Теперь пора увеличить масштаб и посмотреть, как броуновская случайность влияет на поведение. Допустим, некий организм – скажем, рыбка – ищет пищу. Как сделать поиски максимально эффективными? Если еды много, рыбка совершает короткие вылазки, не удаляясь от изобилующего пищей участка[197]. Но если пищи мало и встречается она редко, самый эффективный способ наткнуться на что-то съедобное – переключиться на случайный, броуновский паттерн кормовых вылазок, называемый «прогулками Леви». Так что, если вы единственное готовое блюдо посреди океана, хищник, который вами закусит, скорее всего, доберется до вас «прогулкой Леви». Логично, что многие виды-жертвы, спасаясь от хищников, двигаются беспорядочно и непредсказуемо. Та же математика описывает поведение другого хищника, преследующего добычу, – это лейкоцит в поисках патогена. Если он находится посреди скопления патогенов, то совершает такие же короткие вылазки, как и косатка, пирующая посреди стаи тюленей. Но если патоген редок, лейкоцит переходит к стратегии беспорядочной охоты и совершает «прогулки Леви» – в точности как косатка. Что может быть круче биологии!{232}
Подводя итог, можно сказать, что мир полон примеров недетерминированного броуновского движения, а разные биологические явления эволюционировали, чтобы оптимально использовать варианты этой случайности. Мы что, говорим о свободе воли?[198] Прежде чем ответить на этот вопрос, нужно взглянуть в лицо неизбежному и разобраться с матерью всех теорий{233}.
Приступим. Классическая картина физического устройства Вселенной, авторство которой неизменно приписывается Ньютону, полетела вверх тормашками в начале ХХ в., с приходом революции квантовой неопределенности, и с тех пор уже все было не так, как раньше. Субатомный мир оказался до невозможности странным и до сих пор не поддается окончательному объяснению. Здесь я кратко расскажу об открытиях, которые для верующих в свободу воли особенно актуальны.
Начало самым фундаментальным странностям положил умопомрачительный эпохальный эксперимент с двойной щелью, который еще в 1801 г. провел Томас Юнг (еще один полимат, который в свободное от занятий физикой и выяснения биологических основ цветового зрения время помог расшифровать Розеттский камень). Направьте пучок света на непрозрачный барьер с двумя вертикальными прорезями в нем. За барьером расположите экран, на который падает свет. Вы увидите, что свет проходит сквозь две щели как волна. Как это удалось понять? Если из каждой щели исходит по волне, волны накладываются друг на друга, то есть интерферируют. Заметить интерференцию можно по характерному ее признаку: когда друг на друга накладываются гребни двух волн, сигнал получается очень сильный; когда же сходятся их подошвы, случается противоположное; когда встречаются гребень и подошва, они друг друга гасят. Серферы меня поймут.
Итак, свет распространяется как волна – это знают все. Направьте пучок электронов на барьер с двойной щелью, и вы получите ту же картину – волновую функцию. А теперь стреляйте электронами по одному за раз, регистрируя, в каком месте частица ударяется в экран детектора, и окажется, что отдельный электрон, одна-единственная частица, тоже распространяется как волна. Да, одиночный электрон проходит через обе щели одновременно. Он находится в двух местах сразу.
Оказалось, что это не просто два места. Точное местоположение электрона не детерминировано, вероятностно распределено по целому облаку локаций одновременно – это называют суперпозицией.
Рассказывая об этом, дальше обычно говорят что-то вроде: «Здесь все становится странным» – как если бы тот факт, что одна-единственная частица может находиться в нескольких местах одновременно, – это еще не странно. Здесь все становится еще более странным. Вмонтируйте в барьер с двойной щелью регистрирующее устройство, способное зафиксировать прохождение электрона. Вы уже знаете, что должно произойти – отдельные электроны будут проходить сквозь обе щели одновременно, как волна. Но нет; теперь каждый из них проходит или через одну щель, или через другую – случайным образом. Сам процесс измерения, регистрации того, что происходит на барьере с двойной щелью, заставляет электроны (и, как выяснилось, пучки света, состоящие из фотонов) перестать вести себя как волна. Волновая функция коллапсирует, и каждый электрон проходит через двойную щель как отдельная частица.
