Эта точка зрения нашла отражения в часто цитируемой интерпретации «заткнись и считай», которая гласит, что, раз уж доказано (по крайней мере, пока), что верную интерпретацию найти невозможно, разговаривать о ней – пустая трата времени. Пускай этими вопросами занимаются философы, а физики пока продолжат использовать квантовомеханический формализм для изучения природы.
Более полувека ведущие физики ломали головы над проблемами интерпретации. Они утверждали, что квантовая механика уникальна среди научных теорий, потому что, обладая огромной предсказательной силой, толковать она по определению может лишь результаты измерений. Только это и должно нас волновать – переживать о необходимости для продвижения вперед единственной интерпретации нам не стоит. Такой прагматичный, или «инструменталистский», подход основан на философии «логического позитивизма», которая была популярна в Европе в период зарождения квантовой механики. Само собой, мне не хочется отклоняться от физики и уходить в философию, но все же я вкратце опишу суть этого подхода: если два человека придерживаются разных мнений, но при этом не могут разрешить свой спор при помощи эмпирических фактов, то в их противоречивых заявлениях нет никакого смысла – лучше им пойти и выпить пива.
Какова моя позиция по этому вопросу? Я придерживаюсь подхода, который называю «заткнись, пока считаешь». Он дает мне свободу размышлять о достоинствах различных интерпретаций квантовой механики, когда я не думаю о греческих буквах, не пишу компьютерный код и не царапаю мелом на доске алгебраические формулы. К несчастью, я мечусь уже почти двадцать лет, но так и не выбрал лучшую для себя интерпретацию. Я бы сказал, что квантовая механика позволяет нам свободно коммуницировать с природой посредством понятных правил математической грамматики, однако нам до сих пор не хватает единого перевода этой коммуникации на язык слов!
При этом я должен признать, что, как и большинство других физиков, я отягощен наследием Бора и так называемой стандартной интерпретацией квантовой механики. Эта интерпретация фигурирует в учебниках квантовой физики и преподается студентам-физикам, как будто она представляет собой единственное доступное пониманию объяснение того, что происходит, хотя в последние годы этот подход и подвержен изменениям. В его защиту говорит то, что он представляет собой самую простую интерпретацию. Это настоящий инструмент прагматика – он дает способы проведения расчетов в квантовой механике и называется просто копенгагенской интерпретацией. К сожалению, он обходит стороной целый ряд самых глубоких загадок квантового мира и просто оставляет многое за скобками. Однако под общим названием скрывается целый спектр различных точек зрения, выстроенных на одной основе.
Чтобы вы поняли, насколько широко распространена копенгагенская интерпретация, я скажу, что многие положения, уже упоминавшиеся на страницах этой книги, не входят в альтернативные, в равной степени верные интерпретации. К примеру, я подробно остановился на том, что волновая функция представляет собой не реальную физическую сущность, а просто набор чисел, которые позволяют нам делать предсказания по поводу исхода измерений. Об этом говорит только копенгагенская интерпретация, в то время как остальные точки зрения, с которыми вам еще предстоит познакомиться, считают волновую функцию физически реальной. Что еще удивительнее, мне не нужно было настаивать, что в фокусе с двумя прорезями атом должен «каким-то образом» пройти сквозь обе прорези одновременно. Как выясняется, к этому выводу нас не подталкивает ни квантовый формализм, ни экспериментальное наблюдение. В интерпретации де Бройля – Бома мы увидим, что вполне разумно предположить, будто атом прошел либо сквозь одну, либо сквозь другую прорезь, но на выходе при этом все равно получить картину интерференции!
Первым делом давайте внимательнее познакомимся с тем, на чем настаивал Бор и продолжают настаивать многие поколения физиков, называющих себя его последователями.
Копенгагенская интерпретация
Копенгагенский подход представляет собой скорее не интерпретацию научной теории, а идеологию или философское учение. С ней согласны не все физики. На самом деле даже утверждалось[38], что:
«Копенгагенская интерпретация представляет собой не единый, четко определенный и недвусмысленно описанный набор идей, а общий знаменатель для различных точек зрения».
Она была разработана в процессе дискуссий, которые велись во второй половине 1920-х годов между Нильсом Бором и группой блестящих молодых гениев, собранных им в собственном новом институте в Копенгагене. Самым заметным из них был уже знакомый вам Вернер Гейзенберг. Основным вкладом Гейзенберга в физику стала альтернативная волновому уравнению Шрёдингера формулировка квантовой механики, которую стали называть матричной механикой. Я не описывал этот подход, так как в нем задействована сложная математика, однако многие практикующие в сфере квантовой физики исследователи предпочитают именно его, считая его более элегантной и действенной техникой, чем подход Шрёдингера. Часты и случаи, когда требуется комбинация двух этих подходов.
