Джон Гриббин – В поисках кота Шредингера. Квантовая физика и реальность (страница 35)

Возможно, люди, так радостно использующие квантовые рецепты, чувствуют себя комфортно из-за хорошего знакомства с математическими уравнениями. Фейнман просто объясняет основной рецепт. В квантовой механике «событие» - это набор изначальных и финальных условий, ни больше ни меньше. Электрон вылетает из пушки с одной стороны аппарата и достигает конкретного детектора по другую сторону прорезей. Это событие. Вероятность события задается квадратом числа, которым по сути является волновая функция Шрёдингера у. Если существует более одного способа, в соответствии с которым может произойти событие (обе прорези открыты в процессе эксперимента), вероятность каждого из возможных событий (вероятность того, что электрон попадет на конкретный детектор) задается квадратом суммы всех у, при этом существует интерференция. Но когда мы устанавливаем наблюдение, чтобы выяснить, по какому из альтернативных путей на самом деле пошло развитие событий (проверить, через какую из прорезей прошел электрон), распределение вероятностей являет собой просто сумму квадратов всех у и условие интерференции пропадает - волновая функция редуцируется.

Физика невероятна, но математика проста и понятна, ее уравнения знакомы любому физику. Если не задаваться вопросом, что это означает, не возникает никаких проблем. Но стоит только спросить, почему мир устроен именно так, и даже Фейнману приходится ответить: «У нас нет ни малейшего понятия». Если настойчиво требовать физическую картину происходящего, окажется, что все физические картины обернутся миром призраков, в котором частицы только кажутся реальными, когда мы наблюдаем за ними и где даже свойства вроде импульса или положения обусловлены исключительно наблюдением. Едва ли можно удивляться тому, что многие уважаемые физики, включая Эйнштейна, десятилетиями пытались найти способ объяснить квантовую механику по-другому. Все их старания, которые будут кратко описаны в следующей главе, ни к чему не привели, причем каждый новый провал попытки развенчать Копенгагенскую интерпретацию только укреплял фундамент этой картины призрачного мира вероятностей, открывая дорогу от квантовой механики к новому представлению о холистической Вселенной. Основа этого нового представления лежит в полном математическом выражении комплементарности, но прежде чем мы сможем обратиться к следствиям, нужно разобраться еще кое с чем.

Законы дополнительности

Общая теория относительности и квантовая механика обычно считаются двумя триумфальными достижениями теоретической науки XX века, и сегодня Священным Граалем физиков стало истинное объединение этих концепций в одну великую теорию. Их усилия, как мы увидим, явно становятся прекрасными экскурсами в природу Вселенной. Но эти усилия, кажется, не обращают внимания на тот факт, что, строго говоря, две эти картины

мира могут быть несовместимы.

Еще в 1927 году, впервые представив миру то, что впоследствии стало известно под названием Копенгагенской интерпретации, Бор подчеркнул различия между описанием мира с позиции чистой взаимосвязи пространства-времени и абсолютной причинности и квантовой картиной, где наблюдатель взаимодействует с наблюдаемой системой и сам является ее частью. Координаты в пространстве-времени представляют собой положение, причинность нуждается в том, чтобы точно знать, куда движутся объекты, - по сути, знать их импульс. Классические теории полагают, что можно знать и то и другое одновременно, но квантовая механика показывает, что точность координат пространства-времени должна искупаться неопределенностью импульса, а следовательно, причинности. Общая теория относительности в этом смысле является классической теорией и не может быть признана равной квантовой механике в качестве фундаментального объяснения Вселенной. Если и когда мы сталкиваемся с конфликтом между ними, за лучшим описанием мира, в котором мы живем, необходимо обращаться именно к квантовой теории.

