Вселенная

Это довольно эксцентричный пример, но есть и более серьёзные. Вообразим материальный мир, в котором так и не возникла жизнь. Или Вселенную, в которой есть жизнь, но отсутствует сознание. Или Вселенную, где обитают сознающие существа, которые, однако, не испытывают от жизни радости или не видят в ней смысла. На первый взгляд, подобные варианты реальности более вероятны при атеизме, чем при теизме. Одна из основных задач, решению которых посвящён остаток этой книги, — описать, почему такие варианты представляются весьма вероятными в рамках натуралистической картины мира.

Вряд ли будет целесообразно повторять здесь все аргументы в пользу теизма и против него. В данном случае важнее усвоить базис, позволяющий находить ответы на этот и подобные вопросы. Мы обозначаем наши априорные субъективные вероятности, определяем, с какой объективной вероятностью могли бы произойти те или иные вещи в случае, если бы подтверждалась каждая из конкурирующих трактовок мира, а затем уточняем наши субъективные вероятности на основе наблюдений. Рассуждать таким образом о бытии Бога столь же справедливо, как и о дрейфе континентов или о существовании тёмной материи.

Всё это звучит очень стройно, но мы — несовершенные, смертные, необъективные люди. Кто-то станет утверждать, что Вселенная, в которой сотни миллиардов галактик, — та самая штука, которую задумывал создать Бог, а другой недоумённо воззрится на такого собеседника и спросит, выдвигалась ли такая версия хоть раз до того, как мы открыли галактики, увидев их в телескопы.

Мы можем надеяться лишь на то, что нам удастся исследовать собственные планеты убеждений, признать, в чём мы проявляем предвзятость, и попытаться исправить наши заблуждения, насколько это в наших силах. Атеисты иногда упрекают религиозных людей за то, что те выдают желаемое за действительное — верят в какую-то сверхъестественную силу, высшую цель существования и особенно в посмертное воздаяние просто потому, что хотят, чтобы это оказалось правдой. Это совершенно понятное предубеждение, которое следует признать и попытаться обдумать.

Однако предубеждения есть с обеих сторон. Многих людей утешает идея о могучем существе, которое беспокоится об их жизни и безусловно регламентирует, как следует и как не следует поступать. Лично меня эта идея совершенно не устраивает — я нахожу её исключительно отталкивающей. Я предпочёл бы жить в такой Вселенной, где сам определяю свои ценности и придерживаюсь их, насколько мне удаётся, а не в такой, где Бог даёт мне их свыше, причём делает это возмутительно невнятно. Возможно, из-за таких предпочтений я подсознательно испытываю предубеждение против теизма. С другой стороны, меня отнюдь не радует, что моя жизнь относительно скоро (в космическом масштабе) подойдёт к концу и у меня не будет никакой надежды пожить еще; поэтому в данном случае я тоже могу быть предвзят. Независимо от того, какие когнитивные искажения у меня могут быть, я должен о них помнить, пытаясь объективно взвесить факты. Вот и всё, на что может уповать каждый из нас, зная свой шесток в космосе.

Часть III

Сущность

Глава 19

Много ли мы знаем

Когда мне было двенадцать, я увлекался парапсихологией. А кто не увлекался? Такая заманчивая идея — уметь притягивать предметы силой мысли и перемещать их, читать мысли других людей, предсказывать будущее — и всё это только силой разума.

Я прочёл всё, что смог найти об экстрасенсорном восприятии, телекинезе, ясновидении, прекогниции, — изучил целый спектр ментальных способностей, выходивших за рамки обыденного. Ещё мне очень нравились комиксы, где все герои обладали сверхспособностями, нравилась научная фантастика и фэнтези, не говоря уже об откровенно «научных» свидетельствах, которые, казалось бы, подтверждали наличие паранормальных способностей у человека. Я хотел проникнуть в эту тайну, понять, как на самом деле всё это может работать. Такие идеи казались головоломными, тем более если допустить, что предметы действительно можно ломать одной силой мысли.

Кроме того, у меня была научная жилка. Поэтому я неизбежно пришёл к очевидной идее: решил ставить собственные эксперименты.

У нас дома на цокольном этаже была подсобка. Я любил там закрываться, когда вся семья занималась какими-то другими делами (да, я не сказал, что был на редкость храбрым юным учёным). Начал я свои эксперименты с совсем маленьких предметов — я аккуратно раскладывал на ровной столешнице игральные кости и монеты. Затем просто... думал о них. Я сосредотачивался изо всех сил, пытаясь сдвинуть с места безделушки одной лишь силой мысли. К сожалению, ничего не выходило. Тогда я упростил себе задачу: стал упражняться с крошечными клочками бумаги, сдвинуть которые силой мысли, казалось бы, должно было быть легче. В итоге пришлось признать: может быть, кто-то и способен двигать предметы таким образом, но я оказался не из их числа.

