Глава 15. Квантовый демон

Глава 15.

Квантовый демон

“О проблемах квантовой механики я думал в сто раз больше, чем об общей теории относительности”, — заметил однажды Эйнштейн¹. То, что Бору приходилось отрицать существование объективной реальности, когда он пытался понять, что именно квантовая механика рассказывает об атомном мире, явно указывало Эйнштейну, что эта теория содержит в лучшем случае часть правды. Датчанин настаивал, что за границами эксперимента — акта наблюдения — квантовой реальности нет. “Бесспорно, логика позволяет в такое поверить, — признавал Эйнштейн, — но это настолько противоречит моему инстинкту ученого, что я не могу отказаться от поисков более завершенной концепции”². Он продолжал “верить в возможность построения модели реальности, которая представляет сами события, а не только вероятность их осуществления”³. Однако в конечном счете ему не удалось доказать несостоятельность интерпретации Бора. “О теории относительности он говорил беспристрастно, а о квантовой теории — сильно волнуясь, — вспоминал Абрахам Пайс, встречавшийся с Эйнштейном в Принстоне. — Квант был его демоном”⁴.

“Не ошибусь, если скажу, что квантовую механику не понимает никто”, — заявил Ричард Фейнман, американский физик, получивший Нобелевскую премию в 1965 году — через десять лет после смерти Эйнштейна⁵. К тому времени за копенгагенской интерпретацией закрепилась репутация ортодоксальной квантовой теории. Как в случае папского эдикта, большинство физиков просто следовали совету Фейнмана: “Если можете, перестаньте мучить себя вопросом, как такое может быть? Этого не знает никто”⁶. Эйнштейн никогда не думал, что такое может быть, но что бы он сказал о теореме Белла и об экспериментах, показывающих, что эта теорема “звонит” по нему?

Физика Эйнштейна зиждилась на его непоколебимой вере в реальность, существующую “вне нас”, независимо от того, наблюдаем мы за ней или нет. “Разве Луна существует только тогда, когда мы на нее смотрим?” — вопрошал он Абрахама Пайса⁷. Реальность, которую представлял себе Эйнштейн, должна быть локальной и управляться законами, согласующимися с принципом причинности, а задача физиков состоит в том, чтобы ее отыскать. “Если отбросить предположение о том, что существующее в разных местах пространства обладает независимым, реальным существованием, — сказал он Максу Борну в 1948 году, — я просто не могу себе представить, что должна описывать физика”⁸. Эйнштейн верил в реализм, причинность и локальность. Готов ли был он хоть чем-нибудь из этого пожертвовать?

Запомнились часто повторенные Эйнштейном слова: “Бог не играет в кости”⁹. Он, как в наши дни консультант по рекламе, хорошо знал цену врезающимся в память метким выражениям. Эта находка, позволившая Эйнштейну бросить открытый вызов копенгагенской интерпретации, не представляла собой краеугольный камень его научного мировоззрения. Даже Борн, почти полвека знавший Эйнштейна, не понимал значение этих слов, и лишь Паули в конце концов объяснил ему, что является главным в неприятии Эйнштейном квантовой механики.

В 1954 году, когда Паули приехал на два месяца в Принстон, Эйнштейн дал ему черновик статьи Борна, затрагивавшей вопросы детерминизма. Паули прочитал ее и написал бывшему руководителю: “Эйнштейн не считает концепцию ‘детерминизма’ настолько важной, как об этом нередко думают”¹⁰. Годами Эйнштейн это “настойчиво и многократно” повторял¹¹. “Отправной точкой для Эйнштейна скорее является понятие ‘реалистическое’, чем ‘детерминистское’, — объяснял Паули, — а это значит, что его философское заблуждение совсем иное”¹². Под “реалистическим” Паули понимал, что, по мнению Эйнштейна, электрон, например, обладает свойствами изначально, до любого акта измерения. Паули упрекал Борна за то, что тот “создал себе некое чучело Эйнштейна, которое затем с большой помпой начал ниспровергать”¹³. Удивительно, что, несмотря на долгую дружбу, Борн так никогда до конца и не осознал, что на самом деле Эйнштейна волнует не “игра в кости”, а “отречение копенгагенской интерпретации от представления о реальности как не зависящей от наблюдения”¹⁴.

