Осенью 1927 года в Брюсселе собрались двадцать девять человек, из которых семнадцать в разные годы получили или получат Нобелевскую премию. Есть знаменитая фотография с этого Сольвеевского конгресса, где в первом ряду сидит Эйнштейн с видом человека, который приехал спорить, а во втором и третьем стоят молодые люди, только что перевернувшие физику. Формально конгресс был посвящён электронам и фотонам, фактически там началась дискуссия, которая идёт сто лет и до сих пор не закончена. Замечательно тут вот что: за эти сто лет квантовая теория превратилась в самую точно проверенную теорию в истории науки, на её основе построены транзисторы, лазеры, томографы, светодиоды и половина мировой экономики, а понимания того, о чём эта теория, собственно, говорит, у нас как не было, так и нет. Физики умеют считать с точностью до двенадцатого знака после запятой и не могут договориться, что означают их собственные вычисления. Ситуация, прямо скажем, редкая для науки и по-человечески довольно трогательная.
Чтобы понять, из-за чего спор, надо сначала разглядеть сам предмет разногласий. Математическая часть теории вопросов ни у кого не вызывает. Состояние квантового объекта описывается волновой функцией, которую придумал Шрёдингер в 1926 году, и эта функция меняется во времени по его уравнению плавно, непрерывно и полностью предсказуемо. Никакой случайности в этом уравнении нет, оно детерминированное, как уравнения Ньютона. Случайность появляется в другом месте. В том же 1926 году Макс Борн в работе о столкновениях частиц предложил считать квадрат модуля волновой функции вероятностью обнаружить частицу в данном месте, причём предложил это в примечании, добавленном на стадии корректуры, чем изменил представления человечества о реальности в сноске. И вот когда мы производим измерение, из всех возможностей, содержавшихся в волновой функции, реализуется ровно одна, а остальные исчезают бесследно. Никакое уравнение этого перехода не описывает. Уравнение Шрёдингера ведёт волну плавно, измерение обрубает её мгновенно, и в учебниках эти две процедуры стоят рядом, разделённые предупредительной интонацией, которую студенты обычно принимают за педагогическую строгость.
Джон фон Нейман в 1932 году честно записал это раздвоение в своей книге как два разных процесса и тем самым сформулировал то, что позже назовут проблемой измерения. Суть её можно изложить без единой формулы. Если уравнение Шрёдингера верно всегда, то оно верно и для прибора, и для лаборатории, и для экспериментатора, поскольку они тоже состоят из атомов. Тогда, поместив электрон в наложение двух возможностей и измерив его детектором, мы обязаны получить наложение двух состояний детектора, потом двух состояний лаборанта, потом двух состояний всей вселенной вместе с котом, о котором Шрёдингер написал свою издевательскую заметку в 1935 году. Кот, напомню, был придуман как насмешка над теорией, а вошёл в культуру как её символ, что случается с насмешками чаще, чем хотелось бы их авторам. Мы, однако, ни в одном опыте не видели наложенных друг на друга приборов. Мы всегда видим одну стрелку в одном положении. Вопрос о том, куда деваются остальные возможности и в какой момент, и есть предмет столетнего спора.
Первый ответ пришёл из Копенгагена и получил имя того города, хотя единой копенгагенской доктрины никогда не существовало, а взгляды Бора и Гейзенберга различались заметно. Бор настаивал на том, что всякий опыт мы обязаны описывать языком классической физики, потому что другого языка у нас нет, приборы наши классические и живём мы среди столов и стрелок. Отсюда его принцип дополнительности, изложенный в Комо в 1927 году: волновые и корпускулярные описания взаимно исключают друг друга и оба необходимы, а вопрос о том, чем электрон является сам по себе, в отсутствие определённой экспериментальной установки, лишён физического содержания. Гейзенберг говорил иначе и мыслил ближе к Аристотелю: волновая функция описывает возможность, потенцию, промежуточный род бытия между идеей и вещью, а измерение переводит возможное в действительное. Схлопывание волновой функции при таком взгляде означает изменение нашего знания, примерно как в случае с письмом, которое лежало запечатанным и вдруг оказалось прочитанным.
