Журнал «Вокруг Света» №10 за 2009 год - Вокруг Света

В апреле 1900 года физик лорд Кельвин, в честь которого теперь названа шкала абсолютных температур, заявил на лекции, что красоту и чистоту здания теоретической физики омрачает лишь пара «темных облачков» на горизонте: неудачные попытки обнаружить мировой эфир и проблема с объяснением спектра излучения нагретых тел. Но не успел закончиться год, а с ним и XIX столетие, как Планк решил проблему теплового спектра, введя понятие кванта — минимальной порции лучистой энергии. Идея о том, что энергия может испускаться только фиксированными порциями, подобно пулям из автомата, а не воде из шланга, шла вразрез с представлениями классической физики и стала отправной точкой на пути к квантовой механике.

Работа Планка стала началом цепочки очень странных открытий, которые сильно изменили устоявшуюся физическую картину мира. Объекты микромира — молекулы, атомы и элементарные частицы — отказывались подчиняться математическим законам, отлично зарекомендовавшим себя в классической механике. Электроны не хотели обращаться вокруг ядер по произвольным орбитам, а удерживались только на определенных дискретных энергетических уровнях, неустойчивые радиоактивные атомы распадались в непредсказуемый момент без каких-либо конкретных причин, движущиеся микрообъекты проявлялись то как точечные частицы, то как волновые процессы, охватывающие значительную область пространства.

Привыкнув со времен научной революции XVII века к тому, что математика — это язык природы, физики устроили настоящий мозговой штурм и к середине 1920-х годов разработали математическую модель поведения микрочастиц. Теория, названная квантовой механикой, оказалась самой точной среди всех физических дисциплин: до сих пор не обнаружено ни единого отклонения от ее предсказаний (хотя некоторые из этих предсказаний получаются из математически бессмысленных выражений вроде разности двух бесконечных величин). Но вместе с тем точный смысл математических конструкций квантовой механики практически не поддается объяснению на обыденном языке.

Взять, к примеру, принцип неопределенности, одно из фундаментальных соотношений квантовой физики. Из него следует, что чем точнее измерена скорость элементарной частицы, тем меньше можно сказать о том, где она находится, и наоборот. Будь автомобили квантовыми объектами, водители не боялись бы фоторегистрации нарушений. Стоило измерить скорость машины радаром, как ее положение становилось бы неопределенным, и она наверняка не попадала бы в кадр. А если бы, наоборот, на снимке зафиксировалось ее изображение, то погрешность измерения на радаре не позволила бы определить скорость.

Достаточно безумная теория

Вместо привычных координат и скоростей квантовую частицу описывают так называемой волновой функцией. Она входит во все уравнения квантовой механики, но ее физический смысл так и не получил вразумительного истолкования. Дело в том, что ее значения выражены не обычными, а комплексными числами, и вдобавок недоступны для непосредственного измерения. Например, для движущейся частицы волновая функция определена в каждой точке бесконечного пространства и меняется во времени. Частица не находится ни в какой конкретной точке и не перемещается с места на место, как маленький шарик. Она словно бы размазана по пространству и в той или иной мере присутствует сразу везде, где-то концентрируясь, а где-то сходя на нет.

Взаимодействие таких «размазанных» частиц еще более усложняет картину, порождая так называемые запутанные состояния. Квантовые объекты при этом образуют единую систему с общей волновой функцией. С ростом числа частиц сложность запутанных состояний быстро растет, и понятия о положении или скорости отдельной частицы лишаются всякого смысла. Размышлять о таких странных объектах крайне трудно. Человеческое мышление тесно связано с языком и наглядными образами, которые сформированы опытом обращения с классическими предметами. Описание поведения квантовых частиц на непригодном для этого языке приводит к парадоксальным утверждениям. «Ваша теория безумна, — сказал как-то Нильс Бор после доклада Вольфганга Паули. — Вопрос лишь в том, достаточно ли она безумна, чтобы быть правильной». Но без корректного описания явлений на разговорном языке тяжело вести исследования. Физики часто осмысляют математические конструкции, уподобляя их простейшим предметам из обыденной жизни. Если в классической механике 2000 лет искали математические средства, подходящие для выражения повседневного опыта, то в квантовой теории сложилась прямо противоположная ситуация: физики остро нуждались в адекватном словесном объяснении отлично работающего математического аппарата. Для квантовой механики требовалась интерпретация, то есть удобное и в целом корректное объяснение смысла ее основных понятий.

