Думаю, я могу ответственно заявить, что никто не понимает квантовую механику. Если есть возможность, прекратите спрашивать себя: «Да как же это возможно?» – так как вас занесет в тупик, из которого еще никто не выбирался.
Ричард Фейнман, лауреат Нобелевской премии по физикеКвантовая механика описывает миниатюрный мир атомов и их составных частиц, причем отличается ошеломляющей точностью, хотя от начала и до конца является вероятностной. Квантовая механика применяется при проектировании и создании многочисленных технологий, определяющих жизнь современного общества. Например, она исключительно важна для создания лазеров и сложнейших компьютеров, но во многих отношениях противоречит не только нашим сущностным и абсолютным убеждениям о природе пространства, но и всем ньютоновским концепциям порядка и уверенного прогнозирования.
В данном случае уместно вспомнить старинный принцип Шерлока Холмса, который гласит: «Когда вы исключили все невозможное, то, что осталось, даже самое невероятное, и есть истина». В этой главе мы ознакомимся с основными фактами квантовой теории, причем сделаем это по-холмсовски – специально отбросим все предубеждения, накопившиеся за последние 300 лет развития науки. Причина, по которой ученые все дальше и дальше заходят в тупик, заключается в следующем: они отказываются признать непосредственные и очевидные следствия экспериментов. Биоцентризм – единственная концепция, постижимая для человека и объясняющая, почему мир выглядит именно так, а не иначе. И если мы откажемся от традиционных взглядов на устройство мироздания, то горевать по этому поводу нам точно не придется. Как отметил нобелевский лауреат Стивен Вайнберг, «сомнительное удовольствие – втолковывать людям простейшие законы физики».
Чтобы выяснить, почему пространство и время относительны для наблюдателя, Эйнштейн присвоил их «изменчивым изгибам» запутанные математические свойства. Эйнштейновское пространство-время – это невидимая и неощутимая сущность. Несомненно, Эйнштейн весьма успешно объяснил принципы движения объектов, особенно в экстремальных условиях – например, при огромной гравитации и на очень высоких скоростях. Но многие люди стали ошибочно полагать, что пространство-время – это реально существующий феномен, не менее материальный, чем швейцарский сыр. На самом же деле речь идет просто о математическом конструкте, который служит конкретной цели – упростить расчеты, связанные с движением. Разумеется, путаница с пространством-временем – далеко не первый случай, в котором математические инструменты ошибочно принимаются за реальные феномены. Квадратный корень из минус одного и знак бесконечности – вот всего два примера незаменимых математических сущностей, которые целиком и полностью абстрактны. Ни у того, ни у другого нет никаких аналогов в наблюдаемой Вселенной.
Такая дихотомия между концептуальной и физической реальностью лишь усугубилась с появлением и развитием квантовой механики. Несмотря на центральную роль наблюдателя в данной теории – эта роль напрямую касается не только пространства и времени, но и глубинных свойств материи как таковой, – некоторые ученые по-прежнему считают наблюдателя помехой или игнорируют как какую-то несущественную мелочь.
В квантовом мире отказываются работать даже усовершенствованные Эйнштейном ньютоновские часы – то есть Солнечная система, которая считается точным, пусть и довольно сложным, хронометром. Сама концепция того, что разрозненные события могут происходить в отдельных несвязанных местах – здесь мы сталкиваемся с излюбленным физическим феноменом «локальности», – не соблюдается на атомном и субатомном уровне. Более того, накапливаются все новые доказательства, позволяющие утверждать, что эта концепция не вполне выполняется и в макромире. В соответствии с теорией Эйнштейна, события, происходящие в пространстве-времени, можно измерять относительно друг друга. Однако квантовая механика уделяет повышенное внимание самим процессам наблюдения и тем самым подрывает основы объективности.
Вероятно, при изучении субатомных частиц исследователь самим процессом наблюдения изменяет наблюдаемое и его свойства. Само присутствие экспериментатора и применяемые им методы неразрывно связаны с тем, что он наблюдает, и, соответственно, с результатами экспериментов. Электрон может проявлять себя и как частица, и как волна. Однако как себя поведет эта частица и, гораздо важнее, где она будет при этом находиться, зависит от самого акта наблюдения.
Такие проблемы оказались достаточно новыми. В рамках традиционной, неквантовой физики логично предполагается наличие внешней, объективной Вселенной. В такой Вселенной мы должны с определенностью устанавливать положение отдельных частиц – так же, как выясняем положение планет. Традиционная физика предполагала, что поведение частиц должно быть полностью предсказуемым, если все внешние условия известны в начале эксперимента. Считается, что можно измерить с практически бесконечной точностью физические свойства объекта любого размера, если для этого существуют адекватные технологии.
Наряду с квантовой неопределенностью в современной физике есть еще один аспект, ставящий под сомнение эйнштейновскую концепцию раздельных (дискретных) сущностей и пространства-времени. Эйнштейн утверждал, что скорость света является постоянной и что события в одном месте не могут одновременно влиять на события в другом месте. В теориях относительности приходится учитывать скорость света при определении того, как информация переходит от одной частицы к другой. Такая зависимость обмена информацией от скорости света была подтверждена уже около века назад, даже если речь идет о распространении действия гравитации. Скорость света в вакууме составляет около 300 000 километров в секунду. Однако последние исследования показывают, что эта цифра может отличаться при передаче некоторых типов информации.
Наука столкнулась с поистине странными явлениями в 1935 году, когда Эйнштейн, Подольский и Розен занялись исследованием любопытной квантовой проблемы, называемой «запутанность частиц». Результаты исследования были опубликованы в знаменитой статье, которая не теряет актуальности до сих пор, а рассмотренное в ней явление часто именуется ЭПР-корреляцией.[11] Авторы статьи отвергли принятую в квантовой теории точку зрения о том, что любая элементарная частица каким-то образом «узнает», как ведет себя в пространстве другая, совершенно отдельная элементарная частица. Все наблюдения такого типа они приписали некоему пока еще не установленному локальному искажению, а не особому явлению, которое Эйнштейн саркастически называл «жутким дальнодействием».
