КВАНТОВАЯ МЕХАНИКА ВХОДИТ В ЧАТ4
Томас Юнг был врачом. Это важно помнить, потому что именно врач - человек, привыкший смотреть на мир через тело, через симптом, через осязаемое - поставил в 1801 году опыт, который спустя двести лет всё ещё не даёт спать физикам-теоретикам.
Юнг занимался природой света. В то время шёл давний спор: свет - это поток частиц (как думал Ньютон) или волна (как настаивал Гюйгенс). Юнг решил проверить. Он взял источник света, поставил перед ним непрозрачный экран с двумя узкими щелями, а позади - второй экран, на котором должно было остаться изображение.
Если свет - это частицы, всё просто. Частицы летят прямо. Две щели дадут две полоски на экране. Как два прожектора через два окна. На экране оказалась не две полоски, а много. Чередующиеся светлые и тёмные полосы. Узор. Такой получается, когда встречаются две волны - они усиливают друг друга в одних точках и гасят в других. Интерференция. Юнг объявил: свет - волна. Ньютон ошибся. Физики успокоились.
Прошло сто лет. Пришёл Эйнштейн и в 1905 году объяснил фотоэффект: свет выбивает электроны из металла, причём не как угодно, а строго порциями. Пакетами. Квантами. Свет ведёт себя как частицы. За это Эйнштейн получил Нобелевскую премию. И физики оказались в неловком положении: у них была одна экспериментальная установка (Юнга), которая доказывала, что свет - волна, и другая (фотоэффект), которая доказывала, что свет - частицы. Оба опыта были воспроизводимы. Оба были правильными.
Свет оказался и тем, и другим. В зависимости от того, как спрашиваешь. Это назвали корпускулярно-волновым дуализмом и сделали вид, что объяснили. Хотя на самом деле просто дали загадке красивое название.
Потом физики пошли дальше. Они подумали: хорошо, со светом странно. Но это фотоны - всё-таки какие-то эфемерные штуки. А что если взять что-то настоящее? Электрон. Маленький, но всё-таки частица с массой, зарядом, всеми делами. Поставили двухщелевой опыт с электронами. Стреляли по одному. Электрон один. Лететь сквозь одну щель - это логично. Сквозь две одновременно - это бред. На экране получился интерференционный узор. Как от волны.
Один электрон. По одному. Каждый раз в случайную точку. Но постепенно - узор. Полосы. Как будто каждый электрон знает о всех предыдущих и знает, куда лететь, чтобы узор получился правильным.
Физики почесали головы и решили: электрон каким-то образом проходит через обе щели одновременно. Его волновая функция - математическое описание всех возможных состояний - проходит через обе. Происходит интерференция. Потом, когда электрон попадает на экран, волновая функция «коллапсирует» в одну точку. Это странно, но математика работает. Предсказания точные. Ладно. Приемлемо, как говорил мой кот.
А потом кто-то спросил: хорошо, электрон проходит через обе щели. Но через какую именно он прошёл в этот раз? Логичный вопрос. Поставили детектор. Маленький прибор у одной из щелей - он регистрирует, прошёл ли электрон именно здесь. Включили детектор. Стали стрелять. Интерференционный узор исчез. На экране - две полоски. Как от частиц. Как от пуль. Выключили детектор. Узор вернулся. Включили снова. Исчез.
Это воспроизводилось тысячи раз в десятках лабораторий по всему миру на протяжении ста лет. Результат один и тот же. Когда за электроном наблюдают - он ведёт себя как частица. Когда не наблюдают - как волна.
Здесь нужно остановиться и честно признать: у этого эффекта есть техническое объяснение, которое звучит чуть менее мистически, чем «частица знает, что за ней смотрят».
Чтобы зафиксировать электрон в щели, детектор должен с ним взаимодействовать. Например, послать фотон. Этот фотон передаёт электрону импульс, нарушает его состояние. Измерение - это физический процесс, а не пассивное наблюдение. Прибор буквально трогает электрон.
Это называется «декогеренция»: квантовое состояние разрушается при взаимодействии с измерительным прибором, с окружающей средой, с любыми внешними частицами. Казалось бы - всё объяснено. Не мистика, а физика. Но здесь начинается самое интересное.
