Эйнштейн резко выступал против квантовомеханической идеи, что частица могла оказаться в определенном месте, когда ее наблюдают, но имела только некоторую вероятность оказаться в той или иной точке, когда не подвергалась наблюдению. «Физика есть попытка воспринять реальность такой, какова она есть, независимо от того, наблюдаем мы эту реальность, или нет»[161], – возражал он. В шутку он спрашивал, необходимо ли наблюдателю быть человеком, чтобы частица заняла определенное положение, или будет достаточно, если на нее случайно посмотрит, скажем, мышка.
ИСТОРИЯ ВСЕЛЕННОЙ ЗАВИСИТ ОТ ВОПРОСА, КОТОРЫЙ ВЫ ЕЙ ЗАДАЕТЕ.
Рис. 40. Нильс Бор и Альберт Эйнштейн на Шестом Сольвеевском Конгрессе в Брюсселе (Бельгия), 1930 г.
Вероятностная природа квантовой механики была для Эйнштейна сигналом неполноты теории. Он считал, что должен существовать более глубокий уровень описания, который давал бы объективное и адекватное представление физической реальности, безотносительно к каким-либо актам наблюдения. «[Квантовая] теория дает прекрасные результаты, но вряд ли делает нас ближе к разгадке Его секретов, – писал он Борну. – Как бы там ни было, я убежден, что Он не играет в кости»[162]. В противоположность Эйнштейну Нильс Бор, который был так же силен в философии, как и в математике, интуитивно был глубоко убежден, что квантовая механика непротиворечива. Бор серьезно принимал центральное положение квантовой теории: акт наблюдения – тот самый вопрос, который мы задаем Природе, – влияет на то, как именно Природа проявляет себя. Он придерживался принципа «никакое явление не является реальным, пока оно не станет наблюдаемым».
И вышло так, что на Пятом Сольвеевском конгрессе был сделан первый шаг в одном из величайших научных споров XX века: в споре Эйнштейна с Бором. Что было на кону? Судьба квантовой революции.
Один из аспектов их спора касался ключевого вопроса о причинности и детерминизме в физике. Квантовая механика со своими случайными скачками и вероятностными предсказаниями очевидным образом разрушает столь знакомую нам по классической физике прямую причинную связь между тем, где мы находимся сейчас и где мы окажемся в следующий момент. Является ли этот недостаток причинности и детерминизма в нашем описании Природы лишь временным техническим обстоятельством (позиция Эйнштейна) или фундаментально новым свойством физической теории (позиция Бора)?
Но дискуссия затрагивала и более глубокую онтологическую сторону квантовой механики. В ответ на возражения Эйнштейна Бор был вынужден прояснить, что именно побуждает волновые функции в квантовой механике переходить от туманных и смутных наложений различных реальностей к вполне определенной реальности ежедневного опыта. Мы не наблюдаем никаких наложений реальностей: экспериментаторы находят частицы либо здесь, либо там, но не здесь и там одновременно. Как же именно это происходит? Дерзкий ответ, который давала на этот вопрос копенгагенская школа Бора, заключался в том, что этот переход происходит из-за самого вторжения в реальность экспериментатора. Бор полагал, что сам акт измерения вынуждает Природу определиться и проявить ту или другую реальность. Когда мы измеряем, к примеру, положение частицы, мы воздействуем на нее – скажем, направляя на нее лазерный луч. Это воздействие, утверждал Бор, вызывает коллапс распределенной в пространстве волновой функции частицы, приводя ее к пику в единственном из ее бесчисленных возможных положений – в наблюдаемом. Выключим лазер – и волновая функция снова распространится повсюду, непрерывно и плавно изменяясь от точки к точке в соответствии с уравнением Шрёдингера, что я и описал в главе 3. Возвратимся к измерениям – и волновая функция частицы снова сконцентрируется в состояние с определенным положением.
Неувязкой схемы Бора было то, что эти внезапные коллапсы совершенно не согласуются с уравнением Шрёдингера. Волновые функции, которые подчиняются этому уравнению, не могут резко коллапсировать – они непрерывно колеблются, все время оставаясь гладкими и непрерывными. Получалось, что своей интерпретацией того, что происходит во время акта наблюдения, Бор приписывал наблюдателям и их измерениям особую роль, что совершенно не вписывалось в математические рамки теории.
