Квантовая революция. Как самая совершенная научная теория управляет нашей жизнью - Адам Беккер

Альберт Эйнштейн, из письма Эрвину Шрёдингеру, 1935

1

Мера всех вещей

Две великие теории потрясли мир в первой четверти XX века. Они не оставили камня на камне от воздвигнутого за столетия здания физической науки и навсегда изменили наше понимание реальности. Одна из них, теория относительности, была, будто в научно-фантастической повести, создана в уединении одиноким гением, который, казалось, ушел из науки только для того, чтобы триумфально вернуться в нее, осветив мир сиянием новой истины. Это был, конечно, Альберт Эйнштейн.

История рождения второй – теории квантов – более сложная. Эта теория возникла в результате коллективных усилий десятков физиков, работавших над ней около тридцати лет. Эйнштейн входил в их число, но не он был лидером. Самым авторитетным в этой неорганизованной и строптивой банде революционеров оказался великий датчанин Нильс Бор. Его Институт теоретической физики в Копенгагене лет на пятьдесят стал Меккой квантовых теоретиков: почти каждый из тех, кто сделал себе имя работами в этой зарождающейся области, в какой-то момент оказывался здесь, чтобы продолжить исследования или чему-то научиться. Тут физики сделали выдающиеся открытия почти во всех областях своей науки: они не только разработали основы теории квантов, но и объяснили внутреннюю логику периодической таблицы химических элементов и воспользовались энергией радиоактивности, чтобы выявить механизмы работы живых клеток. Именно Бор и группа его самых талантливых учеников и сотрудников – Вернер Гейзенберг, Вольфганг Паули, Макс Борн, Паскаль Йордан и другие – разработали и отстаивали копенгагенскую интерпретацию – комплекс идей, который быстро стал стандартным подходом в толковании смысла математического аппарата квантовой физики. Что квантовая теория сообщает нам о мире? Если следовать копенгагенской интерпретации, ответ на этот вопрос звучит очень просто: квантовая физика не сообщает нам о мире ничего.

Копенгагенская интерпретация утверждает: квантовая физика – это не описание мира квантов, населенного атомами и субатомными частицами. Это всего лишь инструмент для вычисления вероятностей различных исходов экспериментов. Если следовать Бору, картины квантового мира не существует потому, что «не существует никакого квантового мира. Есть лишь абстрактное квантово-теоретическое описание»[10]. Это описание не позволяет нам делать ничего, кроме предсказаний вероятностей квантовых событий – ведь квантовые объекты не существуют в том смысле, в каком существует повседневный окружающий мир. Гейзенберг сказал: «Идея объективного реального мира, мельчайшие части которого объективно существуют в том же самом смысле, в котором существуют камни или деревья, независимо от того, наблюдаем мы их или нет, – эта идея невозможна»[11]. Но результаты наших экспериментов вполне реальны – мы создаем эти результаты в процессе их измерения. Занимаясь измерениями положения электрона, Йордан заметил, что «электрон вынужден принять решение. Мы принуждаем его занять определенное положение, в то время как раньше он был, вообще говоря, ни здесь, ни там. <…> Результаты наших измерений создаем мы сами»[12].

Альберту Эйнштейну такие утверждения казались смехотворными. «Эта теория немного напоминает мне систему бредовых представлений какого-то высокообразованного параноика»[13], – писал он другу. Несмотря на то что он сам сыграл важнейшую роль в развитии квантовой физики, копенгагенскую интерпретацию Эйнштейн принять не мог. Он называл ее «философией умиротворения, чем-то вроде религии», которая подкладывает «мягкую подушечку всякому истинно верующему в нее, [но которая] на меня ни черта не действует»[14]. Эйнштейн настаивал на такой интерпретации квантовой физики, которая давала бы связное описание мира, позволяла бы получать ответы на вопросы даже в том случае, когда никаких измерений не производится. Его раздражало, что копенгагенская интерпретация не отвечает на такие вопросы, за что он и назвал связанный с ней образ мышления «эпистемологической оргией»[15].

Но призывы Эйнштейна к созданию более полной теории оставались без ответа, отчасти из-за построенного Джоном фон Нейманом доказательства невозможности такой теории. В те годы фон Нейман был, возможно, величайшим из живущих математических гениев[16]. Восьми лет от роду он самостоятельно изучил высшую математику, в девятнадцать опубликовал свой первый математический труд, а в двадцать два получил докторскую степень. Он сыграл решающую роль в создании атомной бомбы и был одним из отцов компьютерной науки. Он бегло говорил на семи языках. Его коллеги по Принстонскому университету полушутя говорили, что фон Нейман может доказать все что угодно и все его доказательства окажутся верными[17].

Доказательство единственности копенгагенской интерпретации фон Нейман опубликовал в написанном им в 1932 году учебнике квантовой физики. Знал ли Эйнштейн о существовании этого доказательства, неизвестно[18], но многие другие физики, конечно, знали. Для них самого факта существования доказательства, построенного знаменитым фон Нейманом, было достаточно, чтобы считать вопрос исчерпанным. Философ Пауль Фейерабенд воочию убедился в таких настроениях ученых, когда посетил прочитанную Бором публичную лекцию: «После лекции Бор сразу же ушел, и дискуссия продолжалась без него. Некоторые выступавшие критиковали его аргументацию, в которой, по-видимому, было много нестыковок. Но сторонники Бора не отвечали на критику по существу: стоило им упомянуть предложенное фон Нейманом доказательство, как споры, будто по мановению волшебной палочки, прекращались. Имя фон Неймана и слово “доказательство” сразу же заставляли замолчать тех, кто пробовал возражать»[19].

Нашелся все же по крайней мере один человек, заметивший недостаток в доказательстве фон Неймана вскоре после его публикации. Грета Герман, немецкий математик и философ, напечатала в 1935 году статью с критикой доказательства. Герман указывала, что фон Нейману не удалось обосновать одно из своих главных положений, а значит, и все доказательство рушится[20]. Но ее никто не слушал – отчасти потому, что в сообществе физиков она была чужаком, отчасти потому, что она женщина[21].

Несмотря на найденную в доказательстве фон Неймана ошибку, копенгагенская интерпретация сохраняла свое господствующее положение в физике. Эйнштейна считали неадекватным стариком «не от мира сего». Усомниться в справедливости копенгагенской интерпретации стало равносильно тому, чтобы поставить под вопрос грандиозные успехи всей квантовой физики. На протяжении последовавших двадцати лет квантовая физика продолжала одерживать одну победу за другой, и никто не вспоминал о червоточине, таящейся в самой ее сердцевине[22].

* * *

Но почему квантовая физика вообще нуждается в интерпретации? Почему она просто не рассказывает нам, что представляет собой окружающий мир? Почему между Эйнштейном и Бором возник спор? Конечно же, ни Эйнштейн, ни Бор не сомневались, что квантовая физика работает. Но если они оба разделяли ее теорию, откуда могли у них взяться разногласия по поводу содержания этой теории?

Интерпретация нужна квантовой физике потому, что остается не вполне ясным, что именно эта теория говорит нам об устройстве мира. Используемый квантовой физикой математический аппарат непривычен и замысловат. Связь между этой математикой и миром,