Как нередко случается при постановке экспериментов, этот опыт был подготовлен не слишком тщательно. Но мне его результаты тогда показались убедительными: я забросил идею телекинеза и стал очень скептически относиться ко всем, кто заявлял, что обладает такой силой. Однако забористые идеи меня по-прежнему восхищали, я так желал проникнуть в глубокие тайны. Мне по-прежнему хотелось, чтобы предметы на самом деле можно было двигать силой мысли. Как бы это было полезно, а уж как увлекательно с научной точки зрения!

* * *

Для того чтобы оценить, возможны ли парапсихологические или паранормальные явления, была проведена масса исследований, гораздо более профессиональных, чем мои. Дж. Б. Райн, профессор университета Дюка, известен большой серией экспериментов, по результатам которых он заключил, что парапсихологические способности реальны. Его исследования были крайне неоднозначны; многочисленные попытки воспроизвести его опыты ничем не увенчались, Райна критиковали за то, что протоколы его экспериментов были составлены небрежно и позволяли испытуемым жульничать. Сегодня в большинстве академических учреждений парапсихология не воспринимается всерьёз. Фокусник и скептик Джеймс Рэнди предлагал миллион долларов любому, кто сможет продемонстрировать такие способности в контролируемых условиях; многие пытались побороться за этот приз, но пока никому не удалось его получить.

И не удастся. Парапсихологические силы — определяемые как ментальные способности, позволяющие человеку наблюдать мир или воздействовать на него иначе, нежели обычными физическими средствами, — не существуют. Это можно утверждать с уверенностью, даже не вдаваясь в те или иные неоднозначности, связанные с конкретными академическими исследованиями.

Причина проста: того, что мы знаем о законах физики, достаточно, чтобы исключить существование истинно парапсихологических способностей.

Это очень серьёзное заявление, причём изрядно опасное: на свалке истории полно учёных, преувеличивавших свои знания либо утверждавших, что они вот-вот узнают практически всё:

Мы, вероятно, приближаемся к пределу всего, что можно знать об астрономии.

Саймон Ньюкомб, 1888

Все самые важные фундаментальные законы и факты физической науки уже открыты.

Альберт Майкельсон, 1894

Физике, какой мы её знаем, через шесть месяцев придёт конец.

Макс Борн, 1927

Существует пятидесятипроцентная вероятность, что «к концу века мы найдём полную и единую теорию всего».

Стивен Хокинг, 1980

Моё утверждение не из таких (да, так все говорят, но в данном случае это и вправду так). Я не говорю, что мы знаем всё или что даже близки к этому. Я заявляю, что нам известно кое-что, и этого достаточно, чтобы исключить некоторые явления, в частности сгибание чайных ложек силой мысли. Мы можем уверенно это утверждать, поскольку опираемся на совершенно конкретную структуру физических законов. Современная физика не только сообщает нам об истинности некоторых явлений, но и обладает «встроенным аппаратом», позволяющим обозначить границы наших знаний, за которыми наши теории перестают быть надёжными. Чтобы разобраться, как это работает, в данном разделе мы подробно поговорим о законах, согласно которым, по данным современной физики, устроена наша Вселенная.

* * *

Тогда, в двенадцать лет, я в самом деле не был безнадёжным оптимистом — учитывая, какими знаниями я в то время обладал. Идея о том, что наш мозг может действовать на расстоянии, наблюдая окружающий мир или воздействуя на него, кажется совершенно правдоподобной. Мы каждый день видим, как одни предметы воздействуют на другие предметы, удалённые от них. Я беру пульт, нажимаю несколько кнопок — телевизор оживает и переключает канал. Я беру телефонную трубку и вдруг начинаю говорить с кем-то, хотя между мной и собеседником тысячи километров. Очевидно, что благодаря технике невидимые силы могут преодолевать огромные расстояния — а что, благодаря разуму не могут?

Человеческий разум — таинственная вещь. Нельзя сказать, что мы о нём ничего не знаем; мудрецы размышляли об устройстве разума тысячи лет, а современная нейрофизиология и психология значительно расширили наши знания по этому вопросу. Тем не менее следует признать, что пока здесь больше туманных вопросов, чем установленных фактов. Что такое сознание? Что происходит, когда мы видим сны? Как мы принимаем решения? Как запоминаем? Как эмоции и чувства соотносятся с рациональным мышлением? Откуда берутся такие переживания, как благоговение и трансценденция?