Копенгагенская схема сводится к так называемой инструменталистской интерпретации квантовой теории. Она предполагает существование фундаментального расхождения между тем, что мы способны измерить нашими инструментами, и описываемой уравнениями физической реальностью. «Наши измерения имеют такое же отношение к тому, что они измеряют, какое телефонный номер имеет к его абоненту», – как однажды выразился по поводу копенгагенской схемы Эддингтон[163]. Но такой инструменталистский подход создает глубокую эпистемологическую проблему – что же тогда в действительности описывает квантовая механика? Копенгагенская интерпретация на эту загадку никакого света не проливает. По сути, она стремится вообще уклониться от этого вопроса, настаивая на четком разделении между квантовым миром атомов и субатомных частиц – миром, управляемым уравнением Шрёдингера, – и внешней фоновой реальностью, в которой находятся макроскопические экспериментаторы со своими приборами, да и вся остальная Вселенная, подчиняющаяся классическим законам. Коллапс волновой функции в ходе «акта измерения» был мостиком, который Бор перебрасывал между этими двумя обособленными мирами, – примерно так же, как антропный принцип позволяет выбрать островную вселенную в мультивселенной. Обе эти операции были предназначены для связи объективного математического формализма с физическим миром наших наблюдений – но обе не сработали, потому что создаваемые ими соединительные арки оставались внешними по отношению к структуре теорий, которые эти операции призваны были завершить.
Бор и Эйнштейн много лет оттачивали свои аргументы в этом споре, но так никогда и не пришли к согласию. Подводя его итог, мы высоко ценим глубокую идею Бора о том, что процесс наблюдения играет ключевую роль в обуславливании физических явлений в квантовой Вселенной. С другой стороны, его описание этого процесса в терминах резкого коллапса волновой функции глубоко несостоятельно. Сегодня все говорит за то, что математический аппарат Шрёдингера приложим не только к микроскопическим коллективам из нескольких частиц, но и к гораздо более крупным конгломератам, составляющим макроскопические системы, – включая лаборатории, наблюдателей и в конечном счете Вселенную в целом. Следовательно, Эйнштейн был прав, когда его не убеждала схема Бора. Он, однако, ошибался, пытаясь осуществить мечту об альтернативной физической теории, основанной на предсказательной схеме, которая бы снова сделала акт наблюдений принципиально несущественным.
Выход из этого тупика в конце концов нашелся – в результате тщательно выполненного включения акта наблюдения в математический формализм квантовой теории. Этот синтез вывел квантовую механику гораздо дальше даже того, что предвидел Нильс Бор. Именно к этому мы теперь и переходим.
Все началось с выполненной в середине 1950-х блестящей работы Хью Эверетта III, студента Джона Уилера. Сначала он занимался теорией игр, но после того, как услышал доклад Эйнштейна о квантовом измерении, заинтересовался этой проблемой. Эверетт разрушил стену, воздвигнутую Бором между квантовым микромиром и классическим макромиром. Его ключевая идея состояла в том, чтобы принять всерьез математический аппарат квантовой механики и применить его ко всему. Допустим, предположил он, что никакого коллапса нет, а есть лишь единая универсальная волновая функция, включающая наблюдателей и все остальное, гладко и непрерывно эволюционирующая и в процессе своей эволюции проходящая, в духе Фейнмана, все возможные пути своей истории. То есть Эверетт сделал грандиозный шаг: начал думать о квантовом мире изнутри, как о замкнутой системе, без какого-либо вмешательства извне. Эту точку зрения иллюстрирует рис. 41, на котором кот Шрёдингера, наблюдатель и вся его лаборатория помещены в один большой ящик.
Рис. 41. Эверетт увидел Вселенную как закрытую квантовую систему, нечто вроде большого ящика, содержащего не только частицы и эксперименты, но и наблюдателей, их оборудование и, в принципе, все остальное. Показанные на рисунке возможные истории этой «вселенной в ящике» включают различные варианты: решил ли наблюдатель посмотреть, как поживает кот, когда именно он решил это сделать, распалось ли уже к этому моменту радиоактивное ядро, как эта ситуация была зарегистрирована и как ее интерпретировал мозг наблюдателя, и т. д., и т. п. Эверетт искал такую формулировку квантовой механики, которая предсказывала бы вероятности различных историй происходящего в ящике, но без каких-либо наблюдений извне или другого внешнего вмешательства.
Перед Эвереттом, таким образом, встала труднейшая задача: объяснить, как в ситуации измерения универсальная волновая функция приводит к определенному конкретному ответу, в то же время избегая коллапса. И здесь его рассуждения становятся невероятно интересными – и одновременно шокирующими.
Эверетт тщательно продумал вопрос о том, что в действительности составляет акт квантового наблюдения. Когда экспериментаторы выполняют измерение, рассуждал он, их взаимодействие с измеряемой системой вовлекает в себя – «запутывает» с квантовым состоянием системы – сначала несколько частиц, потом измерительное оборудование и, наконец, их собственное ментальное состояние. Однако это запутывание не приводит, как утверждал Бор, их объединенную волновую функцию таинственным образом к коллапсу; напротив, в соответствии с уравнением Шрёдингера оно вызывает ее разветвление на отдельные волновые фрагменты, по одному на каждый из различных возможных исходов измерения. Таким образом, рассуждая в терминах универсальной волновой функции, которая охватывает как наблюдателя, так и то, что он наблюдает, Эверетт сумел сохранить возможность реализации всех потенциальных исходов измерения. Это, конечно, означало и то, что наблюдатель тоже должен был расщепиться на почти идентичные копии самого себя – по копии в каждой ветви, отличающейся только записанными в ней результатами измерений.