Возможно, непонимание было связано с тем, что впервые Эйнштейн сказал, что Бог не играет в кости еще в декабре 1926 года. Он пытался передать Борну свою обеспокоенность ролью вероятности в квантовой механике и отрицанием ею причинности и детерминизма¹⁵. Паули, однако, понимал, что возражения Эйнштейна отнюдь не связаны только с тем, что теория формулируется на языке вероятностей. “Мне кажется, что использование концепции детерминизма в дискуссии с Эйнштейном может привести только к недоразумениям”, — предупреждал он Борна¹⁶.

“Центральной проблемой квантовой механики, — писал Эйнштейн в 1950 году, — является не столько вопрос причинности, сколько вопрос реализма”¹⁷. Годами он сохранял надежду, что ему “удастся разгадать квантовую загадку, не отказываясь от представления о реальности”¹⁸. С точки зрения человека, открывшего теорию относительности, эта реальность должна быть локальной, в ней нет места взаимодействию, передающемуся быстрее света. Нарушение неравенства Белла означало, что если Эйнштейн хочет, чтобы квантовый мир существовал независимо от наблюдателя, он должен поступиться локальностью.

С помощью теоремы Белла нельзя решить, полна ли квантовая механика. Можно только сделать выбор между нею и какой-либо теорией со скрытыми параметрами. Если квантовая механика правильна (а Эйнштейн верил, что это так, поскольку при его жизни она выдержала все экспериментальные проверки), то теорема Белла означает, что любая теория со скрытыми параметрами, воспроизводящая ее результаты, должна быть нелокальной. Бор, как и многие, воспринял бы результаты Алена Аспекта как поддержку копенгагенской интерпретации. Эйнштейн, вероятно, признал бы справедливость результатов проверки неравенства Белла, не пытаясь “спасти” локальную реальность. Однако у Эйнштейна оставалась бы еще одна возможность выпутаться, хотя, как говорили некоторые, и не соответствующая духу теории относительности, — теорема о невозможности передачи сигнала.

Оказалось, что нелокальность и квантовое перепутывание невозможно использовать для мгновенной передачи полезной информации из одного места в другое. Это связано с тем, что измерение свойств одной из перепутанных частиц приводит к абсолютно случайному результату. После такого измерения экспериментатор знает только вероятность исхода выполненного его коллегой измерения того же свойства находящейся в другом месте частицы из перепутанной пары. Реальность может быть нелокальной, допускающей распространение взаимодействия между разделенными пространственно перепутанными частицами со скоростью, превышающей скорость света, но она не так опасна, поскольку нет “призрачной передачи информации на расстоянии”.

Группа Аспекта, как и многие другие, проверявшие неравенство Белла, делала выбор между локальностью и объективной реальностью, хотя и считала нелокальную реальность допустимой. А в 2006 году ученые из университетов Вены и Гданьска первыми решили испытать на практике нелокальность и квантовый реализм. Эксперимент был поставлен по следам работы английского физика сэра Энтони Джеймса Леггетта. В 1973 году (тогда он еще не был произведен в рыцари) ему пришла в голову идея усовершенствовать теорему Белла. Леггетт предположил, что между перепутанными частицами имеет место мгновенное взаимодействие. В 2003 году ему была присуждена Нобелевская премия за работы по исследованию квантовых свойств жидкого гелия. В том же году Леггетт опубликовал новое неравенство, где конкурировали квантовая механика и усовершенствованная теория уже с нелокальными скрытыми параметрами.

Австрийско-польская группа Маркуса Аспельмейера и Антона Цайлингера измерила не проверявшиеся прежде корреляции для пар перепутанных фотонов. Ученые обнаружили, что в точном соответствии с предсказаниями квантовой механики для таких корреляций неравенство Леггетта нарушается. Когда их результаты были опубликованы в журнале “Нейчур” в апреле 2007 года, Ален Аспект заметил, что философский “вывод, который теперь можно сделать, является скорее делом вкуса, чем логики”¹⁹. Нарушение неравенства Леггетта означало несовместимость квантового реализма и определенного типа нелокальности, но не исключало все возможные нелокальные модели.

