Карло Ровелли – Гельголанд. Красивая и странная квантовая физика (страница 8)

Поскольку волновая функция Карло ψ постоянно взаимодействует не только с котом, но также и с бесчисленным количеством других систем, то отсюда следует наличие бесконечного количества других параллельных миров, которые одинаково существуют, одинаково реальны и в которых существует бесконечное множество копий меня, которые производят опыты со всеми возможными альтернативными реальностями. В этом состоит теория множественных миров.

Идея выглядит безумной? Так и есть.

И тем не менее выдающиеся физики и философы считают это лучшей из возможных интерпретаций квантовой теории⁴³. Безумны не они, а эта невероятная теория, которая так замечательно работает уже на протяжении целого столетия.

Но неужели, чтобы выйти из тумана, надо предположить конкретное и реальное существование бесконечного числа ненаблюдаемых для нас копий нас самих, скрытых внутри гигантской универсальной волновой функции ψ?

Я вижу еще и другую трудность в этой интерпретации. Исполинская универсальная волновая функция ψ, содержащая в себе все миры, напоминает черную ночь Гегеля, в которой все коровы черные: сама по себе она не дает представления о наблюдаемой нами феноменологической реальности⁴⁴. Для описания наблюдаемых явлений служат другие математические составляющие, а не волновая функция ψ, и многомировая интерпретация не объясняет их.

Есть еще один способ избежать бесконечного размножения миров и наших собственных копий. Такую возможность дает группа так называемых теорий «со скрытыми переменными». Идею лучшей из них подсказал де Бройль, выдвинувший концепцию волн вещества, а сама теория была разработана Дэвидом Бомом.

Дэвид Бом был американским ученым, у которого была трудная жизнь оттого, что он был коммунистом с не подходящей для этого стороны железного занавеса. В эпоху маккартизма он был под следствием, а в 1949 году – арестован и пробыл небольшое время в заключении, после чего был освобожден, но его все равно уволили из Принстонского университета. Бом был вынужден эмигрировать в Южную Америку, где американское посольство изъяло у него паспорт из опасений, что он отправится в Советский Союз…

Теория Бома проста: волновая функция ψ электрона – это реальная сущность, как и в случае многомировой интерпретации, но помимо волновой функции существует также и собственно электрон – реальная материальная частица, у которой в любой момент есть определенное положение. Таким образом, разрешается проблема связи теории с наблюдаемыми явлениями. Речь идет о единственном и однозначном положении, как в классической механике, и никакой «квантовой суперпозиции». Волновая функция ψ изменяется в соответствии с уравнением Шредингера, в то время как реальный электрон движется в физическом пространстве, направляемый волновой функцией ψ. Бом исследовал уравнение, описывающее, каким образом волновая функция ψ может реально «направлять» электрон⁴⁵.

Идея блестящая: интерференционные явления определяются волновой функцией ψ, которая направляет объекты, но сами объекты при этом не находятся в состоянии квантовой суперпозиции. Они в любой момент находятся в определенном точно заданном положении. Кот или бодрствует, или спит. Но его волновая функция ψ состоит из обеих составляющих: одной, соответствующей реальному коту, – и второй, представляющей собой «пустую» волну без реального кота, но эта пустая волна может порождать интерференцию с реальным котом.

Вот почему мы видим кота или бодрствующим, или спящим, и при этом все же наблюдаются интерференционные эффекты: кот, конечно же, находится в одном-единственном состоянии, но при этом во втором состоянии находится часть его волновой функции, которая и порождает интерференцию.

Это объясняет описанный выше опыт Цейлингера. Почему, когда я перекрываю один из путей для фотона, это влияет на прохождение фотоном другого пути? Ответ: фотон проходит по одному-единственному пути, а вот его волновая функция – по обоим. Моя рука изменяет волновую функцию, которая, в свою очередь, направляет фотон иначе, чем в отсутствие перекрывающей один из путей руки. Таким образом, моя рука влияет на будущее поведение фотона, даже если этот фотон проходит далеко от руки. Прекрасное объяснение.

Интерпретация со скрытыми переменными возвращает квантовую физику в лоно классической: все детерминировано и предсказуемо. Если нам известны положение электрона и значение волновой функции, то можем предсказать все.

