Остров знаний. Пределы досягаемости большой науки - Марсело Глейзер

Важно понимать, что волновая функция указывает амплитуду вероятности электрона на момент времени до начала измерений. После включения устройства, способного засечь электрон, и обнаружения электрона в точке х он продолжит в ней оставаться. Интерференция между устройством и частицей закрепит электрон на своем месте. Уравнение Шрёдингера указывает на вероятность того, что электрон будет где-то обнаружен, но как только это происходит, история заканчивается. Волновая функция коллапсирует в одной точке пространства (в пределах, обеспечиваемых точностью измерений). Каким-то непонятным образом обнаружение электрона устанавливает его местоположение. Волновая функция указывает на то, что его в принципе можно обнаружить в той или иной точке, но его фактическое местоположение неизвестно. Удивительно еще и то, что этот коллапс происходит мгновенно: как бы широко волновая функция ни была распространена в пространстве до начала измерений, в момент измерения она немедленно сжимается до области, окружающей точку нахождения электрона. Это противоречит понятию локальности, предусматривающему, что никакое физическое воздействие не может двигаться быстрее скорости света. Только факторы, у которых имелось достаточно времени для того, чтобы достичь объекта (то есть в узком смысле являющиеся локальными), могут влиять на его поведение. Как же волновая функция, «части» которой расположены на различных расстояниях друг от друга, может сколлапсировать целиком и одновременно?[126]

Возможно, для объяснения лучше будет воспользоваться аналогией. Представьте, что Нильс делает ремонт в доме Вернера в пригороде Манауса, столицы штата Амазонас в Бразилии (после войны Вернер решил не возвращаться в Германию, но не жить же ему из-за этого в джунглях). Дом Вернера стоит на отшибе, окруженный густой растительностью. Нильс вышел из него на минутку, оставив окно открытым. За это время в дом вполз огромный бушмейстер – самая опасная из всех ядовитых змей Бразилии – и уснул, вытянувшись на ступеньках большой лестницы. Заметив открытое окно, Вернер почуял неладное, на цыпочках вышел из дома, заглянул внутрь и увидел спокойно спящего внутри монстра 10 футов длиной. Тяжело дыша, Вернер уже потянулся было за палкой, как вдруг услышал голос вернувшегося Нильса: «Эй, дружище, что происходит?» – «Тссс! Ты что, умереть захотел? Смотри!» Услышав их разговор, змея проснулась и стремительно свернулась в кольцо вокруг одной из ступенек лестницы. Во время сна она не находилась ни на какой конкретной ступеньке, а затем, после взаимодействия с голосом Нильса, сколлапсировала до одной. И, судя по всему, была этим очень недовольна.[127]

Математическая часть квантовой механики описывает действия материи, не ссылаясь на нее напрямую. В уравнении учитываются силы, влияющие на электрон (или иную частицу или атом, который является предметом исследования), но не электрон сам по себе. Таким образом, в нем смешивается реальное (силы и энергия) и нереальное (волновая функция). Волновая функция содержит в себе всю статистическую информацию, которую мы можем получить из физической системы, но не представляет элементы такой системы. Если я брошу камень в пруд и составлю уравнение, описывающее распределение кругов по воде, такое уравнение, наоборот, будет представлять реальную волну. Между волной на поверхности воды и математической функцией будет иметься прямая корреляция, в то время как за волновой функцией в уравнении Шрёдингера не будет стоять реальная волна.

Необычная концептуальная структура уравнения Шрёдингера вызывает вопросы: какие именно объекты оно вообще описывает и где они находятся до измерения? В нашей аналогии бушмейстер растянут по всей поверхности лестницы, то есть одновременно присутствует везде. Но змея, даже будучи, в принципе, квантовым объектом, хорошо соответствует классической модели. Мы можем видеть ее до и после того, как она заметит нас. Кроме того, она не коллапсирует вокруг одной ступеньки мгновенно, а делает это в несколько последовательных этапов. Органы чувств воспринимают потенциальную добычу и запускают нервный импульс, который ведет к сокращению мышц и переводу всего организма в режим атаки. Реальны ли объекты квантового мира настолько же, насколько реальна змея? Возможно ли, что и я, и камень, и пруд состоим из несуществующих элементов? Вопрос реальности – это главный элемент нашего толкования квантовой механики.

Физики сражаются с этим вопросом с самых первых дней ее существования. Эйнштейн, Шрёдингер и научные реалисты полагали, что текущее описание было всего лишь временным вариантом, который вскоре должно было заменить более сложное объяснение. Обратите внимание, как противопоставляются эти два термина – «объяснение» и «описание». Научный реализм предполагает, что наука должна объяснять реальность, что реальные объекты существуют на всех уровнях и что объяснения (если таковые имеются) распространяются на все из них. Эйнштейна больше всего смущала в квантовой физике не ее вероятностная природа, а именно это отрицание реальности в науке. Однажды во время прогулки по Принстону он в шутку спросил друга: «А что, Луны тоже не существует, когда я на нее не смотрю?»

Если оставить в стороне чувство юмора Эйнштейна (впрочем, скоро мы к нему вернемся), объяснение реальности может оказаться слишком сложной задачей даже для науки, в особенности если мы придаем своим объяснениям статус окончательности (что, как я уже говорил, несовместимо с научным прогрессом). Эфир, флогистон, теплород и модель атома Бора – все это описания природных явлений, и неважно, верны они или нет. Во время их создания они играли важную роль мостов между старыми и новыми представлениями. Очевидно, что с точки зрения научного реализма за ними не стояло никакой научной реальности. Для науки с ее постоянно меняющейся точкой зрения гораздо лучше было бы считать наши модели и теории описаниями тех частей реальности, которые мы можем измерить и осмыслить. Когда дело доходит до физической реальности, мы можем говорить не об окончательных объяснениях, а лишь о более или менее эффективных описаниях.

В качестве примера философии научного реализма можно привести теорию скрытой переменной де Бройля – Бома (подробно разработанную Бомом во время работы с Эйнштейном в Принстоне, а затем – в Сан-Паулу, куда Бом уехал в 1952 году, опасаясь преследований маккартистов), которая отражает ранние идеи де Бройля. Бом добавил в квантовую теорию еще один уровень объяснений для описания позиции электрона с большей точностью. Этот уровень он назвал пилотной волновой функцией. Уравнение Шрёдингера оставалось без изменений, просто у него появлялся «предшественник». Как дирижер управляет игрой различных секций оркестра во время исполнения симфонии, так и пилотная волновая функция определяет, каким именно образом волновая функция принимает одно из возможных состояний. Пилотная волна находится одновременно во всех точках пространства, как вездесущее божество. Это свойство физики называют нелокальностью. Иными словами, в соответствии с механикой де Бройля – Бома частицы оставались частицами, а их коллективное движение было детерминировано нелокальным действием пилотной волны. Частицы представляются чем-то вроде группы серферов, покоряющих одну волну, которая и определяет их движение в ту или иную сторону.