Копенгагенский подход победил на десятилетия, и победил по причинам не только научным. Он позволял работать. Молодая теория требовала расчётов ядерных реакций, спектров, химических связей, а философские затруднения можно было отложить в сторону с чувством выполненного долга, поскольку сам Бор объяснил, что дальше спрашивать бессмысленно. К пятидесятым годам в американских университетах сложилась атмосфера, которую Дэвид Мермин позже описал знаменитой формулой «заткнись и считай», причём Мермин, будучи человеком добросовестным, впоследствии специально разыскивал источник и признался, что придумал её сам, а приписывал по памяти Фейнману. Формула эта, при всей своей грубости, честно передаёт положение дел: студентам, задававшим слишком много вопросов о смысле, мягко советовали заняться делом. Джон Белл, один из самых глубоких умов второй половины века, в 1990 году написал статью, где предложил вообще изгнать из физики слово «измерение», потому что оно тайком протаскивает в фундаментальную теорию понятия наблюдателя и прибора, которым в фундаментальной теории делать нечего. Где проходит граница между квантовым и классическим, никто так и не указал, а с тех пор эту границу отодвинули далеко: интерференцию наблюдали на молекулах из сотен атомов, а недавно и на существенно более тяжёлых объектах, и никакого рубежа, за которым квантовость выключается, экспериментаторы пока не нашли.
Второй ответ придумал аспирант Принстона Хью Эверетт Третий в 1957 году, под руководством Уилера, и придумал его с той наглостью, на которую способны только очень молодые люди. Он предложил выбросить схлопывание вовсе. Пусть уравнение Шрёдингера работает всегда и для всего, включая наблюдателя. Тогда после измерения существует наложение двух состояний мира, в одном из которых прибор показал одно, а наблюдатель это увидел, а в другом прибор показал другое, и другой наблюдатель, точно такой же и с той же памятью до момента опыта, увидел другое. Обе ветви равно реальны, обе продолжают существовать, и никто из наблюдателей внутри своей ветви не может обнаружить остальные, потому что ветви перестают взаимодействовать. Работа Эверетта прошла почти незамеченной, Бор отнёсся к ней холодно, диссертацию заставили сократить и смягчить формулировки, а сам Эверетт ушёл из академической науки и всю оставшуюся жизнь занимался военным анализом для Пентагона, считал сценарии ядерной войны, курил, пил, растолстел и умер в 1982 году в пятьдесят один год, так и не узнав, что его идея станет одной из основных. В 1970 году Брайс Девитт вытащил её на свет статьёй в Physics Today и придумал название «многомировая интерпретация», после чего началась вторая жизнь этой мысли.
У многомирия есть красота, которую трудно не оценить. В нём одно уравнение и ничего больше, никаких дополнительных постулатов, никакого таинственного акта наблюдения, никакой роли сознания. Расплачиваться приходится онтологической расточительностью, поскольку количество ветвей растёт непредставимо быстро, и человеку с обыкновенной интуицией эта цена кажется чудовищной. Но главные трудности многомирия лежат в другом месте, и о них стоит сказать честно. Первая касается того, почему мир расщепляется именно на те ветви, которые мы наблюдаем, а не на какие-нибудь причудливые наложения, ведь математически волновую функцию можно разложить бесконечным числом способов. Ответ на это дала теория декогеренции, начатая Дитером Це в 1970 году и развитая Войцехом Зуреком: взаимодействие с окружением, с воздухом, светом и тепловым излучением, выделяет устойчивый набор состояний и уничтожает наблюдаемую интерференцию за времена, для крупных предметов невообразимо малые. Декогеренция объясняет, почему мы не видим размазанных котов. Она же, вопреки распространённому недоразумению, не объясняет, почему из множества возможностей осуществляется единственная, и этой оговоркой пренебрегают даже в неплохих научно-популярных книгах. Вторая трудность многомирия про вероятность. Если случается всё, то что означают борновские проценты, откуда берётся девяносто на десять, когда обе ветви одинаково существуют. Дэвид Дойч в 1999 году предложил вывести правило Борна из теории принятия решений, Дэвид Уоллес развил этот подход в подробную теорию, Зурек предложил свой вывод через симметрию, и споры об убедительности всех этих выводов идут до сих пор, причём оппоненты уверенно указывают на скрытую круговую логику. Отдельно замечу, что среди космологов многомирие популярнее, чем среди прочих физиков, и по понятной причине: когда вы описываете волновую функцию всей вселенной, поставить снаружи наблюдателя с классическим прибором решительно негде.