Но все не так просто. Фактически мы никогда не знаем состояния волновой функции, потому что никогда не видим ее, а только лишь сам электрон⁴⁶. Следовательно, поведение электрона определяется переменными, которые остаются «скрытыми» от нас (волновая функция). Переменные скрыты в принципе – мы вообще никак не можем их определить, и поэтому эта теория называется интерпретацией со скрытыми переменными⁴⁷.

Но если принять эту теорию, то придется признать существование целой недоступной для нас физической реальности, которая при ближайшем рассмотрении нужна лишь, чтобы мы не волновались по поводу того, о чем теория не говорит. А стоит ли предполагать существование ненаблюдаемого и никак не влияющего на нас мира, не предусмотренного квантовой механикой, исключительно лишь чтобы уберечь нас от страха неопределенности?

У этой интерпретации есть и другие трудности. Теория Бома нравится многим философам потому, что она дает концептуально ясную картину. Но она не нравится физикам, потому что любые попытки ее применения к более сложным задачам, чем случай одной-единственной частицы, приводят к нагромождению проблем. Например, волновая функция ψ множества частиц не является множеством волновых функций отдельных частиц – эта волна распространяется не в физическом, а в абстрактном математическом пространстве⁴⁸. Исчезает интуитивно понятное и ясное представление о реальности, которое теория Бома предлагает в случае одной частицы.

Но по-настоящему серьезные проблемы возникают при попытке учесть эффекты теории относительности. Скрытые переменные в интерпретации Бома грубейшим образом противоречат самой идее относительности – они задают выделенную, привилегированную систему отсчета. Платой за картину мира, представленную исключительно через детерминированные переменные, как в случае классической физики, оказывается необходимость признания не только принципиально скрытого характера этих переменных, но также и того, что эти переменные противоречат всей совокупности наших знаний в рамках этой самой классической физики. А оно того стоит?

Есть еще один способ интерпретировать волновую функцию ψ как реальную сущность, не прибегая при этом ни к множественности миров, ни к скрытым переменным: предсказания квантовой механики можно рассматривать как своего рода приблизительное описание, не учитывающее аспекты, без которых вся картина оказывается недостаточно внятной.

Должен существовать реальный и независимый от наших наблюдений физический процесс, который происходит спонтанно, время от времени, и препятствует «расползанию» волновой функции. Этот до сих пор никогда не наблюдавшийся гипотетический механизм был назван «физическим коллапсом волновой функции». Таким образом, «физический коллапс волновой функции» происходит не вследствие наблюдения, а спонтанно, и тем скорее, чем более макроскопичны рассматриваемые объекты.

В случае с котом волновая функция ψ сама собой должна очень быстро перейти в одно из двух состояний, и кот практически сразу же должен стать или бодрствующим, или спящим. Таким образом, гипотеза состоит в том, что квантовая механика неприменима к макроскопическим объектам вроде котов⁴⁹. Предсказания теорий этого типа отличаются от предсказаний обычной квантовой теории.

Эти предсказания проверялись в разных лабораториях во всем мире, и такие проверки продолжаются по настоящее время. Пока что всегда подтверждались предсказания именно квантовой теории. Большинство физиков, включая и вашего покорного слугу, который пишет эти строки, готовы поспорить, что квантовая теория останется верной еще какое-то время…

3. Принятие неопределенности

Обсуждавшиеся до этого интерпретации квантовой механики имели целью избежать неопределенности⁵⁰, рассматривая волновую функцию ψ как реальный объект. Расплатой за это было добавление к реальности сущностей вроде множественных миров, недоступных переменных или никогда не наблюдаемых процессов.

Но для столь буквального восприятия волновой функции ψ нет никаких оснований.

Функция ψ – это не реальная сущность, а всего лишь математический аппарат для расчетов. Это как прогноз погоды, предварительная смета на строительство дачи, прогнозы букмекеров на скачках⁵¹. Реальные явления в мире имеют вероятностный характер, и величина ψ – это просто наш способ вычисления вероятности наступления событий.

Интерпретации квантовой теории, в которых волновая функция ψ не рассматривается как нечто реальное, называются эпистемологическими, поскольку толкуют функцию ψ просто как способ описания происходящего нашим сознанием (ἐπιστήμη – «эпистема» – «знание», «наука»).

Примером такого подхода может служить «квантовое байесианство», или просто «кубизм». В этой интерпретации квантовая теория принимается такой, как есть, без попыток каким бы то ни было образом «дополнить» мир.