Ученых-физиков на такие формулировки побудило то, что известно как «проблема измерения». И проблема измерения – это краткий способ обозначить некоторые очень сложные и изощренные математические уравнения и определенные парадоксы, которые ими порождаются.
Сама же проблема касается такого рода дилеммы: математика КМ может определить с высокой точностью вероятность того, что определенное квантовое событие будет происходить в определенных условиях (в определенном месте или в определенное время), но она никогда не может в точности предсказать сами условия. Она может, например, сказать, что шансы обнаружить квантовую частицу в области А равны пятидесяти процентам, в области Б – тридцати процентам и в области В – двадцати процентам. Но она ни при каких условиях не может сделать утверждение о том, что данное конкретное событие точно произойдет в области А (учитывая вышеупомянутое вероятностное распределение). Таким образом, некое конкретное событие рассматривается не в качестве единичной сущности или события, а напротив – в качестве «тенденции к существованию», которую, в данном примере, можно было бы определить при помощи уравнения (или вероятностной амплитуды), по сути утверждающего: 50 % – А/30 % – Б/20 % – В.
Итак, удивительно то, что данное событие, когда оно происходит, действительно происходит только лишь в одной области. Это почти (но не совсем) похоже на то, как если бы использующий статистику исследователь попытался предсказать, через какую из трех дверей вы, скорее всего, войдете, и ввиду различных причин пришел бы к следующим выкладкам: вероятность 50 % – дверь А; вероятность 30 % – дверь Б; вероятность 20 % – дверь В. Он не может в точности предсказать, какая именно это будет дверь, он может лишь предложить вероятность в процентах. Но если вы в итоге проходите через какую-либо из дверей, то только лишь через одну, и дело не обстоит так, словно пятьдесят процентов вас проходят через дверь А, тридцать процентов – через дверь Б и двадцать процентов – через дверь В.
Однако ничего сверх этого данная аналогия не позволяет донести. У исследователя, использующего статистику, есть основания верить, что вы существуете еще до того, как пройдете через какую-либо из этих дверей (он, скажем, может выйти и посмотреть на вас). Однако ученый-физик не располагает подобными гарантиями в отношении своих квантовых частиц, поскольку он никоим образом не может посмотреть на частицу (в наших целях, которые не состоят в том, чтобы технически совершенно точно и детально описать данный вопрос, давайте просто скажем, что частица слишком мала, чтобы он мог ее разглядеть). Единственное, как он может взглянуть на частицу, это при помощи определенных инструментов, – то есть проведя некую процедуру измерения. Однако, чтобы измерить частицу, он должен, по сути, сделать так, чтобы она прошла через «двери» его инструментов. Тут-то и возникает проблема: чтобы обнаружить, что же находится за дверью, физик должен использовать эту дверь. Во всех случаях его явления можно зарегистрировать, только когда они проходят через различные двери, и уравнения, описывающие такие «проходы», это чисто вероятностные распределения: скажем, 50/30/20.
Физик, следовательно, сталкивается с концептуальной проблемой: до измерения все, что он может сказать о квантовом событии, заключается в том, что оно есть (не имеет, а именно есть) определенная тенденция к существованию (например, 50/30/20). Само событие, если его предоставить самому себе (не измерять), будет распространяться в «пространстве-времени» согласно волновой функции Шредингера, которая, если ее возвести в квадрат, дает вероятность обнаружения данного события в определенных условиях (50/30/20). Но прежде чем проведено непосредственное измерение, нет вообще никакого способа в точности узнать, в какой области появится частица. И все же, когда она наконец-то оказывается обнаружена, она происходит только в одной области (скажем, области Б), а не распределяется по всем трем «дверям». Это называется коллапсом вектора состояния, или волнового пакета, ведь, когда процедура измерения определяет, что частица находится в области Б, вероятность того, что она может находиться в А или В, коллапсирует к нулю. Коллапс вектора состояния означает, что данное событие перепрыгнуло из состояния «тенденции к существованию» (50 А/30 Б/20 В) в «реальное событие (Б)».
Следовательно, с этим связаны определенные проблемы. Служит ли само измерение «причиной» коллапса волнового пакета? Существует ли вообще действительная частица до того, как мы совершаем измерение? Если мы утверждаем, что она существует (что кажется соответствующим здравому смыслу), то как мы можем быть в этом уверены, ведь это невозможно проверить и наши математические уравнения, которые в остальных случаях в совершенстве описывают эту сферу, предлагают нам лишь вероятностное распределение 50/30/20? Если же мы отметем эти уравнения, то как мы можем отвергнуть тот факт, что в остальных случаях они столь хорошо работают?