В разработке копенгагенской интерпретации принимали участие и другие ученые, в частности Макс Борн, который первым предложил вероятностную интерпретацию волновой функции. Впоследствии ведущие физики, включая американца Джона Уилера, расширили и прояснили многие идеи Бора. Но в целом копенгагенскую интерпретацию следует считать детищем самого Бора.
Копенгагенское объяснение: так как мы не можем узнать, что происходит за квантовым занавесом, не влияя при этом на результаты, задаваться этим вопросом бесполезно – обсуждать нужно лишь наблюдаемое.
Примечательно, что физики и по сей день остаются высокого мнения о взглядах Бора, сформулированных на три четверти века раньше. Лучше всего это описал физик Роланд Омне (один из авторов идеи декогеренции)[39]:
«Обыкновенно физическая теория представляется в достаточно точном и последовательном виде, поэтому никому не кажется необходимым цитировать тех, кто стоял у ее истоков; их последователи скорее стараются поддерживать изначальный дух и посыл. Вопреки этому разумному обычаю, самые полные книги о копенгагенской интерпретации являются перепечатками оригинальных статей и последующих комментариев и с течением времени и вовсе превращаются в комментарии комментариев. В них много внимания уделяется бесконечному обсуждению сложностей, с которыми сталкивается интерпретация, причем зачастую на страницах приводятся аргументы, где философия науки становится важнее собственно физики».
Само собой, это ни в коей мере не должно принижать заслуги и гений Бора, однако при изложении собственных идей ему действительно недоставало ясности. Это привело к появлению множества интерпретаций его интерпретации… если вы понимаете, о чем я.
Впрочем, существует ряд общих идей, которые встречаются во всех многочисленных и порой противоречащих друг другу версиях копенгагенской интерпретации.
Прежде всего, она гласит, что мы не можем описать квантовую систему отдельно от измерительного аппарата. В отсутствие измерительного устройства спрашивать о состоянии системы бессмысленно, поскольку узнать что-либо о системе мы можем, только вынудив ее взаимодействовать с устройством, которое мы используем для наблюдения за нею.
Далее, наблюдатель играет важнейшую роль. Так как мы вольны выбирать, какое измерение провести (узнать положение или импульс частицы, направление поляризации фотона или спин электрона), нельзя сказать, что квантовая сущность вообще обладает этими определенными характеристиками, пока мы не установим за ней наблюдение. Она должна оставаться в суперпозиции, пока мы не решим, что хотим измерить. В этом отношении определенные свойства квантовой системы соотносятся с реальностью лишь непосредственно в момент измерения. До этого нельзя считать их даже существующими в классическом смысле, пока мы их не измерим. Реальны лишь результаты измерений!
Нужна ли теории интерпретация?
Представление о том, что научная теория вполне может иметь более одной интерпретации, при условии что их предсказания не различаются, вероятно, характерно лишь для квантовой механики. Сравнив эту ситуацию с другими выдающимися достижениями XX века, можно провести интересную параллель.
В 1905 году, всего через несколько месяцев после публикации статьи о фотоэлектрическом эффекте, за которую он впоследствии удостоился Нобелевской премии, Эйнштейн завершил свою самую знаменитую работу – специальную теорию относительности. Она гласила, что различные наблюдатели, движущиеся относительно друг друга, будут иметь разное представление о расстоянии и временных интервалах между двумя событиями. Так как никто не вправе претендовать на главенство собственной системы отсчета, представление об абсолютных длинах и временных интервалах пропадает. Это можно понять, только объединив идеи пространства и времени. Следовательно, два наблюдателя, движущихся на высокой скорости относительно друг друга, будут по-разному оценивать длину объекта. Это в некотором роде уравновешивается тем, что измеренное их часами время между двумя событиями тоже будет разным.
Измеренные двумя наблюдателями расстояния между двумя точками и временные интервалы связаны друг с другом посредством набора алгебраических формул, называемых преобразованиями Лоренца по имени голландца Хендрика Лоренца, который первым записал их за год до публикации работы Эйнштейна. Значительная часть подготовительной работы к теории относительности действительно была проведена еще до Эйнштейна, и в 1890-х годах Лоренц и ирландский физик Джордж Фицджеральд независимо друг от друга предложили ранние формы этих преобразований, чтобы объяснить известный эксперимент, который показал, что свет может проходить сквозь пустое пространство.