Третий ответ старше многомирия и в некотором смысле старше самого спора. На том же Сольвеевском конгрессе 1927 года Луи де Бройль изложил теорию, которую называл волной-пилотом: частицы существуют всегда, имеют определённые положения в каждый момент, а волновая функция ведёт их, подобно тому как радиоволна ведёт корабль. Де Бройля раскритиковали, Паули указал на затруднения с неупругим рассеянием, и автор от своей идеи отказался на четверть века. В 1952 году её независимо восстановил и довёл до рабочего вида Дэвид Бом, американский физик, которого к тому времени выгнали из Принстона за отказ давать показания комиссии по расследованию антиамериканской деятельности, и он писал свои статьи уже в Бразилии. В теории Бома электрон в двухщелевом опыте пролетает через одну определённую щель, а волновая функция проходит через обе и направляет его так, что на экране складывается интерференционная картина. Никакого схлопывания тут нет, случайность появляется только из-за незнания начальных положений частиц, и все предсказания обычной квантовой механики воспроизводятся в точности, если распределение этих положений подчиняется борновскому правилу. Заплатить приходится явной нелокальностью: движение частицы мгновенно зависит от того, что происходит с далёким партнёром по запутанности, и это записано в уравнениях без всякой маскировки.
История с теорией Бома содержит поучительный сюжет о том, как работает научное сообщество. Дело в том, что ещё в 1932 году фон Нейман опубликовал доказательство невозможности скрытых параметров, и на это доказательство тридцать лет ссылались как на окончательный запрет, освобождающий от необходимости думать. В 1935 году немецкий математик и философ Грета Герман опубликовала работу, где показала, что в доказательстве принято слишком сильное допущение и потому оно ничего не запрещает. Её работу не заметили. Только Джон Белл в статье, написанной в 1964 году и напечатанной в 1966, разобрал ошибку заново, после чего стало окончательно понятно, что запрет был иллюзорным. Бом успел построить свою теорию, попросту не поверив авторитету, и когда Белл спрашивал, как же так вышло, что невозможное сделали, он отвечал себе сам: невозможное было доказано с лишним условием, которое никому не пришло в голову оспорить.
Именно теория Бома привела Белла к его знаменитому результату. Разглядывая нелокальность бомовской механики, он задался вопросом, обязана ли всякая теория со скрытыми параметрами быть нелокальной, и в 1964 году доказал, что да, обязана. Неравенства Белла позволяют экспериментально проверить, может ли мир быть устроен так, чтобы результаты измерений определялись местными обстоятельствами и не зависели мгновенно от далёких выборов. Первые опыты поставили Фридман и Клаузер в 1972 году, гораздо более убедительные сделал Ален Аспе в начале восьмидесятых, а в 2015 году сразу три группы, в Делфте, Вене и американском институте стандартов, поставили эксперименты, закрывающие все основные лазейки одновременно. Неравенства нарушаются, природа устроена нелокально в беллевском смысле, и за это в 2022 году дали Нобелевскую премию. Важно понимать, что именно тут доказано: под запретом оказалась не всякая теория со скрытыми параметрами, а требование локальности, поэтому бомовская механика жива и здорова, а вот уютная картина мира, где всё определяется тем, что происходит поблизости, отменена экспериментально.