В дополнение к огромному количеству философов, которые считают (и не без некоторых оснований), что то, что коллапсирует волновой пакет, является не разумом или материей, а плохой метафизикой, существует еще и ряд различных школ мысли, рассмотревших данную «проблему измерения» и предложенных самими физиками:
1. Копенгагенская интерпретация. Огромное количество физиков следуют данной школе, согласно которой считается, что коллапс волнового пакета, по существу, чисто случаен. Нет никакой необходимости его объяснять. Поскольку нет никакого способа заглянуть, что за дверью, то за дверью нет ничего.[139] КМ является завершенным объяснением в том виде, в каком она представлена, и нет необходимости или даже возможности «заглянуть за кулисы» квантовой реальности и попытаться выяснить, существует ли событие, или нет, до момента измерения. Справедливым будет сказать, что есть много веских, если не неоспоримых, причин для принятия этой точки зрения. Также следует сказать, как обычно и указывалось, что сам Эйнштейн резко отвергал данный взгляд (известно его восклицание: «Бог не играет в кости со вселенной!»), пусть все его возражения, направленные на данную интерпретацию, были блестящим образом парированы Бором и его коллегами – при помощи теорий самого же Эйнштейна. В то же время я повторяю, что это (и то, что последует далее) является образцом очень популяризованных объяснений. Однако в рамках данного предостережения можно сказать, что копенгагенская интерпретация утверждает, что вероятность 50/30/20 – это все, что мы можем знать, и все, что нужно знать; а то, через какую дверь проходит частица, происходит совершенно случайным образом.
2. Теории скрытой переменной. В данных теориях утверждается, что в действительности существуют конкретизируемые факторы, лежащие «за кулисами» процесса коллапсирования волнового пакета. Эти субквантовые процессы описываются как ныне скрытые переменные, но с возможностью, что они по прошествии времени окажутся технически доступны. Если выразиться очень обобщенно, данная теория утверждает, что квантовые события не чисто случайны и что частица проходит через определенную дверь по «скрытой» причине – причине, которая «известна» самой частице и которую мы должны суметь обнаружить. Бом со своими коллегами, который работает с квантовым потенциалом (и неявным порядком), принадлежит данной школе. Нередко сторонники этой школы прибегают к широко известной теореме Белла, дабы указать на очевидную нелокальную (не ограниченное локальной областью пространственной причинности) «передачу» информации между удаленными и изолированными областями пространства. Теорема Белла обычно интерпретируется следующим образом: если в остальных случаях КМ верна и если действительно существуют некоего рода скрытые переменные, тогда эти скрытые переменные являются нелокальными – чем-то вроде «мгновенной» причинности, не разделенной временем или пространством. Бом с коллегами считают это примером возможного неявного порядка; Сарфатти называет это примером «превышающей скорость света коммуникации»; другие же (такие как Эйнштейн) считают это нонсенсом.
3. Гипотеза множественности миров. Она предложена Эвереттом, Уилером и Грэхемом (ЭУГ). Согласно копенгагенской интерпретации (первой из приведенных здесь теорий), когда измеряется частица 50 А/30 Б/20 В и обнаруживается, что она наблюдается только в области Б, тогда две оставшиеся вероятности (А и В) коллапсируют: они просто не происходят (как, например, если вы подбросите монетку и она падает «орлом», то вероятность того, что мы увидим «решку», коллапсирует в ноль). Итак, согласно ЭУГ, все взаимоисключающие вероятности, содержащиеся в волновой функции, действительно происходят, но в различных ответвлениях вселенной. В момент, когда в данной вселенной частица попадает в Б, происходит ответвление двух других вселенных, в одной из которых частица попадает в А, а в другой – в В. Иначе говоря, когда я вижу, что монетка упала в этой вселенной одной стороной, я в тот же момент вижу, что она упала другой стороной, но в совершенно другой вселенной. Ни один из этих «я» не знает другого. В поддержку данной теории был развит очень сложный математический аппарат.
Когда слышишь подобную теорию, то можешь с симпатией отнестись к словам Франсуа Мориака: «То, что утверждает данный профессор, намного невероятнее того, во что верим мы, бедные христиане». Но реальный мой аргумент относится к очевидности того, что область, названная нами «новой физикой», крайне далека от консенсуса о природе субатомной реальности. Данный факт в конечном счете позволит нам прийти к ряду значимых выводов. Тем временем мы подходим к четвертой из основных теорий, порожденных «проблемой измерения».
4. Взаимосвязь материи и разума. Данная теория имеет множество разных форм, но в рамках нашего популярного изложения мы можем ограничиться тем, что в данной теории, в общем, утверждается следующее: если само измерение коллапсирует волновой пакет, тогда разве измерение в каком-то смысле не играет