Так почему же не парапсихология? Нужно проявлять здоровый скептицизм и путём тщательных опытов постараться определить, выдерживает ли какое-либо конкретное заявление проверку на практике. Выдавать желаемое за действительное — мощный соблазн, и предаваться ему не следует. Однако важно честно признавать, что мы знаем и чего не знаем. На первый взгляд, чтение мыслей или сгибание ложек — не более безумная вещь, чем разговор по телефону, и, пожалуй, менее безумная, чем многие достижения современных технологий.

Существует настоящая пропасть между признанием того, что мы не всё знаем о принципах работы мозга, и тем, что мы помним о том, что всё в нём происходящее должно согласовываться с законами природы. Есть вещи, которых мы не понимаем, — например, как лечить обычную простуду. Тем не менее нет никаких причин полагать, что вирусы, вызывающие заболевание, — это не просто конкретные атомные структуры, подчиняющиеся законам физики частиц. Такие знания позволяют нам ограничить круг того, на что способны эти вирусы. Так, они не могут телепортировать личность из одного тела в другое, не могут спонтанно превращаться в антивещество и взрываться. Законы физики ничего не говорят нам о том, что мы хотели бы знать о «работе» этих вирусов, но, несомненно, кое-что нам сообщают.

Эти законы свидетельствуют о том, что человек не может видеть сквозь стены или пожелать — и взлететь. Все феномены, которые вы когда-либо в жизни видели или ощущали, — предметы, растения, животные, люди — состоят из ограниченного набора частиц, которые взаимодействуют друг с другом благодаря немногочисленным силам. Сами по себе эти частицы и взаимодействия не в силах порождать психические феномены, которые так увлекали меня в двенадцать лет. Ещё важнее, что уже не осталось неоткрытых «новых» частиц и взаимодействий, которые могли бы их поддерживать, — не просто потому, что мы их пока не обнаружили, но потому, что они бы уже точно были найдены, если бы обладали подходящими свойствами для обеспечения таких способностей. Мы знаем достаточно много, для того чтобы уверенно очертить границы возможного.

* * *

Мы никогда не узнаем чего-либо об эмпирическом мире с абсолютной определённостью. Всегда нужно быть готовым изменить теорию с учётом новой информации.

Тем не менее можно — в духе покойного Витгенштейна — быть достаточно уверенными в некоторых вопросах, которые мы считаем фактически решёнными. Возможно, что завтра в полдень знак у силы притяжения переменится и мы все улетим с Земли в космос. Это возможно — мы ведь не можем доказать, что такого произойти не может. А если появятся удивительные новые данные или неожиданные теоретические находки, которые потребуют всерьёз рассмотреть такую возможность, то именно это мы и должны будем сделать. Но пока об этом можно не беспокоиться.

Парапсихология — похожий случай. Нет ничего страшного в том, чтобы ставить скрупулёзные лабораторные эксперименты, пытаясь найти людей, которые способны читать мысли или передвигать предметы путём телекинеза. Однако, в сущности, это бессмысленно, так как мы убеждены в нереальности таких способностей — точно так же, как и в том, что завтра знак силы притяжения не изменится.

Дэвид Юм в трактате «Исследование о человеческом разумении» размышлял о том, как следует относиться к рассказам о чудесных явлениях, характеризуемых как «нарушение законов природы». Его ответ был байесовским по духу: он был готов счесть такое заявление истинным, лишь если не поверить в него было бы сложнее, чем поверить. Таким образом, доказательства должны быть столь бесспорными, что отрицать их можно было бы лишь с большим трудом и проще было бы признать, что те законы, которые, на наш взгляд, управляют миром, действительно были нарушены. То же касается парапсихологических явлений: пока доказательства в их пользу не столь убедительны, как в пользу законов физики (действительно, так и есть), наша субъективная вероятность существования таких способностей должна быть крайне низкой.

Всё это никоим образом не означает, что наука «завершена» и что в мире не осталось вещей, которых мы пока не понимаем. Любая из имеющихся у нас научных теорий — это способ рассуждения о мире, одна конкретная история, применимая в своей сфере. Ньютоновская механика отлично описывает движение бейсбольных мячей и космических кораблей, но на атомном уровне она отказывает, и ей на смену приходит квантовая механика. Тем не менее мы продолжаем пользоваться ньютоновской механикой там, где она работает. Мы преподаём её студентам и используем при подготовке старта космических кораблей на Луну. Она «верна», пока используется в своей области применения. Ни одно потенциальное открытие не заставит нас внезапно усомниться в корректности ньютоновской механики в этих рамках.

