Текст книги "Квантовая революция. Как самая совершенная научная теория управляет нашей жизнью"

Адам Беккер
Квантовая революция. Как самая совершенная научная теория управляет нашей жизнью

Посвящается Элизабет, которая всегда знала

Автор благодарит Фонд Альфреда Слоуна за поддержку в исследовательской работе и в написании этой книги.

Самый несомненный факт может вызвать и недоверие, и всеобщее признание – все зависит от того, как о нем рассказать.

Урсула Ле Гуин

WHAT IS REAL?

The Unfi nished Quest for the Meaning of Quantum Physics by Adam Becker

Copyright © 2018 Adam Becker

This edition published by arrangement with The Science Factory, Louisa Pritchard Associates and The Van Lear Agency LLC

© Масленников К.Л., перевод на русский язык, 2023

© ООО «Издательство «Эксмо», 2023

Введение

Вещи в повседневной жизни раздражают тем, что не могут оказываться в двух местах одновременно. Если вы оставите ключи в кармане пальто, они не появятся еще и на крючке у входной двери. Это неудивительно – у вещей нет никаких тайных способностей или добродетелей. Они совершенно обычные. И все же хорошо известные нам предметы содержат в себе неизведанные вселенные. Та же связка ключей представляет собой временный союз триллиона триллионов атомов, каждый из которых миллиарды лет назад родился в недрах умирающей звезды, а затем попал на горячую формирующуюся Землю. Эти атомы купались в яростных лучах молодого Солнца. Они свидетели возникновения жизни на нашей планете и всей ее истории. В атомах есть нечто эпическое, и, как у большинства эпических героев, у них есть и проблемы, которых нет у обычных существ. Мы, люди, – рабы привычек, мы занудно упорствуем в том, чтобы в каждый момент занимать только одно положение в пространстве. Но атомы склонны к причудам. Вот в лаборатории одиночный атом, следуя своим маршрутом, оказывается на развилке, где может повернуть налево или направо. Однако, вместо того чтобы выбрать что-нибудь одно, как сделали бы мы с вами, атом словно впадает в сомнения, не в силах решить, где ему быть и где не быть. И в конце концов наш Гамлет ростом с нанометр выбирает оба пути сразу. Нет, он не раздваивается, не проходит сначала одним путем, а потом другим – он идет по обоим одновременно, презирая все законы логики. Атомы не подчиняются правилам, которым подчиняемся и мы с вами, и принцы датские. Атомы живут в другом мире, где управляет другая физика, – в субмикроскопическом мире квантов.

Квантовая физика – физика атомов и других сверхмалых объектов, таких как молекулы и субатомные частицы, – самая совершенная из всех научных теорий. Она предсказывает поразительное многообразие явлений с невообразимой точностью. Ее влияние простирается далеко за пределы микромира – мы ощущаем его и в повседневной жизни. Открытые в начале XX века законы квантовой физики прямо привели и к кремниевым транзисторам внутри вашего телефона, и к светодиодной матрице его экрана, и к ядерным двигателям для дальних космических экспедиций, и к лазерным сканерам кассы супермаркета. Квантовая физика объясняет, почему светит Солнце и как видят наши глаза. Она лежит в основе всей химии и периодической системы элементов. Она объясняет даже, каким образом сохраняют свою целостность твердые тела, например стул, на котором вы сидите, или ваши собственные кости. Все это сводится к свойствам микроскопически малых объектов, ведущих себя очень странным образом.

Но кое-что все же вызывает беспокойство. Квантовая физика, похоже, неприменима для описания людей и вообще всего, что близко по масштабу к человеку. Наш человеческий мир – это мир связок ключей, мир обычных предметов, которые не могут находиться сразу в двух местах. Но ведь все эти обыкновенные вещи состоят из атомов: и вы, и я, и принцы датские. А атомы, как мы уже знаем, подчиняются именно квантовой физике. Как же это выходит, что физика атомов так поразительно отличается от физики сделанного из тех же атомов обычного мира? Почему квантовая физика работает только в мире сверхмалых масштабов?

