Читать книгу "Гельголанд. Красивая и странная квантовая физика - Карло Ровелли"

том, что и я – Карло – тоже представляю собой сущность, описываемую волновой функцией ψ. Когда я наблюдаю кота, то моя волновая функция ψ взаимодействует с волновой функцией кота и тоже разделяется на две составляющие: одна представляет вариант меня, который видит бодрствующего кота, а другая – версию меня же, которая видит спящего кота. И обе в рамках предлагаемой картины мира являются реальными.

Таким образом, совокупная волновая функция ψ состоит из двух составляющих – двух «миров». Мир разветвился на «два мира»: один, в котором кот бодрствует и Карло видит бодрствующего кота, и другой, в котором кот спит и Карло видит спящего кота. Итак, теперь у нас два Карло – по одному в каждом мире.

Почему я теперь вижу, например, только бодрствующего кота? Ответ состоит в том, что сейчас я являю собой лишь одного из двух Карло. В столь же реальном и конкретном параллельном мире копия меня видит спящего кота. Вот почему кот может быть одновременно бодрствующим и спящим, но если я на него взгляну, то увижу что-то одно – потому что, взглянув на него, я также раздвоюсь.

Поскольку волновая функция Карло ψ постоянно взаимодействует не только с котом, но также и с бесчисленным количеством других систем, то отсюда следует наличие бесконечного количества других параллельных миров, которые одинаково существуют, одинаково реальны и в которых существует бесконечное множество копий меня, которые производят опыты со всеми возможными альтернативными реальностями. В этом состоит теория множественных миров.

Идея выглядит безумной? Так и есть.

И тем не менее выдающиеся физики и философы считают это лучшей из возможных интерпретаций квантовой теории43. Безумны не они, а эта невероятная теория, которая так замечательно работает уже на протяжении целого столетия.

Но неужели, чтобы выйти из тумана, надо предположить конкретное и реальное существование бесконечного числа ненаблюдаемых для нас копий нас самих, скрытых внутри гигантской универсальной волновой функции ψ?

Я вижу еще и другую трудность в этой интерпретации. Исполинская универсальная волновая функция ψ, содержащая в себе все миры, напоминает черную ночь Гегеля, в которой все коровы черные: сама по себе она не дает представления о наблюдаемой нами феноменологической реальности44. Для описания наблюдаемых явлений служат другие математические составляющие, а не волновая функция ψ, и многомировая интерпретация не объясняет их.

Скрытые переменные

Есть еще один способ избежать бесконечного размножения миров и наших собственных копий. Такую возможность дает группа так называемых теорий «со скрытыми переменными». Идею лучшей из них подсказал де Бройль, выдвинувший концепцию волн вещества, а сама теория была разработана Дэвидом Бомом.

Дэвид Бом был американским ученым, у которого была трудная жизнь оттого, что он был коммунистом с не подходящей для этого стороны железного занавеса. В эпоху маккартизма он был под следствием, а в 1949 году – арестован и пробыл небольшое время в заключении, после чего был освобожден, но его все равно уволили из Принстонского университета. Бом был вынужден эмигрировать в Южную Америку, где американское посольство изъяло у него паспорт из опасений, что он отправится в Советский Союз…

Теория Бома проста: волновая функция ψ электрона – это реальная сущность, как и в случае многомировой интерпретации, но помимо волновой функции существует также и собственно электрон – реальная материальная частица, у которой в любой момент есть определенное положение. Таким образом, разрешается проблема связи теории с наблюдаемыми явлениями. Речь идет о единственном и однозначном положении, как в классической механике, и никакой «квантовой суперпозиции». Волновая функция ψ изменяется в соответствии с уравнением Шредингера, в то время как реальный электрон движется в физическом пространстве, направляемый волновой функцией ψ. Бом исследовал уравнение, описывающее, каким образом волновая функция ψ может реально «направлять» электрон45.

Идея блестящая: интерференционные явления определяются волновой функцией ψ, которая направляет объекты, но сами объекты при этом не находятся в состоянии квантовой суперпозиции. Они в любой момент находятся в определенном точно заданном положении. Кот или бодрствует, или спит. Но его волновая функция ψ состоит из обеих составляющих: одной, соответствующей реальному коту, – и второй, представляющей собой «пустую» волну без реального кота, но эта пустая волна может порождать интерференцию с реальным котом.

Вот почему мы видим кота или бодрствующим, или спящим, и при этом все же наблюдаются интерференционные эффекты: кот, конечно же, находится в одном-единственном состоянии, но при этом во втором состоянии находится часть его волновой функции, которая и порождает интерференцию.

Это объясняет описанный выше опыт Цейлингера. Почему, когда я перекрываю один из путей для фотона, это влияет на прохождение фотоном другого пути? Ответ: фотон проходит по одному-единственному пути, а вот его волновая функция – по обоим. Моя рука изменяет волновую функцию, которая, в свою очередь, направляет фотон иначе, чем в отсутствие перекрывающей один из путей руки. Таким образом, моя рука влияет на будущее поведение фотона, даже если этот фотон проходит далеко от руки. Прекрасное объяснение.

Интерпретация со скрытыми переменными возвращает квантовую физику в лоно классической: все детерминировано и предсказуемо. Если нам известны положение электрона и значение волновой функции, то можем предсказать все.

Но все не так просто. Фактически мы никогда не знаем состояния волновой функции, потому что никогда не видим ее, а только лишь сам электрон46. Следовательно, поведение электрона определяется переменными, которые остаются «скрытыми» от нас (волновая функция). Переменные скрыты в принципе – мы вообще никак не можем их определить, и поэтому эта теория называется интерпретацией со скрытыми переменными47.

Но если принять эту теорию, то придется признать существование целой недоступной для нас физической реальности, которая при ближайшем рассмотрении нужна лишь, чтобы мы не волновались по поводу того, о чем теория не говорит. А стоит ли предполагать существование ненаблюдаемого и никак не влияющего на нас мира, не предусмотренного квантовой механикой, исключительно лишь чтобы уберечь нас от страха неопределенности?

У этой интерпретации есть и другие трудности. Теория Бома нравится многим философам потому, что она дает концептуально ясную картину. Но она не нравится физикам, потому что любые попытки ее применения к более сложным задачам, чем случай одной-единственной частицы, приводят к нагромождению проблем. Например, волновая функция ψ множества частиц не является множеством волновых функций отдельных частиц – эта волна распространяется не в физическом, а в абстрактном математическом пространстве48. Исчезает интуитивно понятное и ясное представление о реальности, которое теория Бома предлагает в случае одной частицы.

Но по-настоящему серьезные проблемы возникают при попытке учесть эффекты теории относительности. Скрытые переменные в интерпретации Бома грубейшим образом противоречат самой идее относительности – они задают выделенную, привилегированную систему отсчета. Платой за картину мира, представленную исключительно через детерминированные переменные,