В настоящее время у нас есть конкретная теория частиц и взаимодействий — Базовая теория, которая представляется бесспорно точной в очень широкой области применения. Она описывает всё, что происходит с вами и со мной, а также всё то, что вы прямо сейчас видите вокруг. Она и впредь останется столь же точной. Спустя тысячи и миллионы лет, какие бы удивительные открытия ни были совершены в науке, наши далёкие потомки не скажут: «Ха-ха, эти глупые учёные из XXI века верили в какие-то “нейтроны” и “электромагнетизм”». Надеюсь, что к тому времени мы разработаем более качественные и глубокие концепции, но те концепции, которыми мы пользуемся сейчас, так и останутся верны в своей области применения.

И этих концепций — положений Базовой теории и аппарата квантовой теории поля, на которой она основана, — достаточно, чтобы убедить нас в отсутствии парапсихологических способностей.

Многие люди по-прежнему верят в парапсихологические феномены, но в среде серьёзных учёных и мыслителей они в основном отвергаются. В принципе такие же тенденции прослеживаются и в других случаях, когда мы пытаемся увязать человеческую природу с какими-то сверхъестественными свойствами. Положение Венеры на небе в день вашего рождения никак не влияет на ваши амурные перспективы. Сознание порождается суммой взаимодействий частиц и сил, а не является неотъемлемым свойством мира. Не существует нематериальной души, которая могла бы жить после смерти тела. Смерть — это конец каждого из нас.

Мы — часть мира. Осознавать, как устроен мир и какие ограничения он на нас накладывает, — важный путь к пониманию нашего места в общей структуре реальности.

Глава 20

Квантовая сфера

Историю науки иногда рассказывают — ради драматизма, а не ради научной точности — как историю революций. Была коперниковская революция в астрономии, дарвиновская эволюция в биологии. Физика пережила две революции, потрясшие самые основы этой науки: возникновение ньютоновской механики, описывающей классический мир, и появление квантовой механики.

Рассказывают, что, когда китайского премьер-министра Чжоу Эньлая в 1972 году спросили, что он думает о влиянии Французской революции, тот ответил: «Пока ещё рано об этом говорить». Звучит слишком красиво, чтобы быть правдой, и здесь действительно вышло недоразумение. Позже переводчик признал, что, учитывая формулировку вопроса, Чжоу явно имел в виду студенческие волнения 1968 года, а не революцию 1789 года.

С другой стороны, если бы таким образом рассуждали о квантовой революции в 1920-е годы, то сарказм был бы совершенно оправдан. В 1965 году физик Ричард Фейнман сказал: «Я думаю, что смело могу утверждать: квантовую механику не понимает никто», и это высказывание не менее справедливо сегодня. Для теории, которая с беспрецедентным эмпирическим успехом прогнозирует и учитывает результаты высокоточных экспериментов, сохраняется обескураживающая истина: физики не вполне осознают, что же в самом деле представляет собой эта теория. Как минимум, если некоторые люди и знают, что это за теория, то их взгляды не пользуются широким признанием среди коллег.

Однако не стоит преувеличивать таинственность квантовой механики просто ради красного словца. Мы понимаем массу всего об этой теории — иначе просто не могли бы делать такие прогнозы, которые уже были проверены с поразительной точностью. Задайте высококлассному физику грамотно сформулированный вопрос о том, что квантовая механика говорит об определённой ситуации, — и он предоставит вам абсолютно верный ответ. Но сущность теории, её итоговая корректная формулировка и окончательная онтология по-прежнему остаются очень спорными вопросами.

Это неприятно, поскольку от непонимания до искажения один шаг. Ни одна теория в истории науки так не перевиралась и не подвергалась таким злоупотреблениям со стороны сумасбродов и шарлатанов, ускользая при этом от тех людей, которые добросовестно пытались разобраться со сложными идеями. Мы должны максимально чётко представлять, что говорит и чего не говорит эта теория, поскольку она — это глубочайшая и наиболее фундаментальная картина мира, имеющаяся у нас. Квантовая механика непосредственно связана со многими проблемами, с которыми приходится сталкиваться, пытаясь осмыслить человеческое бытие в мире: детерминизмом, причинно-следственными связями, свободной волей, происхождением самой Вселенной.

* * *

Начнём с той части квантовой механики, которая не вызывает споров: что мы видим, когда наблюдаем систему.

Возьмём атом водорода. Это простейший из существующих атомов: его ядро состоит всего из одного протона, с которым связан единственный электрон. Визуализируя эту картину, мы обычно представляем, как будто электрон вращается вокруг протона примерно так же, как планеты в Солнечной системе вращаются вокруг Солнца. Такую модель атома предложил Резерфорд.