Дело не в какой-то сверхъестественности квантовой физики. Мир полон чудес, и в нем всегда есть место таинственному. Но в повседневной жизни мы не видим никаких странностей, свойственных миру квантов. Почему? Может, квантовая физика – это и вправду физика очень малых объектов, а к большим телам она неприменима? Может, где-то есть некая граница, рубеж, за которым квантовая физика уже не действует? Но если так, где эта граница и что на ней происходит? А если такого рубежа не существует, если законы квантовой физики так же действуют на нас, как они действуют на атомы и субатомные частицы, то почему квантовая физика так разительно противоречит нашему повседневному опыту? Почему наши ключи не могут находиться одновременно в двух местах?

* * *

Восемьдесят лет назад эти вопросы глубоко волновали одного из основателей квантовой физики, Эрвина Шрёдингера. Чтобы объяснить коллегам-физикам, что его беспокоит, он придумал ныне знаменитый мысленный эксперимент с «котом Шрёдингера» (рис. В.1). Шрёдингер представил себе, что кота посадили в ящик с запечатанной капсулой цианистого калия и подвешенным над ней маленьким молоточком. Этот молоток, в свою очередь, связан со счетчиком Гейгера, регистрирующим радиоактивность и направленным на кусочек радиоактивного металла в капсуле. Эта адская машинка приводится в действие в тот момент, когда металл испускает излучение. Как только это произойдет, счетчик Гейгера сработает, молоточек упадет, разобьет капсулу и убьет беднягу кота.

Рис. В.1. Кот Шрёдингера. Когда металл испускает радиоактивное излучение, счетчик Гейгера регистрирует его и отпускает молоток. Капсула разбивается, и цианистый калий убивает кота

Вниманию Общества защиты животных: у Шрёдингера и мысли не было о том, чтобы на деле провести этот опыт! Шрёдингер предложил просто вообразить, что мы на некоторое время оставляем кота в ящике, затем открываем крышку и узнаём, что случилось с котом.

Кусочек металла испускает субатомные частицы, с большими скоростями вылетающие из атомов при их распаде. Как и все достаточно маленькие объекты, эти частицы подчиняются законам квантовой физики. Субатомные частицы металла Шекспира не читали, а вот панк-группу Clash, видимо, слушали. В каждый отдельно взятый момент они не знают, что им делать – оставаться на месте или вылететь из атома, и поэтому они делают и то и другое: внутри закрытого ящика «нерешительный» кусок радиоактивного металла одновременно излучает и не излучает.

Из-за такого поведения частиц-панков счетчик Гейгера и будет, и не будет регистрировать излучение, молоток и упадет, и не упадет на капсулу, которая и разобьется, и нет – а значит, кот будет одновременно и мертв, и жив. И это, по мнению Шрёдингера, было серьезной проблемой: может, атомы и могут находиться в двух местах сразу, но кот точно может быть либо дохлым, либо живым. Мы убедимся в его состоянии в тот же миг, как откроем крышку, а значит, логично заключить, что и до ее открытия кот должен был находиться в том же состоянии.

Многие из современников Шрёдингера оспаривали его аргументацию именно в этом пункте. Некоторые заявляли, что до открытия крышки кот находится в состоянии «и жив, и мертв» и, только заглядывая внутрь ящика, мы каким-то образом переводим его в состояние жизни или смерти. Другие считали, что, пока мы не открыли ящик, говорить о том, что происходит внутри него, вообще бессмысленно, так как внутренность закрытого ящика по определению ненаблюдаема, а только наблюдаемые и измеримые вещи имеют смысл. Для них говорить о ненаблюдаемых вещах было так же бесполезно, как спорить о том, издает ли треск падающее в лесу дерево, если нет никого, кто этот треск мог бы услышать.

Но эти аргументы Шрёдингера не убедили и не успокоили. Он считал, что его коллеги упускали из виду одну вещь: квантовой физике недостает важной составляющей, которая связала бы ее с обычным миром. Каким образом фантастическое количество атомов, управляемых законами квантовой физики, порождает мир, который мы видим вокруг? Что на самом фундаментальном уровне является реальностью и как эта реальность обнаруживается?

В этом споре оппоненты Шрёдингера победили. От его вопросов о том, что же в действительности происходит в квантовом мире, они попросту отмахнулись, и физика продолжала двигаться вперед.

* * *

Шрёдингер оказался в меньшинстве, но все же он не был одинок. Альберт Эйнштейн тоже хотел понять, что происходит в мире квантов. Он спорил о природе квантовой физики и реальности с Нильсом Бором, великим датским физиком. Спор Эйнштейна с Бором вошел в историю физики. Обычно говорят, что его выиграл Бор, что сомнения Эйнштейна и Шрёдингера оказались беспочвенными и что проблемы реальности в квантовой физике не существует потому, что реальность – это вовсе не то, о чем следует думать в первую очередь.

