Квант. Путеводитель для запутавшихся - Джим Аль-Халили

них был уже знакомый вам Вернер Гейзенберг. Основным вкладом Гейзенберга в физику стала альтернативная волновому уравнению Шрёдингера формулировка квантовой механики, которую стали называть матричной механикой. Я не описывал этот подход, так как в нем задействована сложная математика, однако многие практикующие в сфере квантовой физики исследователи предпочитают именно его, считая его более элегантной и действенной техникой, чем подход Шрёдингера. Часты и случаи, когда требуется комбинация двух этих подходов.

В разработке копенгагенской интерпретации принимали участие и другие ученые, в частности Макс Борн, который первым предложил вероятностную интерпретацию волновой функции. Впоследствии ведущие физики, включая американца Джона Уилера, расширили и прояснили многие идеи Бора. Но в целом копенгагенскую интерпретацию следует считать детищем самого Бора.

Копенгагенское объяснение: так как мы не можем узнать, что происходит за квантовым занавесом, не влияя при этом на результаты, задаваться этим вопросом бесполезно – обсуждать нужно лишь наблюдаемое.

Примечательно, что физики и по сей день остаются высокого мнения о взглядах Бора, сформулированных на три четверти века раньше. Лучше всего это описал физик Роланд Омне (один из авторов идеи декогеренции)[39]:

«Обыкновенно физическая теория представляется в достаточно точном и последовательном виде, поэтому никому не кажется необходимым цитировать тех, кто стоял у ее истоков; их последователи скорее стараются поддерживать изначальный дух и посыл. Вопреки этому разумному обычаю, самые полные книги о копенгагенской интерпретации являются перепечатками оригинальных статей и последующих комментариев и с течением времени и вовсе превращаются в комментарии комментариев. В них много внимания уделяется бесконечному обсуждению сложностей, с которыми сталкивается интерпретация, причем зачастую на страницах приводятся аргументы, где философия науки становится важнее собственно физики».

Само собой, это ни в коей мере не должно принижать заслуги и гений Бора, однако при изложении собственных идей ему действительно недоставало ясности. Это привело к появлению множества интерпретаций его интерпретации… если вы понимаете, о чем я.

Впрочем, существует ряд общих идей, которые встречаются во всех многочисленных и порой противоречащих друг другу версиях копенгагенской интерпретации.

Прежде всего, она гласит, что мы не можем описать квантовую систему отдельно от измерительного аппарата. В отсутствие измерительного устройства спрашивать о состоянии системы бессмысленно, поскольку узнать что-либо о системе мы можем, только вынудив ее взаимодействовать с устройством, которое мы используем для наблюдения за нею.

Далее, наблюдатель играет важнейшую роль. Так как мы вольны выбирать, какое измерение провести (узнать положение или импульс частицы, направление поляризации фотона или спин электрона), нельзя сказать, что квантовая сущность вообще обладает этими определенными характеристиками, пока мы не установим за ней наблюдение. Она должна оставаться в суперпозиции, пока мы не решим, что хотим измерить. В этом отношении определенные свойства квантовой системы соотносятся с реальностью лишь непосредственно в момент измерения. До этого нельзя считать их даже существующими в классическом смысле, пока мы их не измерим. Реальны лишь результаты измерений!

Нужна ли теории интерпретация?

Представление о том, что научная теория вполне может иметь более одной интерпретации, при условии что их предсказания не различаются, вероятно, характерно лишь для квантовой механики. Сравнив эту ситуацию с другими выдающимися достижениями XX века, можно провести интересную параллель.

В 1905 году, всего через несколько месяцев после публикации статьи о фотоэлектрическом эффекте, за которую он впоследствии удостоился Нобелевской премии, Эйнштейн завершил свою самую знаменитую работу – специальную теорию относительности. Она гласила, что различные наблюдатели, движущиеся относительно друг друга, будут иметь разное представление о расстоянии и временных интервалах между двумя событиями. Так как никто не вправе претендовать на главенство собственной системы отсчета, представление об абсолютных длинах и временных интервалах пропадает. Это можно понять, только объединив идеи пространства и времени. Следовательно, два наблюдателя, движущихся на высокой скорости относительно друг друга, будут по-разному оценивать длину объекта. Это в некотором роде уравновешивается тем, что измеренное их часами время между двумя событиями тоже будет разным.

Измеренные двумя наблюдателями расстояния между двумя точками и временные интервалы связаны друг с другом посредством набора алгебраических формул, называемых преобразованиями Лоренца по имени голландца Хендрика Лоренца, который первым записал их за год до публикации работы Эйнштейна. Значительная часть подготовительной работы к теории относительности действительно была проведена еще до Эйнштейна, и в 1890-х годах Лоренц и ирландский физик Джордж Фицджеральд независимо друг от друга предложили ранние формы этих преобразований, чтобы объяснить известный эксперимент, который показал, что свет может проходить сквозь пустое пространство.

Проблема состояла в том, что уравнения Лоренца и Фицджеральда были абсолютно правильными и давали верный ответ, но по неверной причине. Ученые неправильно истолковали происходящее, предположив, что измеряющий скорость света прибор оказывался растянутым в длину из-за своего движения сквозь таинственный «эфир», заполняющий все пространство. Великое достижение Эйнштейна заключалось в том, что он предложил простой постулат, с помощью которого смог дать верную интерпретацию физики. Он показал, что для распространения свету вовсе не нужен носитель – как в случае с водой и водяными волнами. Все встало на места, когда он смело предположил, что пучок света не только может проходить сквозь пустое пространство, но и обладает одинаковой скоростью, независимо оттого, как быстро мы двигаемся относительно него в момент проведения измерений.

В эту идею трудно поверить, но она чрезвычайно важна. Последовавшие за ней предположения, в частности о единстве пространства и времени, позволили нам объяснить получаемые экспериментальные результаты.

Таким образом, сжатие Лоренца – Фицджеральда оказалось верным – рассчитанные ими величины сошлись с результатами наблюдений, однако не по той причине, по которой они полагали. Эйнштейн дал верную интерпретацию. Мы ясно видим, что хорошая интерпретация ценна тем, что она подводит нас ближе к истине. Без удовлетворительной интерпретации мы до сих пор бродили бы в темноте, как бы хорошо наша теория не соотносилась с экспериментальной практикой.

Никто не смог предложить единственную и полностью удовлетворительную интерпретацию квантовой механики. Но означает ли это, что такой «верной» интерпретации не существует вовсе?

Еще одна идея копенгагенской интерпретации заключается в том, что должно существовать четкое разделение между измеряемой (квантовой) системой и макроскопическим измерительным прибором (описываемым по законам ньютоновской, или классической, механики). Следовательно, хотя последний и состоит из атомов, нельзя считать, что он в равной степени подчиняется квантовым законам. Акт измерения приводит к резкому скачку в состоянии измеряемой системы, которая превращается из комбинации потенциальных параметров в итоговый результат. Идею «коллапса волновой функции», происходящего после измерения, впервые в 1929 году предложил Гейзенберг.

Неудивительно, что теория не поддается логическому пониманию, так как для