Карло Ровелли – Гельголанд. Красивая и странная квантовая физика (страница 10)

Объекты характеризуются тем, как они взаимодействуют. Если бы существовал объект без взаимодействий, ни на что не влияющий, ни на что не воздействующий, не излучающий свет, не притягивающий, не отталкивающий, «неприкосновенный», ничем не пахнущий… то он все равно что не существовал бы вовсе. Невзаимодействующие объекты – это все равно что объекты, пусть и «существующие», но никак нас не касающиеся. Даже непонятно, что может означать «существование» подобных объектов. Мир, который мы познаем, который нас касается, который нас интересует, который мы называем реальностью, представляет собой огромную сеть взаимодействующих сущностей, которые проявляют себя друг для друга посредством взаимодействия, частью которой мы являемся. Именно эта сеть и есть предмет нашего обсуждения.

Одна из таких сущностей – это наблюдаемый Цейлингером в лаборатории фотон. А еще одной такой сущностью, так же как и фотон, и кот, и звезда, является сам Антон Цейлингер. Ты, читающий эти строки, – это еще одна сущность, также как и я, пишущий их зимним канадским утром, когда небо за окном моего кабинета еще темное, сидящий рядом с янтарного цвета мурлыкающей кошкой, которая свернулась клубком между мной и компьютером, на котором набираю этот текст, – мы все представляем собой сущности наравне с другими сущностями.

Если квантовая механика описывает то, как фотон проявляет себя для Цейлингера, и это две физические системы, то, следовательно, эта теория должна описывать также и способ проявления любого объекта для любого другого объекта. В сущности, происходящее между фотоном и наблюдающим его Цейлингером ничем не отличается от происходящего с любыми другими двумя взаимодействующими объектами, когда они, взаимодействуя между собой, проявляют себя друг для друга.

Очевидно, что существуют особые физические системы, являющиеся наблюдателями в строгом смысле, – то есть такие, которые обладают органами чувств, памятью, работают в лаборатории и при этом макроскопичны… Но квантовая механика описывает не только такие системы, но и элементарную и универсальную грамматику физической реальности, которая является объектом не только лабораторных измерений, но также и вообще любых взаимодействий.

При таком подходе ничего особенного в квантовомеханических «наблюдениях» – то есть «наблюдениях» в гейзенберговском смысле – нет. С точки зрения теории, в наблюдателях нет ничего особенного: любое взаимодействие физических объектов является наблюдением, а любой объект следует считать наблюдателем всякий раз, когда рассматривается проявление для него других объектов. То есть при рассмотрении проявления свойств других объектов для данного объекта. Квантовая механика описывает проявление вещей друг для друга.

Я считаю, что открытие квантовой механики состоит в том, что свойства любой вещи – это не что иное, как характер ее воздействия на другие вещи. Существует только взаимодействие с другими вещами. Квантовая теория – это теория о взаимовлиянии вещей, и это лучшее из имеющихся на сегодня описаний природы⁵³.

Это простая мысль, но у нее есть два радикальных вывода, которые открывают концептуальный простор, необходимый для понимания квантовой теории.

Бор говорит о «невозможности четкого отделения поведения атомных систем от взаимодействия с измерительным прибором, с помощью которого устанавливаются условия явления»⁵⁴.

В 40-х годах прошлого века, когда Бор писал эти строки, приложения теории ограничивались лабораторными измерениями свойств атомных систем. Почти столетие спустя мы знаем, что теория эта справедлива для всех объектов во Вселенной и поэтому «атомные системы» следует заменить на «любой объект», а «взаимодействие с измерительным прибором» на «взаимодействие с чем угодно».

Если посмотреть на замечание Бора с этой точки зрения, то оно отражает лежащее в основе теории открытие: невозможность отделить объект от взаимодействий, при которых проявляются соответствующие свойства, и от объектов, для которых они проявляются. Объект характеризуется тем, как он воздействует на другие объекты. Сам объект – это всего лишь множество его взаимодействий с другими объектами. Реальность представляет собой эту самую сеть взаимодействий, вне которой вообще непонятно, о чем идет речь. Вместо того чтобы рассматривать физический мир как множество объектов с определенными свойствами, квантовая механика предлагает нам взглянуть на физический мир как на сеть отношений, узлы которой – это сами объекты.

Но нет никакой необходимости всегда и в обязательном порядке приписывать свойства чему бы то ни было, даже если это нечто не взаимодействует с другими объектами, – это не только излишне, но и может ввести в заблуждение. Это значит говорить о несуществующем: не бывает свойств вне взаимодействия⁵⁵.