Предстояло ответить на целый ряд принципиальных вопросов. Каково реальное устройство квантовых объектов? Фундаментальна ли неопределенность их поведения, или она лишь отражает недостаточность наших знаний? Что происходит с волновой функцией, когда прибор регистрирует частицу в определенном месте? И наконец, какова роль наблюдателя в процессе квантового измерения?

Играющий в кости бог

Представление о непредсказуемости поведения микрочастиц шло вразрез со всем опытом и эстетическими пристрастиями физиков. Идеалом считался детерминизм — сведение любого явления к однозначным законам механического движения. Многие ожидали, что в глубине микромира найдется более фундаментальный уровень реальности, а квантовую механику сравнивали со статистическим подходом к описанию газа, который применяется лишь из-за того, что трудно отследить движения всех молекул, а не потому, что те сами «не знают», где находятся. Эту «гипотезу скрытых параметров» активнее всех защищал Альберт Эйнштейн. Его позиция вошла в историю под броским слоганом: «Бог не играет в кости».

Бор и Эйнштейн оставались друзьями, несмотря на яростную научную полемику об основаниях квантовой механики. До конца жизни Эйнштейн так и не признал копенгагенскую интерпретацию, принятую большинством физиков. Фото: SPL/EAST NEWS 

Его оппонент Нильс Бор утверждал, что волновая функция содержит исчерпывающую информацию о состоянии квантовых объектов. Уравнения позволяют однозначно рассчитать ее изменения во времени, и в математическом плане она не хуже привычных физикам материальных точек и твердых тел. Отличие лишь в том, что она описывает не сами частицы, а вероятность их обнаружения в той или иной точке пространства. Можно сказать, что это не сама частица, а ее возможность. Но где именно она обнаружится при наблюдении, предсказать принципиально невозможно. «Внутри» частиц нет никаких недоступных измерению скрытых параметров, определяющих, когда именно им распадаться или в какой точке пространства появляться при наблюдении. В этом смысле неопределенность — фундаментальное свойство квантовых объектов. На стороне этой интерпретации, которую стали называть копенгагенской (по городу, где жил и работал Бор), была сила «бритвы Оккама»: в ней не предполагалось никаких дополнительных сущностей, которых не было в квантово-механических уравнениях и наблюдениях. Это важное преимущество склонило большинство физиков к принятию позиции Бора намного раньше, чем эксперимент убедительно показал, что Эйнштейн ошибался.

И все же копенгагенская интерпретация небезупречна. Главным направлением ее критики стало описание процесса квантового измерения. Когда частица с размытой по большому  объему пространства волновой функцией регистрируется экспериментатором в определенном месте, вероятность ее пребывания в стороне от этой точки становится нулевой. А значит, волновая функция должна мгновенно сконцентрироваться в очень небольшой области. Эту «катастрофу» называют коллапсом волновой функции. И она является катастрофой не только для наблюдаемой частицы, но и для копенгагенской интерпретации, поскольку коллапс протекает вопреки уравнениям самой квантовой механики. Физики говорят об этом как о нарушении линейности при квантовом измерении.

Получается, что математический аппарат квантовой механики работает лишь в кусочно-непрерывном режиме: от одного измерения до другого. А «на стыках» волновая функция скачкообразно меняется и продолжает развитие из принципиально непредсказуемого состояния. Для теории, стремящейся описать физическую реальность на фундаментальном уровне, это было очень серьезным недостатком. «Прибор извлекает из состояния, которое существовало до измерения, одну из содержащихся в нем возможностей», — писал об этом явлении один из создателей квантовой механики Луи де Бройль. Такая трактовка неизбежно приводила к вопросу о роли наблюдателя в квантовой физике.