Итак, электроны и фотоны демонстрируют корпускулярно-волновой дуализм, а процесс измерения превращает волны в частицы. Теперь измерьте свойства электрона после того, как он пройдет сквозь щели, но до того, как ударится об экран детектора и каждый электрон пройдет через одну из щелей как отдельная частица. Электрон «знает», что его собираются измерить, что приводит к коллапсу его волновой функции. Почему процесс измерения приводит к коллапсу волновых функций – так называемой проблеме измерения, – остается загадкой{234}.
(На мгновение забегая вперед, скажем, что уже можно догадаться, каким нью-эйджевски оккультным все может стать, если предположить, что и макромир – большие штуки вроде вас – работает таким же образом. Вы можете находиться в нескольких местах одновременно; вы не что иное, как потенциал. Наблюдение меняет объект наблюдения[199]; ваш разум может изменить окружающую реальность. Ваш разум может определить ваше будущее. Да что там, ваш разум может даже изменить прошлое! Еще больше бессмыслицы впереди.)
И вот вам основное следствие корпускулярно-волнового дуализма: когда электрон движется мимо какой-нибудь точки в виде волны, вы можете узнать его импульс (скорость), но никак не сможете определить его точное местонахождение, поскольку он находится везде. А когда волновая функция коллапсирует, вы можете определить, где частица находится, но не можете узнать ее импульс, потому что процесс измерения все меняет. Да, это принцип неопределенности Гейзенберга[200].
Невозможность знать и местоположение, и импульс одновременно, факт суперпозиции и нахождения в нескольких местах сразу, невозможность определить, через какую щель пройдет электрон, когда волна превратится в частицу, – все это привносит во Вселенную фундаментальный индетерминизм. Эйнштейн, несмотря на то что сам подорвал основы редуктивного, детерминированного мира ньютоновской физики, терпеть не мог этот новый тип индетерминизма, заявив, как известно, что «Бог не играет со Вселенной в кости». Это положило начало разнообразной доморощенной физике, пытающейся в том или ином виде протащить детерминизм через черный ход. По версии Эйнштейна, система на самом деле детерминирована благодаря некоему еще не открытому фактору/факторам и все вернется на круги своя и вновь обретет смысл, как только эту «скрытую переменную» обнаружат. Еще одна попытка того же рода – туманнейшая идея «множественности миров», которая утверждает, что волны на самом деле не коллапсируют; вместо этого они продолжаются в бесконечном множестве других вселенных, составляющих полностью детерминированный мир/миры, и волна кажется частицей, только если смотреть на нее из одной вселенной. Вроде как… Мне кажется, что уловка со скрытой переменной импонирует большинству скептиков. Однако большинство физиков принимают индетерминистскую картину квантовой механики – известную как копенгагенская интерпретация (поскольку ее отстаивал копенгагенец Нильс Бор). Он говорил: «Кто не шокирован квантовой теорией, тот ее, скорее всего, не понял»[201]{235}.
Следующая странность[202]. Две частицы (скажем, два электрона на разных электронных оболочках атома) могут стать «запутанными», когда их свойства (такие как направление спина) связаны и полностью коррелируют. Эта корреляция всегда отрицательная – если один электрон вращается в одну сторону, связанный с ним электрон вращается в другую. Фред Астер делает шаг вперед левой ногой, Джинджер Роджерс делает правой шаг назад.
Но это еще не вся странность. Для начала два запутанных электрона не обязательно должны принадлежать одному атому. Они могут находиться на расстоянии нескольких атомов друг от друга. С этим мы еще готовы смириться. Но, как выяснилось, их может разделять гораздо большее расстояние. Современный рекорд – частицы, находящиеся на расстоянии почти 900 миль одна от другой: на двух наземных станциях, связанных квантовым спутником[203]. Более того, если изменить свойства одной частицы, то изменится и другая, что подразумевает нелокальную причинно-следственную связь. Не существует теоретического предела для расстояния, разделяющего запутанные частицы. Электрон в Крабовидной туманности в созвездии Тельца может быть запутан с электроном в кусочке брокколи, застрявшем у вас в зубах. И что самое странное, при изменении состояния одной частицы состояние связанной с ней частицы изменяется моментально[204], а это значит, что брокколи и Крабовидная туманность влияют друг на друга со скоростью, превышающей скорость света{236}.
Эйнштейн был не в восторге (и окрестил феномен саркастическим немецким эквивалентом слова