Смысл изначальной догадки Гейзенберга в том, что обсуждение свойств орбиты электрона, пока он ни с чем не взаимодействует, бессодержательно. Электрон не движется по какой-то орбите, потому что его физические свойства лишь те, что определяют характер его воздействия на нечто иное, например на излучаемый им свет. Если электрон ни с чем не взаимодействует, то у него нет свойств.

Это радикальный переход. Все равно что сказать, что любая вещь представляет собой только то, как она воздействует на нечто иное. Когда электрон не взаимодействует с чем-либо, у него нет физических свойств. У него нет ни положения, ни скорости.

Второй вывод еще радикальнее.

Представь себе, дорогой читатель, что ты – кот последователя Шредингера из предыдущей главы. Ты заперт в сейфе и некий квантовый механизм (например, радиоактивный атом) с вероятностью ½ запустит процесс открытия снотворного. Ты либо получишь дозу снотворного, либо не получишь ее. В первом случае ты заснешь, а во втором – продолжишь бодрствовать. Для тебя снотворное или открыто, или не открыто, и нет никаких сомнений. Для тебя ты либо бодрствуешь, либо спишь и заведомо не пребываешь в двух состояниях одновременно.

Я же нахожусь снаружи сейфа и не взаимодействую ни с флаконом со снотворным, ни с тобой. Потом я смогу наблюдать явления интерференции тебя бодрствующего и тебя спящего – явления, которые не могли бы иметь место, если бы я видел тебя бодрствующим или спящим. В этом смысле для меня ты не бодрствуешь и не спишь. Я говорю, что ты находишься «в состоянии суперпозиции бодрствующего и спящего тебя».

Для тебя флакон со снотворным или открыт, или нет и ты либо бодрствуешь, либо спишь. Для меня ты не бодрствуешь и не спишь. Для меня ты «в состоянии квантовой суперпозиции разных состояний». Для тебя реальность состоит в том, что ты либо бодрствуешь, либо спишь. При реляционном подходе (то есть при подходе на основе отношений) оба варианта могут иметь место одновременно, потому что они касаются взаимодействия с двумя разными наблюдателями – с тобой и со мной.

Может ли нечто быть реальным для тебя и не быть реальным для меня?

Я считаю, что квантовая механика – это открытие, состоящее в положительном ответе на этот вопрос. Свойства объекта, реальные для другого объекта, не обязательно реальны для третьего объекта[3].

То или иное свойство может быть реальным по отношению к одному камню и не быть реальным по отношению к другому⁵⁶.

3. «Разреженный» и легкий квантовый мир

Надеюсь, что изложение в очень тонком, но крайне важном предыдущем абзаце не отвратило слишком многих читателей. Короче говоря, свойства объектов существуют только в момент взаимодействия и могут быть реальными по отношению к одному объекту и при этом не быть реальными по отношению к другому.

Факт существования свойств, определенных только по отношению к чему-то другому, не должен нас слишком удивлять. Это нам уже знакомо.

Например, скорость – это свойство одного объекта по отношению к другому. Когда мы ходим по плывущему через реку парому, то у нас есть скорость относительно парома, другая, отличная от первой, – скорость относительно реки, еще одна скорость – относительно Земли, а также скорость относительно Солнца, скорость относительно Галактики и т. д. до бесконечности, и все эти скорости разные. Не бывает скорости без (явного или неявного) указания, по отношению к чему она определяется. Скорость – это понятие, касающееся пары объектов (ты и паром, ты и Земля, ты и Солнце…). Это свойство, которое бывает только по отношению к чему-то другому. Это отношение между двумя объектами.

Есть множество похожих примеров: согласившись с тем, что Земля – шар, мы тем самым соглашаемся с тем, что понятия «верх» и «низ» не абсолютны, а зависят от нашего положения по отношению к Земле. Специальная теория относительности Эйнштейна – это открытие того, что понятие одновременности является относительным и зависит от движения наблюдателя и т. д. Просто открытие квантовой теории несколько более радикально – оно состоит в том, что любые свойства (любые переменные) всех объектов, также как и скорость, реляционны (то есть представляют собой отношения).

Физические переменные описывают не объекты, а то, как они проявляют себя друг для друга. Бессмысленно приписывать им какое бы то ни было значение в отсутствие взаимодействия. Переменная (например, положение или скорость частицы) принимает то или иное значение по отношению к чему-то в процессе взаимодействия с этим чем-то.