И все же нет сомнений в том, что квантовая физика сообщает нам нечто о реальном мире. Иначе как она могла бы вообще работать, описывать действительность? Было бы крайне трудно объяснить ее огромные успехи, если бы она не имела никакого отношения к реальному миру. Даже если считать, что любая теория – это всего лишь модель, это все-таки модель чего-то реального, а если она работает, то это модель хорошая. Должно быть нечто, заставляющее предсказания квантовой физики неизменно выполняться с феноменально высокой точностью.

Понять, что именно рассказывает нам квантовая физика о мире, оказалось нелегко. Отчасти это связано с необыкновенной странностью ее теории. Чем бы ни был квантовый мир, он нисколько не похож ни на что знакомое нам. Противоречивая природа квантовых объектов – атомы, которые одновременно находятся и здесь, и там, излучение, которое и испускается, и остается скрытым в своем источнике, – это далеко не единственный диковинный аспект квантовой теории. Есть еще мгновенные связи между находящимися на большом расстоянии объектами: связи тонкие, бесполезные для целей прямой передачи информации, но неожиданно весьма ценные для задач, связанных с вычислениями и кодированием. А верхнего предела размеров объектов, на которые распространяются законы квантовой физики, нащупать никак не удается! Чуть ли не каждый месяц физики-экспериментаторы придумывают всё новые хитроумные устройства, в которых странные квантовые явления обнаруживаются в объектах все большего и большего масштаба. Тем серьезнее выглядит вопрос о том, почему эти странные явления никак не наблюдаются нами в повседневной жизни.

Странные квантовые явления и их отсутствие в обычном мире не единственная и даже не самая большая загадка, которую надо разгадать, чтобы расшифровать заключенное в квантовой физике послание. Ни один физик не сомневается: квантовая физика работает. И тем не менее уже девяносто лет, с тех самых пор, как появилась эта теория, о ее значении ожесточенно спорят. В этом споре позиция большинства физиков, включая, видимо, и Бора, заключается в том, что они настойчиво отрицают существование самого предмета спора. Ученые заявляют, что, несмотря на феноменальный успех теории, сама постановка вопроса о том, что происходит в мире квантов, в некотором смысле неприемлема и ненаучна. Эта теория, по их мнению, не нуждается в интерпретации: то, что она описывает, не является истинной реальностью. И действительно, странность квантовых явлений заставила некоторых выдающихся физиков прямо утверждать: да, ничего не поделаешь, квантовая физика доказала, что микроскопические объекты просто не существуют в том смысле, в котором существуют объекты нашего повседневного мира[1]1
  Werner Heisenberg 1958, Physics and Philosophy, Harper Torchbooks ed. (Harper and Row), p. 129. – Здесь и далее примечания автора, если не указано иное.


[Закрыть]. Следовательно, говорят они, в квантовой физике невозможно говорить о реальности. В реальном мире нет, да и не может быть ничего, что соответствовало бы этой теории.

Популярность такого подхода к квантовой физике удивительна. Физика описывает окружающий нас мир. Ее цель – выявить фундаментальные составляющие Вселенной и законы их взаимодействия. Многих физиков привело в науку именно желание понять основные, глубинные свойства природы, увидеть, из чего складывается ее удивительная мозаика. Но как только дело касается квантовой физики, большинство физиков тут же категорически отказываются от каких-либо объяснений; вместо этого они, как выразился Дэвид Мермин, требуют просто «заткнуться и вычислять»[2]2
  N. David Mermin 1990, Boojums All the Way Through: Communicating Science in a Prosaic Age (Cambridge), p. 199.


[Закрыть].

Еще удивительнее то, что этот преобладающий подход снова и снова доказывает свою несостоятельность. Вопреки устоявшемуся среди физиков мнению, в историческом споре с Бором явное преимущество осталось за Эйнштейном – он убедительно показал, что в самой основе квантовой физики имеются глубокие противоречия, требующие разрешения. И просто отбросить вопрос о реальности как «ненаучный», как делали некоторые оппоненты Шрёдингера, – позиция неубедительная и основанная на устаревшей философии. Среди глухого к этому вопросу большинства находились-таки «возмутители спокойствия», которые разработали альтернативные подходы к квантовой физике. Они сумели растолковать, что происходит в этом мире, нисколько не жертвуя точностью теоретического описания.