Эта модель неверна, и вот почему. Электроны имеют электрический заряд — таким образом, они взаимодействуют с электрическим и магнитным полями. Если встряхнуть электрон, он испускает электромагнитные волны — это основной источник того света, который вы видите каждый день, независимо от того, исходит он от Солнца или лампы накаливания. Какие-то электроны нагрелись, из-за этого стали колебаться и потратили избыток энергии, испустив её в виде света. В нашем атоме водорода этот вращающийся электрон несёт определённое количество энергии, зависящее от того, как электрон расположен относительно протона. Чем ближе электрон к протону, тем меньше у него энергии. Поэтому такой электрон, который расположен далеко от протона, но по-прежнему связан с ним, обладает относительно высокой энергией. Он «встряхивается» уже потому, что вращается вокруг протона. Следовательно, логично предположить, что электрон будет испускать свет, терять энергию и в ходе этого по спирали сдвигаться всё ближе и ближе к протону. (Ожидается, что то же самое должно происходить с планетами, вращающимися вокруг Солнца и теряющими энергию в виде гравитационного излучения, но гравитация — настолько слабое взаимодействие, что её эффект оказывается пренебрежимо малым.)

Когда этот процесс должен подойти к концу? В ньютоновском мире ответ прост: когда электрон окажется на поверхности протона. Все электроны, вращающиеся вокруг ядер во всех атомах, должны очень быстро опуститься по спирали к ядрам, и каждый атом во Вселенной должен схлопнуться до размеров ядра менее чем за миллиардную часть секунды. В таком случае не было бы никаких молекул, ни химии, ни столов, ни людей, ни планет.

Это было бы плохо. Но в реальном мире такого не происходит.

Для того чтобы понять, что происходит на самом деле, нужно рассмотреть случаи, когда электрон в атоме водорода действительно теряет энергию, испуская электромагнитную волну. Собрав излучённый свет, вы сразу же заметите кое-что занятное: оказывается, вы видите лишь определённые дискретные волны, имеющие конкретные значения длины. Согласно ньютоновской механике, вы должны видеть сразу все волны с любыми мыслимыми длинами. Однако мы наблюдаем, что при каждом переходе испускаются лишь определённые волны с «допустимыми» значениями длины.

Таким образом, электрон в атоме не может вращаться по произвольной орбите. Он может двигаться лишь по строго определённым орбитам, каждой из которых соответствует свой энергетический уровень. Мы наблюдаем в излучаемом свете только определённые волны именно потому, что электроны не спускаются к ядру по плавной «спирали», а спонтанно перепрыгивают с одной орбиты на другую, испуская пучок света, соответствующий энергетической разнице между этими орбитами. Электрон совершает «квантовые скачки».

* * *

Ладно. Электроны не вращаются вокруг атомного ядра подобно планетам, как это происходило бы по законам классической механики. По какой-то причине они держатся на конкретных орбитах, имеющих фиксированные энергетические уровни. Кажется, что это исключительно важный факт, явно не совместимый с ньютоновской картиной мира, глубоко укоренившейся в структуре физики. Однако данные должны всегда превалировать над ожиданиями: если требуется вообразить электроны, движущиеся по фиксированным орбитам, чтобы объяснить стабильность столов и прочих объектов, состоящих из атомов, — давайте так это и представим.

Следующий вопрос: что заставляет электрон перепрыгивать с одной допустимой орбиты на другую? Когда это происходит? Как электрон узнаёт, что пришло время прыгать? Содержит ли состояние электрона какую-либо информацию, кроме того, на какой орбите он находится?

Для того чтобы ответить на эти вопросы, понадобились немалый гений и масса упорного труда. Физикам пришлось отказаться от так называемого состояния физической системы — полного описания той ситуации, в которой она сейчас находится, — и заменить эту категорию чем-то совершенно другим. Хуже того, пришлось переизобретать даже такую идею, которая казалась совершенно очевидной: речь о концепции измерения или наблюдения.

Все мы думали, что знаем значения этих терминов, но классическая механика не связывает с ними ничего особенного. Можно измерить любые свойства системы с той точностью, которая нас интересует, — как минимум, в принципе. В квантовой механике всё иначе. Во-первых, в ходе конкретного эксперимента мы можем измерить лишь некоторые вещи. Так, например, мы можем определить либо положение частицы, либо её скорость, но не можем определить её положение и скорость одновременно. Выполняя такие измерения, мы можем получить лишь определённые результаты в зависимости от физических условий. Например, когда мы определяем положение электрона, он может быть где угодно; но если мы измерим энергию электрона, когда он вращается вокруг ядра, то можем получить лишь некоторые дискретные значения. (Именно так появилось слово «квантовый», поскольку на заре этой дисциплины физики крайне интересовались тем, как электроны ведут себя в атомах; но не у всех показателей, доступных для наблюдения, возможны лишь дискретные значения, поэтому такое название несколько неудачно.)