В 1978 году Джон Уилер предложил мысленный эксперимент, который перевернул даже это объяснение. Уилер спросил: что если мы будем принимать решение о том, наблюдать за электроном или нет - уже после того, как электрон прошёл сквозь щели? После того, как событие формально уже произошло?
Это называется «эксперимент с отложенным выбором». В 2007 году французские физики под руководством Алена Аспе его реализовали. Реально, в лаборатории.
Электрон (точнее, фотон) уже прошёл через щели. Прибор ещё не решил, будет ли он фиксировать «через какую». И в этот момент - уже после прохождения - случайный генератор определял: измерять или нет.
Результат соответствовал квантовым предсказаниям. Если измерение происходило - даже постфактум - интерференции не было. Если нет - была.
Поведение частицы в прошлом зависело от того, что решили измерить в настоящем.
Уилер говорил об этом так: «Прошлое не существует до тех пор, пока оно не зарегистрировано». Он называл это participatory universe - «соучастная вселенная». Наблюдатель не просто фиксирует реальность. Он участвует в её создании.
Чтобы не уйти в метафизику раньше времени, нужно сказать о нескольких вещах, которые часто путают в популярных текстах про квантовую механику.
Первое. «Наблюдатель» в квантовой физике - это не обязательно человек с сознанием. Это любое физическое взаимодействие, любой прибор, любая частица, которая несёт информацию о состоянии системы. Фотон, отскочивший от электрона, - уже наблюдатель. Молекула воздуха, с которой взаимодействовала частица, - уже наблюдатель.
Второе. Квантовые эффекты существуют на очень маленьких масштабах. Стол, кошка, Луна - они квантовые по природе своих составляющих, но их квантовые состояния практически мгновенно разрушаются через взаимодействие с окружением. При комнатной температуре, в воздухе, в гравитационном поле - декогеренция происходит за промежутки времени, которые намного меньше любого измеримого.
Третье. Тем не менее. Граница между «квантовым» и «классическим» миром до сих пор точно не определена. Это называется «проблемой измерения», и она остаётся открытой. Разные интерпретации квантовой механики - копенгагенская, многомировая, реляционная, де Броль-Бомовская - дают разные ответы на вопрос о том, что именно происходит при измерении. И ни одна не является общепринятой.
Копенгагенская интерпретация, которую разработали Бор и Гейзенберг в 1920-х, говорит примерно следующее: квантовая частица до измерения находится в суперпозиции - в нескольких состояниях одновременно. Вопрос «где она находится на самом деле» - бессмысленный вопрос. «На самом деле» не существует до измерения. Есть только вероятности.
Это прагматичная позиция. «Заткнись и считай», как говорят физики-практики. Математика работает безупречно. Предсказания проверены с точностью до двенадцатого знака после запятой.
Но многих это не устраивало. Эйнштейн - при всём том, что именно он ввёл понятие кванта света - квантовую механику в копенгагенской интерпретации так и не принял. Его знаменитое «Бог не играет в кости» - это не религиозное высказывание. Это отказ принять принципиальную случайность как фундамент физики. Эйнштейн был убеждён: должны быть скрытые переменные. Что-то, что мы не видим, но что определяет результат. Реальность существует независимо от того, смотрим мы на неё или нет.
В 1964 году ирландский физик Джон Белл придумал способ проверить это экспериментально. Он вывел неравенства - математические условия, которые должны выполняться, если у квантовых частиц есть скрытые переменные (то есть если реальность существует независимо от измерения). Квантовая механика предсказывала нарушение этих неравенств.
В 1972 году Джон Клаузер провёл первый эксперимент. Неравенства Белла были нарушены. Квантовая механика оказалась права.
В 1982 году Ален Аспе провёл более чистый эксперимент - с закрытием «лазеек», которые оставляли теоретическую возможность для скрытых переменных. Результат тот же.
В 2022 году Аспе, Клаузер и Антон Цайлингер получили Нобелевскую премию по физике именно за эти эксперименты. Нобелевский комитет сформулировал так: «За эксперименты с запутанными фотонами, установившие нарушение неравенств Белла и ставшие пионерскими в квантовой информатике».