Эйнштейн никогда не говорил о теории со скрытыми параметрами, хотя в 1935 году казалось, что он поддерживает именно такой подход. В конце статьи ЭПР сказано: “Хотя... мы показали, что волновая функция не обеспечивает полное описание физической реальности, остается открытым вопрос, существует ли такое описание или нет. Мы, однако, верим, что теория такого рода возможна”²⁰. В конце 1949 года Эйнштейн написал: “На самом деле я твердо убежден, что по существу статистический характер современной квантовой теории должен быть отнесен исключительно за счет того факта, что она [теория] оперирует с неполным описанием физических систем”²¹.

Казалось бы, введение скрытых параметров для того, чтобы “дополнить” квантовую механику, вполне отвечало представлениям Эйнштейна, считавшего эту теорию “неполной”. Но к началу 50-х годов ему уже не импонировали подобные попытки исправить ее. В 1954 году Эйнштейн был твердо уверен, что “невозможно избавиться от статистической природы современной квантовой теории, просто добавив к ней нечто; необходимо изменение основополагающих представлений о ее структуре”²². Он был убежден: требуется нечто более радикальное, чем просто возвращение к представлениям классической физики на субатомном уровне. Если квантовая механика неполна, если она дает только часть картины, должна существовать законченная теория, дожидающаяся своего часа.

Эйнштейн верил, что существует некая ускользающая от него единая теория поля, объединяющая общую теорию относительности и электромагнетизм. Ее поиску он посвятил двадцать пять лет. Это должна быть полная теория, содержащая в себе и квантовую механику. “То, что Господь разъединил, никто вместе собрать не сможет”, — заметил Паули, говоря об Эйнштейне, мечтавшем о подобном объединении²³. Хотя в то время большинство физиков посмеивалось над Эйнштейном, считая его взгляды анахронизмом, после открытия слабого ядерного взаимодействия, ответственного за радиоактивность, и сильного ядерного взаимодействия, удерживающего ядра от распада, для современных физиков такая теория стала чем-то вроде Грааля. Теперь число сил, с которыми им приходится иметь дело, возросло до четырех.

Когда дело касалось квантовой механики, находились те (к ним относился и Вернер Гейзенберг), кто считал, что Эйнштейн просто “не может изменить свою позицию”, так как всю жизнь занимался исследованием “объективного мира физических процессов, идущих независимо от нас в пространстве и времени и подчиняющихся строгим законам”²⁴. Не надо удивляться, полагал Гейзенберг, что Эйнштейн не считал возможным принять теорию, утверждающую, что на атомном уровне “этот объективный мир пространства и времени просто не существует”²⁵. Борн полагал, что Эйнштейн “не может больше принимать на веру некоторые новые идеи в физике, противоречащие его устоявшимся философским убеждениям”²⁶. Отдавая должное старому другу — “пионеру борьбы за освоение неизведанной территории квантовых явлений”, Борн жаловался, что тот “скептически настроен и держится в стороне” от квантовой механики. Он считал, что это трагедия и для Эйнштейна, “в одиночестве двигающегося ощупью, и для нас, потерявших лидера и знаменосца”²⁷.

Влияние Эйнштейна ослабевало, а авторитет Бора креп. Имея таких “миссионеров”, как Гейзенберг и Паули, несущих свет истины “пастве”, копенгагенская интерпретация стала синонимом квантовой механики. Студент Джон Клаузер в середине 60-х годов часто слышал, что Эйнштейн и Шредингер “впали в старческий маразм” и что их мнению о квантах доверять нельзя²⁸. “Эту сплетню я слышал от многих известных физиков, работавших в разных престижных институтах”, — вспоминал он годы спустя. Именно он был первым, кто в 1972 году проверил неравенство Белла. Разительный контраст с Бором в его отношении к проблеме очевиден. А ведь считалось, что Бор обладает потрясающей интуицией и почти сверхъестественным умением убеждать. Некоторые полагали, что в тех случаях, когда другим необходим расчет, Бор мог без него обойтись²⁹. Клаузер вспоминал, что в его студенческие годы “открытый интерес, проявленный к фантастическим и странным проявлениям квантовой механики”, выходящим за пределы копенгагенской интерпретации, был “практически запрещен из-за боязни быть подвергнутым остракизму и общественному осуждению. Все вместе это напоминало крестовый поход против такого образа мыслей”³⁰. Однако были “неверные”, готовые бросить вызов копенгагенской ортодоксии. Одним из них был Хью Эверетт III.