В классической механике, если вы знаете состояние системы, то можно с уверенностью спрогнозировать, каков будет результат любого измерения. В квантовой механике состояние системы является суперпозицией всех возможных результатов измерений и эта сумма называется «волновой функцией» системы. Волновая функция — это комбинация всех результатов, которые вы можете получить при наблюдении, но «вес» каждой из возможностей различается. Например, состояние электрона в атоме будет суперпозицией всех допустимых орбит с фиксированными энергиями. Суперпозиция, представляющая собой заданное квантовое состояние, может значительно тяготеть к одному конкретному результату: электрон можно практически безошибочно локализовать на орбите с определённым энергетическим уровнем. Однако, в принципе, квантовое состояние может включать любой возможный результат измерения.

Квантовая механика радикально отличается от классической, так как результаты экспериментов в ней не поддаются точному прогнозированию, даже если мы досконально знаем состояние системы. Квантовая механика сообщает нам, с какой вероятностью при наблюдении системы с заданной волновой функцией мы получим каждый отдельно взятый результат. Абсолютная точность прогнозирования недостижима не потому, что мы чего-то не знаем о системе; просто это максимум, что позволяет нам квантовая механика.

Квантовая вероятность весьма отличается от обычной, классической неопределённости. Вновь вспомним о покере. По окончании конкретной раздачи ваш соперник делает большую ставку и вам нужно решить, побьёт ли ваша комбинация его карты. Вы не знаете, какие карты у него на руках, но знаете возможные варианты: у него может не быть ничего, может быть пара, тройка и т. д. Учитывая его поведение в данной партии, а также вероятность того, какие карты он мог получить при раздаче, вы можете поступить как правильный байесовец и присвоить различные вероятности тому, какие комбинации могли у него сложиться. Квантовые состояния чем-то напоминают такой покер, но с одним ключевым отличием. В покере (классическом) вы не знаете, какие карты у соперника, но карты у него конкретные. Говоря о том, что квантовое состояние является суперпозицией, мы не имеем в виду: «Оно может соответствовать любой из различных возможностей, но мы не уверены, какой». Мы имеем в виду: «Это взвешенная комбинация, одновременно объединяющая все эти возможности». Если бы вам каким-то образом удалось сыграть в «квантовый покер», то у вашего соперника действительно была бы комбинация, одновременно объединяющая все варианты раздачи, и число вариантов сократилось бы до единственного лишь в тот момент, когда он открыл бы перед вами свои карты.

Если от всего этого у вас болит голова — то вы не один такой. Потребовалось немало времени, чтобы собрать квантовую механику в единое целое, и мы по-прежнему спорим о том, какой у всего этого смысл.

* * *

Предположим, на столе лежит бильярдный шар. В обычной ситуации вы могли бы подумать, что этот шар обладает определённым «местоположением». В квантовой механике — ничего подобного. Если вы смотрите на шар, чтобы узнать его положение, то действительно видите его в том или ином месте. Но когда вы на него не смотрите, никакого местоположения у шара нет; он имеет волновую функцию, являющуюся суперпозицией всех точек, в которых может находиться шар. В каком-то смысле эту ситуацию можно сравнить с обычной волной, поднимающейся над столом: на гребне волны у нас максимальные шансы увидеть шар именно в том месте, куда мы смотрим. Если бы вы могли заранее узнать, какова будет волновая функция, то могли бы спрогнозировать вероятность, с которой шар может оказаться в том или ином месте. В случае с макроскопическими объектами из нашей реальности — такими, как бильярдные шары, — волновая функция обычно имеет ярко выраженное пиковое значение в одной конкретной точке стола. По мере того как эта «наиболее вероятная» позиция изменяется с течением времени, она подчиняется законам классической механики — точно так, как полагали бы в этом случае Ньютон и Лаплас. Однако существует вероятность того, что, посмотрев на шар, вы заметите его где-то в другом месте.

Ситуация, мягко говоря, неудовлетворительная. Квантовая механика — по крайней мере в том виде, как её преподают старшекурсникам, слушающим первый курс физики в колледже, — говорит, что существуют два принципиально разных варианта, в соответствии с которыми состояние системы может изменяться во времени.

Первый вариант изменения происходит, когда мы не наблюдаем за системой. В таком случае изменение состояния описывается уравнением, которому подчиняется волновая функция, — оно называется уравнением Шрёдингера в честь австрийского физика Эрвина Шрёдингера, который позже прославился своими мысленными экспериментами по истязанию котов. (Хотелось бы подчеркнуть, что ни один кот при этом не пострадал.) В самом общем виде оно выглядит так:

iħ∂_t|Ψ⟩ = Ĥ|Ψ⟩.