Если переводить на язык философии: локальный реализм - идея о том, что у объектов есть определённые свойства независимо от наблюдения, и что никакое влияние не распространяется быстрее света - опровергнут экспериментально. Реальность устроена иначе, чем мы привыкли думать.
Здесь стоит рассказать про квантовую запутанность, потому что она связана с двухщелевым экспериментом общим корнем - и является, пожалуй, самым головокружительным явлением во всей физике.
Два электрона можно привести в «запутанное» состояние: их квантовые параметры окажутся коррелированы. Если у одного измерить спин «вверх», у второго немедленно окажется спин «вниз» - независимо от расстояния между ними. Хоть в соседних комнатах, хоть на разных концах галактики.
Эйнштейн называл это «жуткодействием на расстоянии» и считал это доказательством неполноты квантовой механики. Оказалось, что это не неполнота. Это природа. Запутанность не позволяет передавать информацию быстрее света - математика запрещает использовать этот канал для связи. Но она говорит кое-что важное: квантовые объекты могут образовывать единую систему, части которой неотделимы друг от друга независимо от расстояния. Вселенная на квантовом уровне - не собрание отдельных вещей. Это сеть взаимосвязей.
Что со всем этим делать человеку, который не физик? Есть несколько уровней ответа. Уровень первый, практический. Квантовая механика уже работает в вашей жизни. Лазеры, полупроводники, транзисторы, МРТ-томографы, солнечные батареи, флеш-память - всё это основано на квантовых эффектах. Современная цивилизация работает на квантовой механике, хотя большинство людей этого не осознают. Квантовые компьютеры, квантовая криптография - это следующая волна, и она уже идёт.
Уровень второй, научный. Двухщелевой эксперимент - это не странность на краях физики. Это её центр. Проблема измерения, роль наблюдателя, природа вероятности - эти вопросы определяют, как мы понимаем фундамент реальности. И они до сих пор не решены.
В 2020 году группа физиков под руководством Массимилиано Проиетти провела эксперимент, который проверял расширенную теорему Вигнера - и показала, что два наблюдателя могут получить несовместимые описания одного и того же события. Оба описания - верные, в рамках своей системы отсчёта. Объективная реальность, одинаковая для всех наблюдателей, не следует из квантовой механики как необходимость. Это не значит, что реальности нет. Это значит, что у неё более сложная архитектура, чем предполагал здравый смысл.
Уровень третий. Двухщелевой эксперимент не доказывает, что сознание создаёт реальность в том смысле, который эксплуатируется в книгах типа «Секрет». Эту связку физики отвергают в подавляющем большинстве. «Наблюдатель» в квантовой механике - это физическое взаимодействие, а не мысль. Но он ставит под сомнение то, что казалось очевидным: идею о том, что мир существует в фиксированном состоянии независимо от любого взаимодействия с ним.
Уилер, один из крупнейших физиков двадцатого века, формулировал это так: вопрос «что такое реальность» - это уже не только вопрос для философов. Это рабочий вопрос физики.
Есть один факт, который я люблю приводить, потому что в нём есть что-то почти литературное. Ричард Фейнман, нобелевский лауреат, один из создателей квантовой электродинамики, говорил о двухщелевом эксперименте так: «В нём заключён весь квантовый секрет. Единственный секрет, который нужно знать. Всё остальное следует из него».
При этом Фейнман до конца жизни настаивал: никто не понимает квантовую механику. Мы умеем ею пользоваться. Умеем считать. Предсказания работают с невероятной точностью. Но что именно происходит - когда электрон проходит через щели, когда волновая функция коллапсирует - никто не знает.
Наука умеет делать невероятно точные предсказания о мире, не понимая его до конца. Это её сила и одновременно её честность перед собой. Двухщелевой эксперимент - в этом смысле идеальная точка входа в квантовую механику. Он помещается на одной странице. Воспроизводится в любой хорошей лаборатории. И после ста лет исследований всё ещё содержит внутри что-то, что не укладывается ни в одну удобную картину мира. Хорошая наука именно так и работает.