Если вы исследователь основ квантовой механики, то важность теоремы Белла для вашей работы зависит от того, что именно вы пытаетесь сделать. Если вы посвятили себя задаче изобрести новую версию квантовой механики с нуля, в которой измерения действительно имеют определенные результаты, то неравенство Белла – самый важный ориентир, о котором вам стоит помнить. С другой стороны, если вас устраивает многомировая интерпретация и вы пытаетесь разгадать, как эта теория проецируется на наблюдаемые нами феномены, то результат неравенства Белла непосредственно проистекает из базовых уравнений, а не является еще одним ограничением, о котором вам стоит беспокоиться.
Одна из самых потрясающих сторон теоремы Белла заключается в том, что она превращает предполагаемую «жуткость» квантовой запутанности в прямой экспериментальный вопрос – проявляет ли природа однозначно нелокальные корреляции между сильно удаленными частицами или нет? Думаю, вы будете рады услышать, что соответствующие эксперименты уже проводились и прогнозы квантовой механики блестяще подтверждались в каждом из них. В популярных СМИ любят захватывающие дух заголовки вроде: «Квантовая реальность оказалась причудливее, чем считалось ранее!». Но если вы внимательно прочтете подобную статью, то окажется, что был проведен еще один эксперимент, в точности подтвердивший прогнозы квантовой механики, опирающейся на теорию, которая была сформулирована еще в 1927-м или, самое позднее, в 1935 году. Сейчас мы понимаем квантовую механику несравнимо лучше, чем тогда, но сама теория не изменилась.
В данном случае я не хочу сказать, что эксперименты не важны или не впечатляют, – и важны, и впечатляют. Проблема при проверке прогнозов Белла заключается, например, в следующем: мы пытаемся убедиться, что дополнительные корреляции, прогнозируемые квантовой механикой, не могут объясняться какими-то хитрыми классическими корреляциями, известными ранее. Откуда нам знать, не повлияло ли какое-то скрытое событие из прошлого на то, как мы решим измерить наш спин, или на то, каков будет результат измерения, или и на то и на другое сразу?
Физики проделали большой путь, чтобы исключить такие возможности, и выполнение «тестов Белла без всяких лазеек» превратилось в целое ремесло. Так, недавно был получен результат, призванный исключить возможность какого-либо неизвестного процесса в лаборатории влиять на способ измерения спина. Поэтому выбор эксперимента не доверили ни лаборанту, ни человеку за соседним столом, который мог бы воспользоваться генератором случайных чисел: его выбирали в зависимости от поляризации фотонов, излученных звездами, находящимися на расстоянии многих световых лет от нас. Если и имел место какой-то гнусный заговор с целью выставить мир полностью квантовомеханическим, то он должен был состояться сотни лет назад, когда эти фотоны только начинали свой путь. Такое возможно, но маловероятно.
Похоже, что квантовая механика вновь оказалась права. До сих пор квантовая механика всегда оказывалась права.
Часть IIРасщепление
6Расщепление ВселеннойДекогеренция и параллельные миры
Вышедшая в 1935 году статья о квантовой запутанности под авторством Эйнштейна, Подольского и Розена (ЭПР) и реакция на нее Нильса Бора были последними громкими отзвуками в серии дебатов Бора и Эйнштейна об основах квантовой механики. Эти двое начали переписываться по поводу квантовой механики вскоре после того, как в 1913 году Бор предложил свою концепцию квантованных орбит электронов, а кульминации их спор достиг в 1927 году на Сольвеевском конгрессе. Согласно популярной версии событий, у Эйнштейна были некоторые возражения относительно быстро набирающего силу Копенгагенского консенсуса, и он изложил их Бору на семинаре. Весь вечер Бор провел за обдумыванием этих возражений, а потом за завтраком триумфально парировал их перед пристыженным Эйнштейном. Нам говорят, что Эйнштейн просто не cмог примириться с принципом неопределенности, и вспоминают его афоризм о том, что Бог не играет в кости.
На самом деле все было не так. Эйнштейна беспокоила прежде всего не случайность, а реализм и локальность. Его решимость спасти эти принципы достигла кульминации в статье ЭПР и в заявлении о том, что квантовая механика, должно быть, неполна. Однако к тому моменту он уже проиграл битву на пиар-фронте: физики во всем мире приняли копенгагенскую интерпретацию квантовой механики, стали использовать ее для решения технических задач в атомной и ядерной физике, а также в зарождающихся дисциплинах физики частиц и квантовой теории поля. Следствия из статьи ЭПР как таковой были в основном проигнорированы физическим сообществом. Попытки бороться с нестыковками в самом сердце квантовой теории, а не работа над более насущными физическими проблемами стали восприниматься как дело несколько эксцентричное. Занятие, которому могут посвятить себя некогда продуктивные физики, достигшие почтенного возраста и готовые отойти от серьезных дел.