По-своему оно достаточно красиво. Символом |Ψ⟩ обозначено квантовое состояние. В левой части уравнения мы задаём вопрос: «Как состояние изменяется с течением времени?». Справа получаем ответ, производя над этим состоянием определённую операцию. Уравнение перекликается со знаменитым ньютоновским «сила равна массе, умноженной на ускорение», где силы определяют, как система изменяется с течением времени.

Развитие ситуации в соответствии с уравнением Шрёдингера очень напоминает изменение состояния в классической механике. Это гладкое, обратимое и полностью детерминированное развитие; демон Лапласа без всяких проблем мог бы предсказать, каково было бы это состояние в прошлом и будущем. Если бы это и была вся история, то квантовая механика не вызывала бы никаких проблем.

Однако, как пишут в учебниках, квантовое состояние может изменяться и совершенно иным образом — когда за системой наблюдают. В таком случае, говорим мы студентам, волновая функция «схлопывается», и мы получаем конкретный результат измерения. Коллапс внезапен, а развитие в этом случае недетерминированно: зная исходное состояние, вы не сможете в точности спрогнозировать конечное состояние. У вас будут только вероятности.

Несмотря на вероятностную природу квантовомеханических прогнозов, они бывают необычайно точными. Так, можно измерить силу электромагнитного взаимодействия в одном эксперименте — например, узнать, какова будет отдача атома, когда он испустит фотон. Затем результат этого измерения можно использовать, чтобы спрогнозировать исход другого эксперимента — например, описать прецессию быстрых электронов в магнитном поле. Наконец, мы можем сравнить этот прогноз с фактическим результатом наблюдения. Степень соответствия результатов с прогнозами просто ошеломительна:

Наблюдение/Прогноз = 1,000000002.

Наблюдаемые и прогнозируемые результаты не вполне тождественны, но это связано с погрешностями при экспериментах и с теоретическим приближением. Тем не менее урок понятен: квантовая механика — это не какая-то расплывчатая или корявая система. Она неумолимо конкретна и строга.

Глава 21

Интерпретация квантовой механики

Во всей квантовой механике нас наиболее беспокоит тот факт, что в этой теории вообще появляется слово «наблюдатель».

Как бы то ни было, что есть «наблюдение» и «наблюдатель»? Считается ли «наблюдателем» микроскоп, либо микроскоп считается только при условии, что в него смотрит человек, обладающий сознанием? А как насчёт белки? А видеокамеры? Что, если я лишь мельком взгляну на предмет, но не буду внимательно его рассматривать? В какой именно момент происходит «коллапс волновой функции»? (Чтобы вас не томить, сразу упомяну, что почти никто из современных физиков не думает, что «сознание» хоть каким-то образом связано с квантовой механикой. Есть немногочисленные диссиденты, которые действительно так считают, но это крошечное меньшинство, несопоставимое с «мейнстримом».)

Все эти проблемы вместе известны как квантовомеханическая проблема измерения. Физики уже несколько десятилетий ломают над ней голову, но пока так и не пришли к общему мнению о том, как к ней подступиться.

Идеи есть. Один вариант — предположить, что, хотя волновая функция и играет важную роль в прогнозировании результатов экспериментов, на самом деле она не отражает физической реальности. Может быть, наряду с волновой функцией существует более глубокий уровень описания мира, в контексте которого такое развитие в принципе будет совершенно предсказуемым. Такая возможность иногда именуется подходом со «скрытыми параметрами», поскольку предполагает, что наилучший способ описания состояний квантовой системы пока ещё не открыт. Если такая теория верна, то она должна быть нелокальной — элементы системы должны непосредственно взаимодействовать с элементами, находящимися в других точках пространства.

Ещё более радикальный подход — просто отрицать существование базовой реальности. Такой метод в квантовой механике называется антиреалистическим, поскольку в нём теория считается всего лишь учётным инструментом для прогнозирования результатов будущих экспериментов. Если спросить антиреалиста, какой аспект нашей Вселенной описывают эти знания, он ответит, что такой вопрос не имеет смысла. Он считает, что нет никакой базовой «материи», которую описывала бы квантовая механика; мы можем говорить только о результатах измерений при экспериментах.

Антиреализм на первый взгляд слишком драматичный шаг. Однако именно за антиреализм, по-видимому, выступал столь авторитетный человек, как Нильс Бор, дедушка квантовой механики. Писали, что он придерживался таких взглядов: «Квантового мира не существует. Есть только абстрактное физическое описание. Неверно полагать, что задача физики — выяснить, какова природа на самом деле. Физика занимается тем, что мы можем сказать о природе».

