Квантовая революция. Как самая совершенная научная теория управляет нашей жизнью
Шрифт:
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
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.
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».
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] , 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] – его кратковременное примирение с копенгагенской интерпретацией было вдребезги разбито появлением одной новой статьи.
6
John S. Bell 2004, Speakable and Unspeakable in Quantum Mechanics, 2nd ed. (Cambridge University Press), p. 160.
7
Bell 2004, p. 160.
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] , – 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.
8
Charles Mann and Robert Crease 1988, «Interview: John Bell». OMNI, May, 90.
Часть I
Философия умиротворения
Математики Тлёна утверждают, что сам процесс счета изменяет количество и превращает его из неопределенного в определенное. Тот факт, что несколько индивидуумов, подсчитывая одно и то же количество, приходят к одинаковому результату, представляет для психологов пример ассоциации идей или хорошей работы памяти.
9
Пер. В. Кулагина-Ярцева. М., 1992.
Эта эпистемологическая оргия должна прийти к концу.
1
Мера всех вещей
Две великие теории потрясли мир в первой четверти XX века. Они не оставили камня на камне от воздвигнутого за столетия здания физической науки и навсегда изменили наше понимание реальности. Одна из них, теория относительности, была, будто в научно-фантастической повести, создана в уединении одиноким гением, который, казалось, ушел из науки только для того, чтобы триумфально вернуться в нее, осветив мир сиянием новой истины. Это был, конечно, Альберт Эйнштейн.
История рождения второй – теории квантов – более сложная. Эта теория возникла в результате коллективных усилий десятков физиков, работавших над ней около тридцати лет. Эйнштейн входил в их число, но не он был лидером. Самым авторитетным в этой неорганизованной и строптивой банде революционеров оказался великий датчанин Нильс Бор. Его Институт теоретической физики в Копенгагене лет на пятьдесят стал Меккой квантовых теоретиков: почти каждый из тех, кто сделал себе имя работами в этой зарождающейся области, в какой-то момент оказывался здесь, чтобы продолжить исследования или чему-то научиться. Тут физики сделали выдающиеся открытия почти во всех областях своей науки: они не только разработали основы теории квантов, но и объяснили внутреннюю логику периодической таблицы химических элементов и воспользовались энергией радиоактивности, чтобы выявить механизмы работы живых клеток. Именно Бор и группа его самых талантливых учеников и сотрудников – Вернер Гейзенберг, Вольфганг Паули, Макс Борн, Паскаль Йордан и другие – разработали и отстаивали копенгагенскую интерпретацию – комплекс идей, который быстро стал стандартным подходом в толковании смысла математического аппарата квантовой физики. Что квантовая теория сообщает нам о мире? Если следовать копенгагенской интерпретации, ответ на этот вопрос звучит очень просто: квантовая физика не сообщает нам о мире ничего.
Копенгагенская интерпретация утверждает: квантовая физика – это не описание мира квантов, населенного атомами и субатомными частицами. Это всего лишь инструмент для вычисления вероятностей различных исходов экспериментов. Если следовать Бору, картины квантового мира не существует потому, что «не существует никакого квантового мира. Есть лишь абстрактное квантово-теоретическое описание» [10] . Это описание не позволяет нам делать ничего, кроме предсказаний вероятностей квантовых событий – ведь квантовые объекты не существуют в том смысле, в каком существует повседневный окружающий мир. Гейзенберг сказал: «Идея объективного реального мира, мельчайшие части которого объективно существуют в том же самом смысле, в котором существуют камни или деревья, независимо от того, наблюдаем мы их или нет, – эта идея невозможна» [11] . Но результаты наших экспериментов вполне реальны – мы создаем эти результаты в процессе их измерения. Занимаясь измерениями положения электрона, Йордан заметил, что «электрон вынужден принять решение. Мы принуждаем его занять определенное положение, в то время как раньше он был, вообще говоря, ни здесь, ни там. <…> Результаты наших измерений создаем мы сами» [12] .
10
Max Jammer 1974, The Philosophy of Quantum Mechanics (John Wiley & Sons), p. 204. Однако см. также N. David Mermin 2004a, «What’s Wrong with This Quantum World?» Physics Today, February, pp. 10–11.
11
Heisenberg 1958, p. 129.
12
Jammer 1974, p. 164. Заметим, что позиция Йордана противоречит точке зрения Бора, а Гейзенберг, возможно, не согласен с ними обоими. Фактически под общим именем копенгагенской интерпретации объединяют много противоречащих друг другу течений, декларирующих тем не менее свое единство. Больше об этом см. в главе 3.
Альберту Эйнштейну такие утверждения казались смехотворными. «Эта теория немного напоминает мне систему бредовых представлений какого-то высокообразованного параноика» [13] , – писал он другу. Несмотря на то что он сам сыграл важнейшую роль в развитии квантовой физики, копенгагенскую интерпретацию Эйнштейн принять не мог. Он называл ее «философией умиротворения, чем-то вроде религии», которая подкладывает «мягкую подушечку всякому истинно верующему в нее, [но которая] на меня ни черта не действует» [14] . Эйнштейн настаивал на такой интерпретации квантовой физики, которая давала бы связное описание мира, позволяла бы получать ответы на вопросы даже в том случае, когда никаких измерений не производится. Его раздражало, что копенгагенская интерпретация не отвечает на такие вопросы, за что он и назвал связанный с ней образ мышления «эпистемологической оргией» [15] .
13
Письмо Эйнштейна Д. Липкину от 5 июля 1952 г., цит. по Arthur Fine 1996, The Shaky Game, 2nd ed. (University of Chicago Press), p. 1.
14
Kaiser 2011, How the Hippies Saved Physics: Science, Counterculture, and the Quantum Revival (W. W. Norton), p. 8.
15
Fine 1996, p. 94.