Но каков мир, в котором мы живем? Бор предположил, что сама идея уникального «мира» может быть ошибочной, и предложил другое объяснение эксперимента с двумя прорезями. Даже в этом простом эксперименте, само собой, существует множество путей, по которым электрон или фотон могут проследовать при движении через любую из двух прорезей. Но для простоты давайте представим, что существует только два варианта, что частица проходит либо через прорезь А, либо через прорезь В. Бор предположил, что мы можем думать, что каждая вероятность представляет собой разный мир. Наш мир - это гибрид двух возможных миров, соответствующих двум путям частицы, и каждый из этих миров интерферирует с другим. Когда мы решаем посмотреть, через какую из прорезей проходит частица, остается только один мир, поскольку другую возможность мы устраняем, и в этом случае интерференции не возникает. Бор получил из квантовых уравнений не просто электроны-призраки, а целые призрачные реальности, призрачные миры, которые существуют только тогда, когда мы не наблюдаем за ними. Представьте, что этот простой пример будет усложнен таким образом, чтобы вмещать в себя не только два мира, образованных экспериментом с двумя прорезями, а гигантский массив призрачных реальностей, соответствующих всему гигантскому числу путей, которыми может «пойти» по Вселенной любая квантовая система: каждой возможной волновой функции для каждой возможной частицы; каждому допустимому значению чисел q Дирака. Добавьте к этому тот удивительный факт, что электрон возле прорези А знает, открыта или закрыта прорезь В, и в принципе знает квантовое состояние целой Вселенной, - и станет понятно, почему Копенгагенскую интерпретацию так ожесточенно критиковали некоторые эксперты, понимавшие ее самые глубинные следствия, в то время как другие эксперты, хоть и будучи обеспокоенными из-за этих следствий, находили интерпретацию убедительной, а простые смертные, не заботясь о глубинных следствиях, с радостью продолжали использовать квантовые рецепты, редуцируя волновые функции и делая все необходимое, чтобы изменять мир, в котором мы живем.

Глава девятая Парадоксы и возможности

Все нападки на Копенгагенскую интерпретацию только усиливали ее позиции. Когда ученые калибра Эйнштейна пытаются найти уязвимости в теории, в то время как сторонники теории могут найти ответ на все аргументы атакующих, теория становится все сильнее. Копенгагенская интерпретация, несомненно, «верна», поскольку она работает, и любая другая трактовка квантовых законов должна включать в себя Копенгагенскую интерпретацию в качестве рабочего объяснения, которое позволяет экспериментаторам предсказывать результаты их опытов - хотя бы статистически, - а инженерам создавать рабочие лазерные системы, компьютеры и так далее. Нет смысла вдаваться в детали всей работы, которая привела в результате к опровержению всех контраргументов Копенгагенской интерпретации, - с этим уже прекрасно справились другие. Однако важнее всего, вероятно, заметить ремарку Гейзенберга, которую он сделал в 1958 году в своей книге «Физика и философия». Все контраргументы, как подчеркнул Гейзенберг, «вынуждают принести в жертву неотъемлемую симметрию квантовой теории (например, симметрию волн и частиц или положения и скорости). Таким образом, можно предположить, что нельзя избежать Копенгагенской интерпретации, если эти свойства симметрии... являются истинными свойствами природы, и все проведенные до настоящего времени эксперименты поддерживают такой взгляд на вещи» (с. 128).

Существует дополнение к Копенгагенской интерпретации (не отрицание и не контраргумент), которое по-прежнему включает в себя эту неотъемлемую симметрию, и эта лучшая картина квантового мира будет описана в одиннадцатой главе. Однако не стоит удивляться, что Гейзенберг не упомянул о нем в книге, опубликованной в 1958 году, ведь в то время разработка новой картины аспирантом из Соединенных Штатов Америки только началась. Впрочем, прежде чем перейти к ней, нужно проследить путь, который прошла комбинация теории с практикой, и описать эксперимент, в 1982 году доказавший бесспорную точность Копенгагенской интерпретации в качестве рабочей трактовки квантовой реальности. История начинается с Эйнштейна, а заканчивается в физической лаборатории Парижа более пятидесяти лет спустя, и это одна из величайших историй науки.

Часы в коробке

Великий спор Эйнштейна и Бора по поводу интерпретации квантовой теории начался в

году на пятом Сольвеевском конгрессе и продолжался до самой смерти Эйнштейна в 1955 году. Эйнштейн также переписывался на эту тему с Борном, и характер спора можно понять, прочитав «Корреспонденцию Борна и Эйнштейна». В основе спора лежала серия воображаемых проверок предсказаний Копенгагенской интерпретации - не настоящих опытов, проводимых в лаборатории, а «мысленных экспериментов». Суть игры была в том, что Эйнштейн придумывал такой эксперимент, в котором теоретически можно было бы измерить обе комплементарные величины одновременно: положение и массу частицы или ее точную энергию и точное время и так далее. Бор и Борн затем объясняли, почему эксперимент Эйнштейна невозможно провести таким образом, чтобы развенчать теорию. Чтобы понять процесс игры, нам хватит одного примера - эксперимента «с часами в коробке».