Вероятно, наибольшая проблема антиреализма заключается в том, что сложно себе представить, как можно придерживаться такой позиции, не впадая в противоречия. Одно дело — сказать, что мы не полностью понимаем природу; другое дело — утверждать, что никакой природы вообще не существует. Кроме того, а кто именно это утверждает? Даже Бор в вышеприведённой цитате упоминает о том, что мы «можем сказать о природе». Вероятно, он подразумевал, что нечто под названием «природа» существует, раз мы можем о ней говорить.

* * *

К счастью, этим наши варианты не исчерпываются. Простейшая возможность заключается в том, что квантовая волновая функция вообще не является ни «инструментом учёта», ни одним из разнообразных квантовых параметров; волновая функция просто непосредственно отражает реальность. В то время как Ньютон или Лаплас могли представлять себе мир как совокупность положений и скоростей частиц, современный квантовый теоретик может считать мир волновой функцией. И всё, точка.

Сложность, связанная с таким грубым вариантом безыскусного квантового реализма, заключается в проблеме измерения. Если всё на свете — просто волновая функция, то из-за чего состояния «схлопываются» и почему акт наблюдения так важен?

В 1950-е годы одно решение описал молодой физик по имени Хью Эверетт III. Он предположил, что существует всего один вариант квантовой онтологии — волновая функция — и единственный путь её развития — в соответствии с уравнением Шрёдингера. Не существует никакого «схлопывания», никакого фундаментального разделения между системой и наблюдателем, наблюдение вообще не играет никакой особой роли. Эверетт провозгласил, что квантовая механика замечательно согласуется с детерминистским лапласовским представлением о мире.

Тем не менее если это так, то почему нам кажется, что волновые функции «схлопываются» при наблюдении? Сейчас говорят, что этот фокус связан с особым свойством квантовой механики, так называемой запутанностью.

Классическая механика позволяет считать, что каждый отдельный элемент мира обладает своим собственным состоянием. Земля вращается вокруг Солнца строго по своей орбите с определённой скоростью, а у Марса и орбита, и скорость другие. Квантовая механика всё описывает иначе. Не существует отдельных волновых функций для Земли, для Марса и для всех остальных объектов в пространстве. Есть всего одна волновая функция, охватывающая сразу всю Вселенную, — без ложной скромности мы именуем её «волновой функцией Вселенной».

Волновая функция — это просто числовое значение, которое мы присваиваем любому возможному результату измерения, такому как положение частицы. Это число сообщает, с какой вероятностью мы можем получить такой результат измерения. Вероятность получается путём возведения волновой функции в квадрат; это знаменитое правило Борна, названное в честь знаменитого немецкого физика Макса Борна. Итак, волновая функция Вселенной позволяет присвоить числовое значение любому возможному варианту распределения объектов в пространстве. Одно число соответствует «Земля здесь, Марс там», другое «Земля уже вот здесь, а Марс ещё в каком-то месте».

Таким образом, состояние Земли может быть запутано с состоянием Марса. В случае с макроскопическими объектами, такими как планеты, такая возможность не может быть продемонстрирована, но с крошечными элементарными частицами запутанность случается постоянно. Допустим, у нас есть две частицы — Алиса и Боб, каждая из которых может вращаться либо по часовой стрелке, либо против часовой стрелки. Волновая функция Вселенной позволяет присвоить 50-процентную вероятность тому, что Алиса будет вращаться по часовой стрелке, а Боб — против часовой, и также 50-процентную вероятность тому, что Алиса станет вращаться против часовой стрелки, а Боб — по часовой. Мы не представляем, какой результат получим, измерив спин любой из частиц, но знаем, что как только измерим спин одной из них, другая определённо будет вращаться противоположным образом. Это происходит потому, что две частицы запутаны друг с другом.

Эверетт считает, что мы должны буквально воспринимать формализм квантовой механики. Дело в том, что волновой функцией описывается не только та система, которую вы собираетесь наблюдать, но и вы сами. Это означает, что вы можете быть в суперпозиции. Когда вы измеряете частицу, чтобы проверить, вращается она по часовой стрелке или против часовой стрелки, то, по мнению Эверетта, волновая функция не схлопывается, приводя к одному или другому результату. Она плавно переходит в запутанную суперпозицию, которая заключает в себе оба варианта: во-первых, «частица вращалась по часовой стрелке» и «вы видели, как частица вращается по часовой стрелке», а во-вторых, «частица вращается против часовой стрелки» и «вы видели, как частица вращается против часовой стрелки». Обе части суперпозиции действительно существуют, продолжают существовать и развиваться в полном соответствии с уравнением Шрёдингера.