Квант. Путеводитель для запутавшихся

Формализм против интерпретации

Понимание многих квантовых идей, включая волновую функцию и ее странные свойства, и квантовых постулатов, которые говорят нам, как извлекать из них информацию о субатомном мире, жизненно необходимо для успеха и понимания всей квантовой теории. И все же в первой половине этой книги мы увидели, как трудно перевести сложную математику на язык слов, которые были бы понятны как физикам, так и нефизикам. Иными словами, хотя формализм квантовой механики не вызывает сомнений, никто пока не нашел такого объяснения, или интерпретации, этой теории, которое удовлетворило бы всех без исключения.

В эксперименте с двумя прорезями мы можем очень точно предсказать форму картины интерференции, которая появляется на экране (хотя и не можем предсказать, куда ударит каждый конкретный атом). Гораздо более удивительно, что квантовая механика очень точно предсказывает параметры атомов и молекул и тех частиц, из которых они состоят, а также природу сил, сдерживающих их вместе для формирования окружающих нас богатых и многообразных структур. Способность к таким предсказаниям есть не что иное, как признак успешной научной теории. Особенно поразителен тот факт, что мы можем сделать все эти выводы, не зная, почему мы получаем конкретные результаты. Похоже, мы вполне справляемся и без представления о том, как именно атом проходит сквозь две прорези.

Большинство практикующих физиков научились использовать теорию без понимания, почему она работает. На самом деле многие ведущие физики нашего времени открыто признавали, что никто до конца не понимает квантовую механику! Разве это не должно никого волновать? В этой главе мы изучим различные подходы к интерпретации теории и познакомимся с точками зрения, которые разделяли – и до сих пор разделяют – физики.

Уверен, многим физикам не понравится то, что я изложу в этой главе, так как я собираюсь описывать различные взгляды непредвзято. В конце концов, основная цель этой книги – объяснить, что такое квантовая механика и почему она так необычна. Но с моей стороны было бы нечестно и самонадеянно делать вид, что в квантовом саду благоухают розы. Многие физики, включая целый ряд моих коллег и партнеров-исследователей, считают, что здесь нет никакой проблемы. Они утверждают, что нет никакого смысла заострять внимание на конфликтах между различными интерпретациями того, что, в общем-то, представляет собой полностью понятную, логически последовательную и успешную математическую теорию.

Но было бы столь же нечестно – а эта книга, вероятно, стала бы не такой интересной, – если бы я в определенных случаях не показывал, какой именно позиции придерживаюсь.

Позвольте мне начать с серьезного, но при этом точного утверждения: ни одна интерпретация квантового формализма не может считаться лучше остальных и выбор между ними – лишь вопрос эстетики и вкуса каждого. В связи с этим многие считают бесполезным обсуждение плюсов и минусов различных интерпретаций. Хуже того, многие полагают, что истинной интерпретации нет и вовсе, а существующие представляют собой лишь в равной степени обоснованные способы толкования происходящего.

Эта точка зрения нашла отражения в часто цитируемой интерпретации «заткнись и считай», которая гласит, что, раз уж доказано (по крайней мере, пока), что верную интерпретацию найти невозможно, разговаривать о ней – пустая трата времени. Пускай этими вопросами занимаются философы, а физики пока продолжат использовать квантовомеханический формализм для изучения природы.

Более полувека ведущие физики ломали головы над проблемами интерпретации. Они утверждали, что квантовая механика уникальна среди научных теорий, потому что, обладая огромной предсказательной силой, толковать она по определению может лишь результаты измерений. Только это и должно нас волновать – переживать о необходимости для продвижения вперед единственной интерпретации нам не стоит. Такой прагматичный, или «инструменталистский», подход основан на философии «логического позитивизма», которая была популярна в Европе в период зарождения квантовой механики. Само собой, мне не хочется отклоняться от физики и уходить в философию, но все же я вкратце опишу суть этого подхода: если два человека придерживаются разных мнений, но при этом не могут разрешить свой спор при помощи эмпирических фактов, то в их противоречивых заявлениях нет никакого смысла – лучше им пойти и выпить пива.

Какова моя позиция по этому вопросу? Я придерживаюсь подхода, который называю «заткнись, пока считаешь». Он дает мне свободу размышлять о достоинствах различных интерпретаций квантовой механики, когда я не думаю о греческих буквах, не пишу компьютерный код и не царапаю мелом на доске алгебраические формулы. К несчастью, я мечусь уже почти двадцать лет, но так и не выбрал лучшую для себя интерпретацию. Я бы сказал, что квантовая механика позволяет нам свободно коммуницировать с природой посредством понятных правил математической грамматики, однако нам до сих пор не хватает единого перевода этой коммуникации на язык слов!

При этом я должен признать, что, как и большинство других физиков, я отягощен наследием Бора и так называемой стандартной интерпретацией квантовой механики. Эта интерпретация фигурирует в учебниках квантовой физики и преподается студентам-физикам, как будто она представляет собой единственное доступное пониманию объяснение того, что происходит, хотя в последние годы этот подход и подвержен изменениям. В его защиту говорит то, что он представляет собой самую простую интерпретацию. Это настоящий инструмент прагматика – он дает способы проведения расчетов в квантовой механике и называется просто копенгагенской интерпретацией. К сожалению, он обходит стороной целый ряд самых глубоких загадок квантового мира и просто оставляет многое за скобками. Однако под общим названием скрывается целый спектр различных точек зрения, выстроенных на одной основе.

Чтобы вы поняли, насколько широко распространена копенгагенская интерпретация, я скажу, что многие положения, уже упоминавшиеся на страницах этой книги, не входят в альтернативные, в равной степени верные интерпретации. К примеру, я подробно остановился на том, что волновая функция представляет собой не реальную физическую сущность, а просто набор чисел, которые позволяют нам делать предсказания по поводу исхода измерений. Об этом говорит только копенгагенская интерпретация, в то время как остальные точки зрения, с которыми вам еще предстоит познакомиться, считают волновую функцию физически реальной. Что еще удивительнее, мне не нужно было настаивать, что в фокусе с двумя прорезями атом должен «каким-то образом» пройти сквозь обе прорези одновременно. Как выясняется, к этому выводу нас не подталкивает ни квантовый формализм, ни экспериментальное наблюдение. В интерпретации де Бройля – Бома мы увидим, что вполне разумно предположить, будто атом прошел либо сквозь одну, либо сквозь другую прорезь, но на выходе при этом все равно получить картину интерференции!

Первым делом давайте внимательнее познакомимся с тем, на чем настаивал Бор и продолжают настаивать многие поколения физиков, называющих себя его последователями.