В апреле 1955 года, когда умер Эйнштейн, Эверетту было двадцать четыре года. Он учился в Принстонском университете, где должен был получить степень магистра. Через два года Эверетт защитил диссертацию “Об основах квантовой механики” и получил степень доктора философии. Он показал, что имеется возможность трактовать абсолютно все результаты квантовых экспериментов как действительно существующие в реальном мире. Согласно Эверетту, для кота Шредингера, запертого в ящике, это означает, что в момент открытия ящика Вселенная делится: в одной из Вселенных кот оказывается мертв, а в другой остается в живых.

Эверетт назвал свою интерпретацию “формулировкой квантовой механики, основанной на понятии относительного состояния”. Он показал, что предположение о существовании всех возможных квантовых состояний приводит к тем же предсказаниям результатов квантово-механических экспериментов, что и копенгагенская интерпретация.

Свою альтернативную интерпретацию Эверетт опубликовал в 1957 году. Статья сопровождалась комментарием его научного руководителя, известного принстонского физика Джона Уилера. Это была первая работа Эверетта. Больше десяти лет она оставалась практически незамеченной. Разочарованный Эверетт бросил научную работу и стал работать на Пентагон, где занимался применением теории игр к стратегическому планированию.

“Вопрос не в том, существуют ли невидимые миры, — сказал однажды американский режиссер Вуди Аллен, — а в том, как далеко они от центра города и как поздно открыты”³¹. В отличие от Аллена, большинство физиков отказывалось признать, что бесконечное число исключающих друг друга реальностей, в которых реализуются все мыслимые экспериментальные результаты, существует. К сожалению, Эверетт умер от сердечного приступа в 1982 году, когда ему был всего пятьдесят один год. Он не дожил до момента, когда его “многомировую интерпретацию”, как ее позже назвали, стали всерьез воспринимать квантовые космологи, пытающиеся раскрыть тайну образования Вселенной. Многомировая интерпретация квантовой механики позволяла им обойти вопрос, ответ на который не могла дать копенгагенская интерпретация: какой акт наблюдения может привести к коллапсу волновой функции всей Вселенной?

Копенгагенская интерпретация требует существования вне Вселенной наблюдателя, который наблюдал бы такое событие. Но поскольку такового нет (не будем принимать в расчет Бога), Вселенная никогда не могла бы появиться и навсегда осталась бы в состоянии суперпозиции многих возможностей. Это еще раз ставило на повестку дня давнюю проблему измерений. В уравнение Шредингера, описывающее квантовую реальность как суперпозицию разных возможностей, каждой из которых ставится в соответствие определенная вероятность, акт измерения не входит. В математическом аппарате квантовой механики наблюдателя также нет. Теория ничего не говорит о коллапсе волновой функции — неожиданном, скачкообразном изменении состояния квантовой системы в процессе измерения, когда та или иная возможность становится реальностью. В многомировой интерпретации Эверетта для коллапса волновой функции не нужен ни наблюдатель, ни измерение: абсолютно все возможные результаты квантовых событий сосуществуют как реальные в параллельных Вселенных.

“Оказалось, что предложить интерпретацию — гораздо более сложная задача, чем просто вывести уравнения”, — заявил Поль Дирак пятьдесят лет спустя после Сольвеевского конгресса 1927 года³². Нобелевский лауреат Мюррей Гелл-Манн считает, что в какой-то мере так происходит из-за того, что Нильс Бор ‘“промыл мозги’ целому поколению физиков, заставив их поверить, что проблема решена”³³. В июле 1999 года социологический опрос, проведенный во время конференции по квантовой физике в Кембриджском университете, выявил отношение нового поколения физиков к вызвавшему столько споров вопросу об интерпретации квантовой механики³⁴. Из девяноста опрошенных всего четверо проголосовали за копенгагенскую интерпретацию, а тридцать высказались за современную версию многомировой теории Эверетта³⁵. Интересно, что пятьдесят физиков поставили галочку в клетке: “Ни одна из перечисленных / Еще не решил”.