Кроме трёх главных участников спора в зале сидит десяток других претендентов, и о некоторых сказать необходимо. Есть теории спонтанного схлопывания, из которых самая известная предложена Гирарди, Римини и Вебером в 1986 году: они добавляют в уравнение Шрёдингера крохотный случайный член, из-за которого одиночная частица живёт в наложении практически вечно, а предмет из триллионов частиц схлопывается за неуловимо малое время. Эти теории отличаются от обычной квантовой механики в предсказаниях, и потому их можно проверять, чем экспериментаторы и заняты, постепенно отрезая допустимые области параметров. Роджер Пенроуз предложил связать схлопывание с гравитацией, и простейший вариант его модели, разработанный вместе с Диоши, был экспериментально исключён в 2020 году по отсутствию предсказанного спонтанного излучения. Есть кьюбизм Кристофера Фукса и его коллег, где волновая функция описывает степени уверенности действующего лица и никакой объективной волны в мире нет вообще. Есть реляционная трактовка Карло Ровелли, где состояние определено только относительно другого объекта, и разные наблюдатели могут иметь несовместимые описания на законных основаниях. Есть согласованные истории Гриффитса, Омнеса, Гелл-Манна и Хартла. И есть еретики, о которых спрашивают редко: сторонники сверхдетерминизма, среди них нобелевский лауреат Герард 'т Хоофт, полагают, что настройки приборов и свойства частиц скоррелированы общими причинами в прошлом, из-за чего вывод Белла теряет силу. Большинство физиков считает такую позицию отказом от свободы эксперимента и почти от самой возможности науки, но логической ошибки в ней никто не нашёл. Рядом стоят сторонники обратной причинности, работающие с идеей, что будущие условия опыта влияют на прошлое; сюда относится и двухвекторный формализм Аароновa, который вполне уважаем и при этом заставляет думать о времени неудобные мысли.
Есть ещё вопрос, реальна ли волновая функция или она описывает наше знание. В 2012 году Пьюзи, Барретт и Рудольф доказали теорему, которая при определённых допущениях исключает целый класс моделей, где волновая функция понимается как незнание о заранее существующем положении дел. Результат этот часто пересказывают чересчур бодро, поскольку допущения там нетривиальны, но давление на чисто информационные трактовки он создал ощутимое. А в 2018 году Даниэла Фраухигер и Ренато Реннер опубликовали мысленный опыт про наблюдателей, наблюдающих за наблюдателями, из которого следует, что при некоторых естественных предположениях разные участники приходят к противоречащим друг другу выводам о том, что случилось. Спор о том, кого именно этот результат убивает, продолжается, и каждая из школ уверенно объясняет, что убивает он соседей.
Насколько всё это важно на практике. Долгое время считалось, что перед нами метафизика, украшающая физику. Потом выяснилось, что квантовая информатика, криптография и вычисления выросли ровно оттуда, из работ людей, которых интересовал смысл, а не расчёт: Белл занимался основаниями, Клаузер ставил опыты, которые многим казались чудачеством, Зейлингер пришёл к телепортации состояний из тех же корней. Опрос, проведённый в 2011 году среди участников одной конференции по основаниям, дал забавную картину: около сорока процентов держались копенгагенских взглядов, примерно каждый пятый выбирал многомирие, остальные распределялись между прочими вариантами, и стоит помнить, что опрошенных было чуть больше трёх десятков, так что серьёзной статистики тут нет, зато есть портрет разброда. За прошедшие годы доля многомировиков, по ощущениям участников этих разговоров, подросла.
Если вам захочется потрогать этот спор руками, начните с малого. Возьмите описание двухщелевого опыта и попробуйте рассказать его самому себе три раза подряд, каждый раз честно оставаясь внутри одной из трёх картин: там, где вопрос о пути электрона запрещён; там, где электрон проходит обе щели в разных ветвях мира, которые потом сходятся на экране; и там, где он проходит одну щель, ведомый волной, прошедшей обе. Все три рассказа дадут одну и ту же полосатую картинку, проверенную миллионами студентов на лабораторных. Разница будет только в том, каким вы после этого увидите мир за окном, и вот эта разница, не поддающаяся пока никакому измерению, и есть то, из-за чего сто лет подряд спорят взрослые серьёзные люди.