Может ли нечто быть реальным для тебя и одновременно не быть реальным для меня?
В этой главе наконец говорится об отношениях
1. Было время, когда мир казался простым
Во времена Данте в Европе мир считался замутненным отражением великой небесной иерархии: Великий Бог и его Ангелы приводят в движение сферы планет, направляя светила на их пути по небосводу, и трепетно и любовно участвуют в жизни нас, слабых людей, которые в центре Вселенной мечутся между поклонением, бунтом и раскаянием.
Потом восприятие изменилось. В последующие века мы поняли аспекты реальности, выявили скрытые грамматики, нашли стратегии для достижения наших целей. Научная мысль построила сложную конструкцию знания. Ведущую и объединяющую роль в этом сыграла физика, которая дала нам четкое и ясное представление о реальности как об огромном пространстве, в котором движутся частицы, притягиваемые и отталкиваемые разными силами. Фарадей и Максвелл добавили к этому электромагнитное поле – рассеянную в пространстве сущность, посредством которой удаленные друг от друга тела воздействуют друг на друга. Картину дополнил Эйнштейн, показав, что тяготение также переносится посредством поля, которое представляет собой геометрию пространства-времени. Получился чистый и прекрасный синтез.
Реальность – это причудливое сочетание сущностей: заснеженные горы и леса, дружеский взгляд, грохот метро противным зимним утром, наша неутолимая жажда, стук пальцев по клавиатуре ноутбука, запах хлеба, боль мира, ночное небо, неисчислимость звезд, Венера, одиноко сияющая на ультрамариновом сумеречном небе… Казалось, что в этом калейдоскопическом разнообразии удалось найти главную тему, скрытый за кажущимся хаосом порядок. Это было время, когда мир казался простым.
Но большие надежды, которые питали мы, ничтожные смертные существа, оказались лишь кратким сном. Концептуальная ясность классической физики была сметена натиском квантовой теории. Реальность не такова, как ее описывает классическая физика.
Это оказалось резким пробуждением от блаженного сна, в который мы впали, убаюканные иллюзией успехов ньютоновской теории. Но это пробуждение подводит нас к самому сердцу научного мышления, суть которого не в установленных истинах. Научное мышление всегда в движении, и сила его как раз в постоянной способности подвергать все сомнению и начинать все сначала, не боясь разрушить миропорядок в поисках еще лучшего, чтобы потом оспорить и его, вызвав новое потрясение основ.
Сила науки в том, что она не боится пересмотра представлений о мире: от Анаксимандра, который убрал подпиравшие Землю колонны, до Коперника, запустившего ее двигаться по кругу в небесах, Эйнштейна, отказавшегося от четкого разделения пространства и времени, и Дарвина, лишившего нас иллюзии инакости человека… Реальность постоянно переосмысливается, представления о ней становятся все более эффективными. Тонкая пленительность науки, так захватившая меня в мятежном подростковом возрасте, заключается в смелости, с которой она идет на глубокий пересмотр картины мира…
2. Отношения
В небольшой физической лаборатории, где ученые исследуют микроскопические объекты вроде атома или фотона в цейлингеровском лазере, ясно, кто наблюдатель: это, конечно же, ученый, который готовит, наблюдает и измеряет исследуемый квантовый объект с помощью своих приборов, регистрирующих излучаемый атомом свет или место прихода фотонов.
Но огромный мир состоит не из ученых-экспериментаторов или измерительных приборов. Что такое наблюдение в отсутствие измеряющего ученого? Что говорит нам квантовая теория в случае отсутствия наблюдателя? Что говорит нам квантовая теория о происходящем в другой галактике?
Я считаю, что ключ к ответу и суть излагаемых в этой книге идей состоит в простой констатации того факта, что сам ученый вместе с его измерительными приборами – тоже часть природы. А квантовая механика описывает то, как одна часть природы проявляет себя для другой части природы.
Суть описываемой здесь «реляционной» квантовой теории интерпретации (то есть интерпретации в терминах «отношений») состоит в том, что теория описывает не то, как квантовые объекты проявляют себя для нас (или для специальных «наблюдающих» сущностей). Она описывает то, как любой физический объект проявляет себя для любого другого физического объекта. Как любой физический объект воздействует на любой другой физический объект.
Мы мыслим о мире в терминах объектов, вещей, сущностей (ученые называют все это физическими системами) – это может быть фотон, кот, камень, часы, дерево, мальчик, страна, радуга, планета, скопление галактик… Никакой из этих объектов не существует в гордом одиночестве. Наоборот, они только и делают, что воздействуют друг на друга. Для понимания природы следует наблюдать именно эти взаимодействия, а не изолированные объекты. Кот слышит тиканье часов, мальчик бросает камень, камень смещает воздух на своем пути, ударяется о другой камень и приводит его в движение, продавливает землю в месте падения, дерево впитывает энергию солнечного света, синтезирует кислород, которым дышат обитатели страны, наблюдая звезды, а сами звезды движутся в галактике, влекомые силой притяжения других звезд… Наблюдаемый нами мир находится в состоянии постоянного взаимодействия – это плотная сеть взаимного влияния.
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.
Мир – это сеть таких взаимодействий. Отношений, которые устанавливаются, когда объекты взаимодействуют друг с другом. Камень сталкивается с другим камнем, солнечный свет падает на мою кожу, ты, мой дорогой читатель, читаешь эти строки.