В 1933 году Эйнштейн покинул Германию и поступил на работу в только что образованный Институт перспективных исследований в Принстоне, штат Нью-Джерси, где и провел всю оставшуюся жизнь до 1955 года. После 1935 года его исследования были в основном сосредоточены на общей теории относительности и поисках единой теории гравитации и электромагнетизма, но он никогда не переставал думать о квантовой механике. Время от времени Бор посещал Принстон, и они с Эйнштейном возвращались к своим беседам.
Джон Арчибальд Уилер поступил на работу на физический факультет Принстонского университета в качестве ассистента профессора в 1934 году. Корпус факультета располагался на одной улице с институтом Эйнштейна. Позже Уилер прославился как один из крупнейших в мире экспертов по общей теории относительности – именно он популяризовал термины «черная дыра» и «червоточина». Но в начале карьеры он сосредоточился на изучении квантовых проблем. В течение недолгого времени он учился в Копенгагене у Бора, а в 1939 году он в соавторстве с Бором опубликовал одну из первых статей, посвященных делению ядра. Уилер восхищался Эйнштейном, но Бора он почитал. Как он выразился впоследствии: «Ничто так не убедило меня в том, что в человеческом роду есть представители, сравнимые своей мудростью с Конфуцием и Буддой, Иисусом и Периклом, Эразмом и Линкольном, как прогулки и разговоры в тени берез в лесу Клампенборг в обществе Нильса Бора».
Вклад Уилера в физику является весьма многосторонним. В частности, он был наставником талантливых аспирантов, среди которых оказались будущие нобелевские лауреаты Ричард Фейнман и Кип Торн. Был среди его учеников и Хью Эверетт III, предложивший радикально новый подход к пониманию основ квантовой механики. Мы уже вкратце охарактеризовали его основную идею: волновая функция есть отражение реальности, она гладко и непрерывно эволюционирует, и в момент квантового измерения эта эволюция приводит к возникновению множества отдельных миров, – но теперь у нас есть инструментарий, позволяющий сделать это правильно.
Гипотеза Эверетта, которая в результате легла в основу его диссертации, защищенной в 1957 году в Принстоне, может считаться чистейшим воплощением одного из любимых принципов Уилера, согласно которому теоретическая физика должна быть «радикально консервативной». Идея Уилера состоит в том, что успешной может считаться лишь такая физическая теория, которая подтверждена экспериментальными данными, но только в режимах, которые достижимы при постановке эксперимента. Под консервативностью понимается то, что нужно исходить из тех теорий и принципов, успешность которых уже доказана, а не вводить произвольно какие-то новые подходы там, где встречаются новые феномены. Теория также должна быть радикальной в том смысле, что прогнозы и следствия наших теорий должны всерьез восприниматься и в режимах далеко за пределами тех, что использовались в экспериментах. Фразы «нужно исходить» и «всерьез восприниматься» здесь крайне важны: конечно, новые теории оправданы, когда старые явно противоречат полученным данным, и тот факт, что прогноз воспринимается всерьез, не означает, что его не следует пересматривать в свете новой информации. Но философия Уилера заключалась в том, что начинать нужно осмотрительно, взяв за основу те аспекты природы, которые, как нам кажется, мы понимаем, а затем действовать смело, экстраполируя наши лучшие идеи до самых дальних закоулков Вселенной.
Отчасти Эверетта вдохновляли поиски квантовой гравитации, которой незадолго до этого заинтересовался Уилер. Остальная часть физики – материя, электромагнетизм, ядерные взаимодействия, – кажется, вполне укладывается в рамки квантовой механики. Но гравитация была (и остается) упрямым исключением. В 1915 году Эйнштейн предложил общую теорию относительности, согласно которой само пространство-время является динамической сущностью, чьи изгибы и искривления мы воспринимаем как силу гравитации. Но общая теория относительности – целиком классическая, в ней есть аналоги координаты и импульса для кривизны пространства-времени, и нет никаких ограничений для их измерения. Оказалось, что взять эту теорию и «проквантовать» ее, то есть создать теорию волновых функций пространства-времени, в противовес классическим представлениям о пространстве-времени, довольно сложно.
Хью Эверетт III (фото публикуется с разрешения архива Хью Эверетта III в Калифорнийском университете, Ирвайн, и Марка Эверетта)
С квантовой гравитацией связаны как технические сложности – вычисления обычно разбухают и приводят к огромным значениям в ответе, – так и концептуальные. Даже в квантовой механике, в которой бывает невозможно указать, где именно находится заданная частица, понятие «точки в пространстве» является совершенно определенным. Можно указать конкретное местоположение и поставить вопрос, какова вероятность найти частицу поблизости. Но если реальность состоит не из материи, распределенной в пространстве, а представляет собой квантовую волновую функцию, описывающую суперпозиции различных возможных пространств-времен, то как мы вообще можем спросить, «где» наблюдается конкретная частица?