксперимента?

«Эксперимент с двойной щелью, в сухом остатке, – записала я в своем блокноте. – Почему распределения вероятностей одиночных фотонов дают интерференционную картину, как если бы фотон проходил оба пути одновременно? И почему интерференционная картина исчезает при попытке измерить, какой из двух путей выбирает фотон?»

Различные физики видели эту ситуацию по-разному. Фейнман, например, говорил, что когда мы не наблюдаем за частицами, они действительно проходят по двум траекториям одновременно. Бор, в свою очередь, утверждал, что если мы не производим наблюдение, у нас нет права говорить что-либо о частице. До тех пор, пока мы не проводим измерение, говорил Бор, у частицы нет определенного положения в пространстве. До тех пор, пока мы ее не измерили, она даже не частица. Она еще не стала чем-то вообще. Но если частицы не становятся чем-то до тех пор, пока их не измерят, что именно интерферирует, образуя интерференционный узор? Полосы нереализованных альтернатив? Нагромождение событий, которые могли бы случиться, да никогда в полной мере и не произошли?

Нет сомнений, что-то случается в тот момент, когда мы выполняем измерения: стоит выяснить, какой путь выбирает фотон, и интерференционная картина исчезает. Но квантовая теория сама по себе не описывает ничего подобного. Она не говорит ни слова об измерениях вообще. Согласно теории, все описывается с помощью волновых функций: фотон, щели, детекторы, фотографические пластинки и даже физик, проводящий эксперимент. Согласно теории, когда фотон проходит через детектор, его волновая функция накладывается на волновую функцию детектора. Система «фотон плюс детектор» описывается новой комбинированной волновой функцией, описывающей одновременно два состояния – «да, фотон прошел через эту щель» и «нет, фотон не проходил через эту щель». Согласно теории, когда физик проверяет показания детектора, его волновая функция накладывается на комбинированную волновую функцию фотона плюс детектор, образуя нагромождение вероятностей событий: «физик видит, что детектор А зарегистрировал фотон» и «физик видит, что детектор А не зарегистрировал фотон».

Вселенная, согласно квантовой теории, – это просто нагромождение суперпозиций. Иногда мы наблюдаем это в странном чередовании полос. Но мне никогда не приходилось оказываться и на Манхэттене и в Бруклине одновременно или повесить одно пальто сразу на несколько вешалок. Если мир действительно такой квантовый, где все эти одновременно живые и мертвые кошки?

Физики назвали это проблемой измерения: в волновой функции закодировано множество возможных состояний, но лишь одно из них дано нам в измерении. Что происходит в процессе измерения, из-за чего распределение вероятностей, описываемое волновой функцией, сводится к одному конкретному исходу? Как из множества разрешенных волновой функцией состояний выбирается одно? Действительно ли выбор происходит случайно и беспричинно? Действительно ли мир на своем самом фундаментальном уровне случаен? Эйнштейн не верил в случайность, но Вселенную, похоже, этот факт не волнует.

Бор утверждал, что квантовые явления, например частицы, обретают реальные свойства только после того, как происходит их измерение; нет смысла даже спрашивать, в каком состоянии они находились до этого. Нет никакого таинственного коллапса волновой функции, говорил он, потому что нечему коллапсировать. Бор не верил, что наблюдатели магическим образом оказывают влияние на результаты экспериментов или создают реальность в результате работы мысли – любой результат измерения объективен независимо от измерительного устройства, будь то детектор или фотопластинка или человеческий глаз.

Нельзя сказать, что он не понимал, насколько серьезной была эта проблема, требуя, как он писал, «радикального пересмотра наших взглядов на проблему физической реальности»[9]. Но в каком-то смысле тот факт, что свойства определялись относительно наблюдателя, не сильно отличался от постулатов теории относительности Эйнштейна, – это Бор с радостью отметил, когда Эйнштейн настаивал на том, что квантовая теория не могла быть полным описанием реальности. «Мне нравится думать, что Луна существует, даже если я не смотрю на нее», – говорил Эйнштейн. В ответ на это Бор писал, что «пересмотр наших взглядов на физическую реальность», которого требует квантовая теория, «может быть поставлен в параллель с тем фундаментальным изменением всех представлений об абсолютном характере физических явлений, который был вызван общей теорией относительности»[10]. Другими словами, квантовая теория, конечно, изнасиловала реальность, но это вы первые начали.

На деле в квантовой теории было что-то гораздо более странное, чем в теории относительности. По крайней мере, в теории относительности существует некая фундаментальная реальность – единое четырехмерное пространство-время, которое просто по-разному выглядит в разных системах отсчета, связанных с наблюдателями, и теория Эйнштейна любезно предлагает инструменты, такие как преобразования Лоренца или диффеоморфные преобразования для перехода между различными системами. Но что является фундаментальной реальностью в квантовой теории? В этой теории как будто не существует реальности вовсе, пока кто-то не сделал измерения.

Конечно, если бы это было так, то не существовало бы наблюдателей, чтобы провести измерения. Наблюдатель сам должен обитать в реальном мире. В этом состояла основная проблема с интерпретацией Бора. Если измерения определяют реальность, то измерительный прибор должен находиться вне реальности, что даже в сумасшедшем квантово-механическом мире выглядит абсолютно невозможным. Кроме того, любой измерительный прибор, включая самого человека, в конечном счете состоит из субатомных частиц, и проведение какой-либо онтологической грани между ними просто вызывает приступ шизофрении.

Утверждение, что частица не имеет никаких «реальных» свойств до тех пор, пока кто-то не измерит их, выглядит особенно странно, когда понимаешь, что некоторые свойства не могут быть измерены одновременно. Это означает, что определенные свойства не могут существовать одновременно. Например, положение в пространстве и импульс частицы. Не существует никакого мыслимого способа измерить одновременно и положение частицы в пространстве, и ее импульс с идеальной точностью. Если вы хотите точно измерить положение частицы, то вам необходимо жестко зафиксированное измерительное устройство, которое не будет двигаться, когда частица столкнется с ним, в противном случае его движение исказит результат измерения. Но если вы хотите точно измерить импульс частицы, то для этого лучше выбирать измерительное устройство, способное легко двигаться при попадании в него частицы, так что его откат регистрирует импульс, переданный частицей.