Неразрешенные концептуальные трудности, такие как проблема измерения и невозможность указать точно, где кончается квантовый и начинается классический мир нашей повседневности, склоняют все большее число физиков к поиску чего-то, спрятанного на более глубоком уровне, чем квантовая механика. “Теория, ответом которой являются слова ‘может быть’, — говорит лауреат Нобелевской премии физик-теоретик Герард’т Хоофт, — должна восприниматься как неточная”³⁶. Он верит, что Вселенная детерминирована, и занят поисками фундаментальной теории, которая объяснила бы все странные, противоречащие интуиции, особенности квантовой механики. Однако есть и другие. Например, Николас Гисин, ведущий экспериментатор, исследующий перепутывание, заявляет, что “не испытывает затруднений из-за неполноты квантовой механики”³⁷.

Появление других интерпретаций и серьезные сомнения относительно полноты квантовой механики привели к пересмотру вердикта, вынесенного не в пользу Эйнштейна в его длившемся так долго споре с Бором. “Может ли такое быть, чтобы Эйнштейн в каком-либо серьезном вопросе мог оказаться так глубоко ‘неправ’, как утверждают последователи Бора? — задается вопросом английский математик и физик сэр Роджер Пенроуз. — Я в это не верю. Со своей стороны я решительно поддерживаю Эйнштейна, верившего в субмикроскопическую реальность, и разделяю его убежденность, что современная квантовая механика в своей основе неполна”³⁸.

Хотя Эйнштейну в схватках с Бором никогда не удавалось нанести решающий удар, брошенный им вызов будоражит умы. Именно он сподвиг таких ученых, как Бом, Белл и Эверетт, попытаться проверить и дать оценку копенгагенской интерпретации Бора в то время, когда она господствовала повсеместно. Спор Эйнштейна и Бора о природе реальности стал стимулом для появления теоремы Белла. Проверка неравенства Белла прямо или опосредованно стала причиной лавинообразного появления новых областей исследований, таких как квантовая криптография, квантовая теория информации и квантовые компьютеры. Квантовая телепортация — одна из самых поразительных новых теорий. Кажется, этот термин взят из научной фантастики, но в 1997 году не одной, а сразу двум командам физиков удалось телепортировать частицу. Физически частицу в пространстве не перемещали, но ее квантовое состояние передавалось частице, расположенной в другом месте. Таким образом, первую частицу телепортировали из одного места в другое.

Последние тридцать лет жизни Эйнштейна, критиковавшего копенгагенскую интерпретацию и пытавшегося усмирить квантового демона, считали маргиналом. Теперь Эйнштейн частично реабилитирован. Его поединок с Бором не имел ничего общего с борьбой за уравнения и решения, полученные с помощью аппарата квантовой механики. Что означает квантовая механика? Что она говорит о природе реальности? Этих людей разделяли ответы на подобные вопросы. Эйнштейн никогда не предлагал собственную интерпретацию. Он не пытался облечь свои философские взгляды в форму физической теории. Вместо этого, основываясь на вере в независящую от наблюдателя реальность, он пытался дать оценку квантовой механике и построить такую теорию, которая удовлетворяла бы его самого.

Еще в декабре 1900 года классическая физика отводила каждому явлению определенную ячейку, и почти все ей удалось расставить по местам. Затем Макс Планк неожиданно столкнулся с квантом, и физики все еще стараются свыкнуться с ним. Эйнштейн говорил, что пятьдесят долгих лет “мозгового штурма” ни на шаг не приблизили его к пониманию того, что такое квант³⁹. Он продолжал свои попытки до конца, находя утешение в словах Готхольда Эфраима Лессинга: “Поиск истины значительно ценнее обладания ею”⁴⁰.