Такие альтернативы показывают: идея о том, что в квантовой физике не может существовать понятия реальности, ложна. И все-таки большинство физиков по-прежнему в той или иной форме придерживаются этой идеи. Ее по-прежнему преподают в школах, популяризаторы рассказывают о ней публике. Даже когда вспоминают об альтернативных подходах, о них вспоминают именно как об альтернативах тому, что считается верным по умолчанию, невзирая на то что как раз это умолчание оказывается совершенно неплодотворным. Таким образом, спустя почти столетие после появления квантовой теории, после того, как она полностью изменила мир и жизнь каждого человека на Земле – как в лучшую, так и в худшую сторону, – после всего этого мы все еще не знаем, что именно эта теория говорит нам о природе реальности. Именно эта от начала и до конца странная ситуация является предметом нашей книги.

* * *

Да, такое положение дел поистине удивительно. Но почти никто из не-физиков о нем не догадывается. Впрочем, почему, собственно, оно должно кого-то волновать? В конце концов, квантовая физика прекрасно работает. Да и самих физиков вряд ли должно что-то беспокоить: разве недостаточно того, что их математический аппарат работает безотказно и делает точные предсказания?

Но наука – это нечто большее, чем математика и предсказания. Наука рисует нам картину мира, рассказывает, как он устроен. Именно эта картина, этот рассказ об устройстве мира служат отправной точкой как повседневной научной практики, так и будущего развития научных теорий, не говоря уж о более широком мире человеческой деятельности вне области науки. Мы можем придумать множество историй о значении любой системы уравнений; из этих историй мы выбираем лучшую, а потом начинаем искать в ней изъяны. Именно так и развивается наука. Истории, вытекающие из лучших научных теорий, ведут к экспериментам, которые ученые ставят и результаты которых интерпретируют, уточняя и изменяя теории. Как сказал об этом Эйнштейн, «теория определяет, что мы можем наблюдать»[3]3
  Werner Heisenberg 1971, Physics and Beyond (Harper&Collins), p. 63.


[Закрыть].

История науки снова и снова подтверждает это высказывание. Галилей не изобретал телескопа, но он первым подумал о том, чтобы направить хороший телескоп на Юпитер – ведь он считал, что Юпитер, как и Земля, – планета, которая обращается вокруг Солнца. После этого в телескопы стали регулярно смотреть на все, что встречается на небе: на кометы, туманности, звездные скопления. Но никому не пришло в голову воспользоваться телескопом, чтобы выяснить, не изгибает ли гравитация Солнца лучи звезд во время солнечного затмения, пока общая теория относительности Эйнштейна не предсказала этот эффект через триста с лишним лет после открытия Галилея[4]4
  См. Stanley L. Jaki 1978, «Johann Georg von Soldner and the Gravitational Bending of Light, with an English Translation of His Essay on It Published in 1801», Foundations of Physics 8 (11/12): 927–950. Этот эксперимент можно было бы осуществить за несколько десятилетий до Эйнштейна. По сути, он был предложен за столетие до него Иоганном Зольднером в качестве проверки ньютоновской физики. Никто, однако, этой идеей не заинтересовался, пока Эйнштейн не предложил теорию, альтернативную Ньютоновой теории гравитации и проверяемую тем же способом.


[Закрыть]. Научная практика зависит от содержания наших теорий – и не только от содержания математического, но и от «истории», от картины мира, которая идет рука об руку с математикой. Этой картине мира принадлежит ключевая роль – как в науке, так и в выходе за пределы существующей науки с целью построить новую.

Картина мира много значит и за пределами чистой науки. То, что наука рассказывает нам о мире, постепенно пропитывает собой всю культуру, изменяя наш взгляд на мир вокруг нас и на наше в нем место. Открытие того факта, что Земля не является центром Вселенной, дарвиновская теория эволюции, Большой взрыв и расширяющаяся Вселенная возрастом почти 14 миллиардов лет, содержащая сотни миллиардов галактик, в каждой из которых сотни миллиардов звезд, – эти идеи радикально изменили взгляд человечества на самое себя.

