Истина Шредингера: почему физики не могут договориться об устройстве мира

Журнал Nature провел крупнейший в истории опрос ученых на тему того, как следует понимать квантовую механику. В нем приняли участие более 1100 респондентов, в основном физиков. Результат: эксперты резко расходятся в понимании общеизвестных формул и довольно редко уверены, что их любимая интерпретация верна.

Лаборатория в кармане

Микросхемы в вашем смартфоне работают благодаря законам квантовой механики. Читая этот текст, вы проводите эксперимент по проверке квантовых формул. Как серийная микроэлектроника, так и передовые экспериментальные установки функционируют в точности так, как предсказывают уравнения. 

Все физики согласны, что, скажем, электрон в вакуумной камере описывается волновой функцией. Эта функция приписывает каждой точке пространства в каждый момент времени определенное число. Квадрат модуля этого числа — это вероятность обнаружить электрон в данное время в данном месте. Можно сделать так, чтобы вероятность появления электрона там, где он нужен, была достаточно велика. В микросхеме бесчисленное множество электронов, так что теория вероятностей гарантирует, что токи и напряжения будут какими надо. На этом и основана электронная техника.

Но как только ученые пытаются перевести квантовые законы с сухого языка уравнений «на человеческий», начинаются трудности. Почему мы не можем точно предсказать, где обнаружим частицу? Дело в неполноте наших знаний или электрон просто не имеет определенного положения до того, как его измерят? А если не имеет, что заставляет его определиться с локацией в момент измерения? Само наличие измерительного прибора? Или даже — есть и такое мнение — сознание экспериментатора? Это далеко не все вопросы, встающие при попытке осмыслить квантовый мир.

Попытки ответа породили многочисленные интерпретации квантовой механики, подчас балансирующие на грани физики и философии. 

Визит в Копенгаген

Самой популярной (36% опрошенных) оказалась копенгагенская интерпретация. Она названа в честь университета, где работали ее основоположники — Нильс Бор и Вернер Гейзенберг. Эта интерпретация гласит, что по квантовым законам живут лишь частицы, атомы и другие микроскопические объекты. Как только частицы собираются в макроскопические тела, для квантовых странностей не остается места. Электрон в вакууме действительно «размазан» по всему пространству. Но как только рядом оказывается измерительный прибор, состоящий из огромного числа частиц, ситуация меняется. Взаимодействуя с ним, электрон начинает жить по законам макроскопической физики, где никакой Фигаро не может быть «здесь» и «там» одновременно. Волновая функция, задающая вероятность обнаружить электрон в том или ином месте, «схлопывается»: вероятность оказывается равной единице там, где электрон действительно обнаружен, и нулю — во всех остальных точках. Тем самым акт измерения вынуждает электрон определиться со своим местоположением. Вопреки разрекламированному мнению некоторых мыслителей — чаще философов, чем физиков — разум наблюдателя тут ни при чем. Все дело в том, что прибор — макроскопическое тело.

Однако из 396 опрошенных, проголосовавших «за Копенгаген», лишь 14% отметили, что они полностью уверены в этой интерпретации. Еще 37% «копенгагенцев» заявили, что они «довольно уверены», остальные — что не уверены.

С этой интерпретацией действительно есть проблемы. Например, она не дает четкого ответа на вопрос, где и как квантовые законы переходят в макроскопические. Хорошо, единичный электрон в вакууме живет по квантовым законам. А как же электроны в обычных проводах? Оказывается, их поведение тоже подчиняется квантовым законам. Чтобы определить, например, среднюю скорость движения электронов в проводе, нужна квантовая физика. Так что дело не может быть просто в том, что одни тела большие, а другие — маленькие.

Кроме того, из математических свойств волновой функции никак не следует, что она должна «схлопнуться» в присутствии макроскопического тела. Более того, она просто этого не умеет. Мы словно говорим: до измерения все описывается волновой функцией, а в момент измерения вдруг начинаются совсем другие законы. Это удобный рецепт для экспериментаторов, но назвать это стройной и последовательной теорией никак нельзя.

Физика параллельных миров

Вторым по популярности (с 17% голосов) оказался пункт «волновая функция несет только информацию о состоянии частицы». Этот очень осторожный ответ, в сущности, ничего не проясняет. Разговоры о том, что волновые функции «всего лишь сообщают нам что-то о реальном мире», не отвечают на вопрос, как правильно и последовательно перевести квантовые уравнения на язык общепринятых понятий.

Третьей по популярности (15% голосов) оказалась интерпретация американского физика Хью Эверетта. Вот уж кто не осторожничал! Согласно этой теории, каждый раз в момент измерения… возникают новые вселенные. Эксперимент показывает: вероятность обнаружить электрон в этой точке — такая, в той — другая, а сумма по всем точкам дает 100%. Эверетт отвечает: как только мы включим детектор, возникнет множество вселенных, и в каждой из них электрон будет обнаружен в своей точке.

За этой странной идеей стоит куда более изящная математика, чем «копенгагенская». Например, Эверетт не заставляет волновую функцию «схлопываться» и не проводит различия между микро- и макроскопическими телами. Все объекты, от электронов до галактик, описываются у него одними и теми же уравнениями.

Цена высока: приходится постулировать существование параллельных вселенных, в реальности которых невозможно убедиться на опыте. И это не все трудности. Допустим, вероятность обнаружить электрон в некоторой точке равна 90%. Мы провели 10 000 опытов и обнаружили электрон в этой точке примерно 9000 раз. По Эверетту, при каждом измерении можно оказаться в любой из возникающих вселенных. Но почему мы каждый раз оказываемся в такой, чтобы в итоге получить те самые 90% попаданий? Убедительного ответа нет. 

«Заткнись и вычисляй!»

Остальные 32% голосов разделились между еще восемью ответами, причем четвертым по популярности (10%) оказался пункт «другое или вне классификации».

То, что самый популярный вариант понимания квантовой механики набрал лишь 36% голосов, показательно само по себе. Еще интереснее, что из более чем 1100 опрошенных лишь 19% были вполне уверены, что предпочитаемая ими интерпретация правильна.

Многие ученые, особенно экспериментаторы, пренебрежительно относятся к попыткам «истолковать» квантовую механику. Единственное, что мы действительно можем проверить, говорят они, это согласие между теорией и экспериментом. Здесь квантовая механика безупречна, чего же еще желать? Все остальное — бесплодные философствования. Физик Дэвид Мермин когда-то выразил эту мысль лозунгом: «Заткнись и вычисляй!»

Но лозунги редко дают исчерпывающие ответы на глубокие вопросы. Порукой тому Нобелевская премия по физике 2022 года. Ее присудили Алену Аспе, Джону Клаузеру и Антону Цайлингеру за эксперименты, давшие точный ответ на вопрос, «знает» ли частица до измерения, в каком состоянии она находится. Вопрос, казавшийся философским, стал экспериментально проверяемым, стоило лишь придумать достаточно хитроумный эксперимент.

Уже предложены схемы экспериментов, в которых копенгагенская и многомировая квантовая механика должны дать разный результат. Правда, они выходят далеко за рамки наших технических возможностей. Но техника не стоит на месте, а кроме того, предложенные эксперименты, возможно, удастся упростить. И тогда мы наконец узнаем, какая глубокая реальность скрывается за лаконичными уравнениями, впервые записанными уже почти век назад.