И получается «разжиженный» мир, где нет независимых сущностей с определенными свойствами, а только сущности, свойства у которых бывают исключительно по отношению к другим сущностям и только когда они с ними взаимодействуют. У камня самого по себе не бывает положения – положение есть только по отношению к другому камню. У неба самого по себе нет цвета – цвет есть только по отношению к моему глазу, который на это небо смотрит. Звезда сияет в небе не как независимая сущность, а как один из узлов в сети взаимодействий, образующих галактику, в которой эта звезда расположена…
Таким образом, квантовый мир более разреженный, чем мир старой физики, и состоит из одних лишь взаимодействий, происшествий, отдельных событий, и между ними нет непрерывности. Этот мир тонкий, как буранское кружево. Любое взаимодействие представляет собой событие, и реальность состоит именно из этих легких и эфемерных событий, а не из массивных объектов, нагруженных абсолютными свойствами, которые в нашей философии считались основой событий.
Жизнь электрона – это не линия в пространстве, а пунктир из проявлений событий, происходящих тут и там при взаимодействии частицы с другими объектами. Событий точечных, отрывочных, вероятностных и относительных.
Вот как Энтони Агирре описывает следующие из этого выводы и смятение в своей книге «Космологические коаны»: «Мы делим вещи, дробим их на все более и более мелкие части, но затем, когда мы их исследуем, оказывается, что их нет. Есть только упорядоченные структуры из них. Тогда чем же являются такие вещи, как лодка, или ее парус, или ваши ногти? Что они собой представляют? Если вещи – это формы форм, которые сами формы форм, и если формы – это порядок, а порядок определяется нами (описывающими макросостояния), историей (актуализирующей их) и Вселенной (являющейся фундаментом порядка), тогда, как кажется, эти формы сами по себе не существуют. Складывается впечатление, что они существуют только как созданные и связанные с нами и со Вселенной. Они, как сказал бы Будда, – пустота»57.
Привычная нам твердая непрерывность мира совершенно не отражает реальное положение вещей – это просто результат нашего макроскопического восприятия. Лампочка не светит непрерывно, а излучает плотный поток мельчайших мимолетных фотонов. На малых масштабах в реальном мире нет никакой непрерывности и никакого постоянства – одни лишь дискретные события и редкие и дискретные взаимодействия.
Шредингер, словно лев, бился с отсутствием в квантовой теории непрерывности, с боровскими квантовыми переходами, с миром гейзенберговских матриц. Он хотел защитить классическое представление о непрерывной реальности. Но в конце концов, спустя десятилетия после споров 20-х, капитулировал и он, признав свое поражение. Слова Шредингера, следующие за приведенной выше цитатой («Это было время… когда создатели волновой механики [то есть Шредингер] тешили себя иллюзией, что им удалось исключить из квантовой теории дискретность…»), ясные и определенные:
«…Лучше считать частицу не перманентным существом, а мгновенным событием. Иногда эти события образуют цепочки, которые создают иллюзию перманентных существ – но только в определенных обстоятельствах и на протяжении чрезвычайно коротких периодов времени в каждом конкретном случае»58.
Что же тогда представляет собой волновая функция ψ? Это просто мера вероятности, по которой можно судить, произойдет ли по отношению к нам очередное событие59. Это величина, зависящая от точки зрения: у объекта не одна волновая функция ψ – у него разные волновые функции по отношению к разным другим объектам, с которыми взаимодействовал. События, происходящие не по отношению к нам, а по отношению к другим, не влияют на вероятность событий, которые в будущем произойдут по отношению к нам[4].
Следовательно, квантовое состояние, описываемое функцией ψ, всегда относительно60.
Рассмотренные в предыдущей главе интерпретации со множественными мирами и со скрытыми переменными неизменно стремились «наполнить» мир дополнительными реальностями сверх наблюдаемых с тем, чтобы восстановить «полноту» классического мира и избавиться от квантовой неопределенности. Платой за это оказался мир, полный невидимок. А при реляционном подходе теория принимается такой, какая она есть, – в конце концов, это лучшая из имеющихся у нас теорий – с ее «разжиженным» представлением о мире и со всей ее неопределенностью[5], как в кубизме.
Но в отличие от кубизма, речь идет обо всем мире, а не об информации о том или ином субъекте, как если бы он находился вне природы.
Следует признать необходимость изменения самой грамматики нашего понимания реальности, подобно тому, как Анаксимандр понял форму Земли, изменив грамматику понятий «верх» и «низ»61. Объекты описываются переменными, которые принимают значения при взаимодействии, и эти значения переменных определяются только по отношению ко взаимодействующим объектам, и никаким другим. Объект – это что-то, ничто и сто тысяч.
Мир дробится через разные точки зрения, из-за которых невозможен единый взгляд на него. Это мир перспектив, проявлений, а не мир сущностей с определенными свойствами и не мир однозначных фактов. Свойства «живут» не в объектах – это точки между объектами. Объекты таковы лишь в определенном контексте, то есть только по отношению к другим объектам, – это опоры, к которым крепятся мосты. Мир – это игра перспектив, подобная игре отражений, которые существуют только друг в друге.
На малых масштабах мы имеем этот странный легкий мир, где переменные относительны, а будущее не определяется настоящим. Этот призрачный квантовый мир и есть наш мир.