Да, квантовая физика работает. Но игнорировать то, что она рассказывает нам о реальности, значит делать вид, что мы не замечаем прорехи в нашем понимании мира. Это значит игнорировать науку как процесс человеческого познания. В частности, это значит игнорировать наше поражение: крах попыток мыслить поверх междисциплинарных барьеров, защитить чистую науку от разлагающего влияния больших денег и военных контрактов, соответствовать идеалам научного мышления. Это поражение затрагивает интересы каждого мыслящего обитателя нашего мира, мира, каждый уголок которого преобразован наукой. Поэтому наш рассказ – рассказ о науке как области человеческой деятельности, а значит, не просто о том, как устроена природа, но и о том, как устроены люди.

Пролог
Невозможное свершилось

Джон Белл впервые столкнулся с математическим аппаратом квантовой физики, когда был студентом университета в Белфасте, и то, что он узнал, ему совсем не понравилось. Квантовая физика показалась Беллу какой-то невнятной путаницей. «Я не решался подумать, что в ней что-то неверно, – рассказывал Белл, – но я точно знал, что это паршиво»[5]5
  Jeremy Bernstein 1991, Quantum Profiles (Princeton University Press), p. 20. Если верить Бернстайну, Белл делал акцент на словах «точно знал». Еще Бернстайн пишет: «Белл выговаривал слово “паршиво” со смаком».


[Закрыть].

Нильс Бор, «крестный отец» квантовой физики, говорил о разделении между миром больших объектов, которым управляет классическая ньютоновская физика, и миром объектов малых, где царит физика квантов. Но в словах Бора смущало то, что из них невозможно было понять, где граница между этими мирами. Ничуть не лучше был и Вернер Гейзенберг, первооткрыватель математического аппарата квантовой физики. Подход Бора и Гейзенберга к физике квантов, названный в честь города, где жил и работал Бор, копенгагенской интерпретацией, отличался той же нечеткостью, которую Белл невзлюбил еще с университетских курсов по квантовой физике.

Незадолго до того, как Белл в 1949 году окончил университет, он познакомился с книгой Макса Борна, еще одного из создателей квантовой физики, «Натуральная философия причины и случая» (Natural Philosophy of Cause and Chance). Она произвела на Белла сильное впечатление, особенно обсуждение доказательства, построенного великим математиком и физиком Джоном фон Нейманом. Согласно Борну, фон Нейман доказал, что копенгагенская интерпретация – единственно возможный способ понимания квантовой физики. То есть либо копенгагенская интерпретация верна, либо неверна квантовая физика. А так как успехи квантовой физики были оглушительными, видимо, надо было примириться с копенгагенской интерпретацией и присущим ей принципом неопределенности.

Белл не смог ознакомиться с доказательством фон Неймана в оригинале – оно было опубликовано только по-немецки, а Белл немецким не владел. Прочитав описание этого доказательства у Борна, Белл «занялся более практическими вещами»[6]6
  John S. Bell 2004, Speakable and Unspeakable in Quantum Mechanics, 2nd ed. (Cambridge University Press), p. 160.


[Закрыть], чем размышления о копенгагенской интерпретации: его пригласили на работу в британскую программу по получению ядерной энергии. О сомнениях по поводу квантовой физики пришлось забыть. Но в 1952-м Белл «увидел, что свершилось невозможное»[7]7
  Bell 2004, p. 160.


[Закрыть] – его кратковременное примирение с копенгагенской интерпретацией было вдребезги разбито появлением одной новой статьи.

Физик по имени Дэвид Бом, невзирая на доказательство фон Неймана, сумел каким-то образом найти другой способ понимания квантовой физики. Как ему это удалось? Где допустил ошибку великий фон Нейман и почему никто этого не заметил раньше, чем Бом? Белл не мог ответить на эти вопросы, не прочитав доказательства фон Неймана. Спустя три года книгу фон Неймана издали на английском, но к этому времени жизнь Белла переменилась: он женился и переехал в Бирмингем, где писал докторскую диссертацию по квантовой физике. И все же о статье Бома он «никогда не мог забыть». «Я всегда знал, что она меня ждет»[8]8
  Charles Mann and Robert Crease 1988, «Interview: John Bell». OMNI, May, 90.


[Закрыть], – говорил потом Белл. Прошло еще десять с лишним лет, пока Белл наконец к ней не вернулся и не сделал самое глубокое со времен Эйнштейна открытие, касающееся природы реальности.