Квант. Путеводитель для запутавшихся

Нужна ли теории интерпретация?

Представление о том, что научная теория вполне может иметь более одной интерпретации, при условии что их предсказания не различаются, вероятно, характерно лишь для квантовой механики. Сравнив эту ситуацию с другими выдающимися достижениями XX века, можно провести интересную параллель.

В 1905 году, всего через несколько месяцев после публикации статьи о фотоэлектрическом эффекте, за которую он впоследствии удостоился Нобелевской премии, Эйнштейн завершил свою самую знаменитую работу – специальную теорию относительности. Она гласила, что различные наблюдатели, движущиеся относительно друг друга, будут иметь разное представление о расстоянии и временных интервалах между двумя событиями. Так как никто не вправе претендовать на главенство собственной системы отсчета, представление об абсолютных длинах и временных интервалах пропадает. Это можно понять, только объединив идеи пространства и времени. Следовательно, два наблюдателя, движущихся на высокой скорости относительно друг друга, будут по-разному оценивать длину объекта. Это в некотором роде уравновешивается тем, что измеренное их часами время между двумя событиями тоже будет разным.

Измеренные двумя наблюдателями расстояния между двумя точками и временные интервалы связаны друг с другом посредством набора алгебраических формул, называемых преобразованиями Лоренца по имени голландца Хендрика Лоренца, который первым записал их за год до публикации работы Эйнштейна. Значительная часть подготовительной работы к теории относительности действительно была проведена еще до Эйнштейна, и в 1890-х годах Лоренц и ирландский физик Джордж Фицджеральд независимо друг от друга предложили ранние формы этих преобразований, чтобы объяснить известный эксперимент, который показал, что свет может проходить сквозь пустое пространство.

Проблема состояла в том, что уравнения Лоренца и Фицджеральда были абсолютно правильными и давали верный ответ, но по неверной причине. Ученые неправильно истолковали происходящее, предположив, что измеряющий скорость света прибор оказывался растянутым в длину из-за своего движения сквозь таинственный «эфир», заполняющий все пространство. Великое достижение Эйнштейна заключалось в том, что он предложил простой постулат, с помощью которого смог дать верную интерпретацию физики. Он показал, что для распространения свету вовсе не нужен носитель – как в случае с водой и водяными волнами. Все встало на места, когда он смело предположил, что пучок света не только может проходить сквозь пустое пространство, но и обладает одинаковой скоростью, независимо оттого, как быстро мы двигаемся относительно него в момент проведения измерений.

В эту идею трудно поверить, но она чрезвычайно важна. Последовавшие за ней предположения, в частности о единстве пространства и времени, позволили нам объяснить получаемые экспериментальные результаты.

Таким образом, сжатие Лоренца – Фицджеральда оказалось верным – рассчитанные ими величины сошлись с результатами наблюдений, однако не по той причине, по которой они полагали. Эйнштейн дал верную интерпретацию. Мы ясно видим, что хорошая интерпретация ценна тем, что она подводит нас ближе к истине. Без удовлетворительной интерпретации мы до сих пор бродили бы в темноте, как бы хорошо наша теория не соотносилась с экспериментальной практикой.

Никто не смог предложить единственную и полностью удовлетворительную интерпретацию квантовой механики. Но означает ли это, что такой «верной» интерпретации не существует вовсе?

Еще одна идея копенгагенской интерпретации заключается в том, что должно существовать четкое разделение между измеряемой (квантовой) системой и макроскопическим измерительным прибором (описываемым по законам ньютоновской, или классической, механики). Следовательно, хотя последний и состоит из атомов, нельзя считать, что он в равной степени подчиняется квантовым законам. Акт измерения приводит к резкому скачку в состоянии измеряемой системы, которая превращается из комбинации потенциальных параметров в итоговый результат. Идею «коллапса волновой функции», происходящего после измерения, впервые в 1929 году предложил Гейзенберг.

Неудивительно, что теория не поддается логическому пониманию, так как для объяснения квантовой механики требуется прибегать к отчаянным мерам. Вероятно, большего здесь и не сказать. Теперь мне стоит перечислить свои претензии к копенгагенскому подходу, чтобы вы поняли, почему я – как и многие другие физики – полагаю, что ее время прошло.

Я вообще не считаю копенгагенскую интерпретацию настоящей интерпретацией. Это набор правил, которым мы должны подчиняться, чтобы применять квантовый формализм, не задумываясь о его значении. Следовательно, копенгагенская интерпретация не только не объясняет, как атом проходит сквозь две прорези одновременно, но и категорически заявляет, что сам этот вопрос не имеет никакого смысла, а потому нам стоит ограничить свои комментарии картиной интерференции на экране (то есть измерением). Копенгагенская интерпретация успешно устраняет логические противоречия и нестыковки, позволяя задавать лишь те вопросы, которые касаются результатов измерений.

Многие из тех, кто стоял у истоков копенгагенской интерпретации, в частности Бор, Гейзенберг и Вольфганг Паули, с некоторым презрением относились к последующим попыткам формирования физической картины квантового мира. Они считали их тщетной попыткой вернуться к устаревшему (ньютонианскому) способу мышления, который навсегда отошел в прошлое. Впоследствии Бор действительно даже отказывался смотреть на альтернативные интерпретации, вероятно, надеясь, что они просто пропадут сами собой. Гейзенберг тоже не принимал эти варианты, поскольку:

«они лишь повторяют копенгагенскую интерпретацию другими словами [и] формируют исключительно позитивистскую точку зрения, что кто-то может сказать, будто мы тут изучаем не контрпроекты для копенгагенской интерпретации, а лишь заботимся о ее точном повторении на другом языке»[40].

Он полагал, что формализм квантовой механики предопределяет существование лишь одной интерпретации, в то время как альтернативные подходы отличаются от нее одним только способом интерпретации математики, но не задействуют никакой другой физики. Не стоит и говорить, что я с ним не согласен, ведь таким взглядом может обладать лишь приверженец копенгагенской школы позитивизма!

Мое второе критическое замечание связано с тем, что копенгагенская интерпретация ничего не говорит о том, как происходит коллапс волновой функции. Время странным образом делится на периоды до и после измерения, которое проводится в отношении квантовой системы. Прежде чем мы установим наблюдение, оно развивается в соответствии с уравнением Шрёдингера. Это развитие – изменение волновой функции с течением времени – не предполагает ни неопределенности, ни вероятностей. Но, как только происходит измерение, нам приходится следовать совершенно другому набору правил, в связи с чем в дело вступают квантовые вероятности. Копенгагенская интерпретация не может и даже не пытается объяснить это различие между обычным физическим процессом и процессом измерения.

Наконец – и это, как мне кажется, самое важное, – наделяя наблюдателя таким привилегированным статусом, копенгагенская интерпретация отрицает наличие объективной реальности, которая существует в отсутствие наблюдения. Сторонники копенгагенского подхода часто обвиняют тех, кто до сих пор ищет интерпретации квантового формализма, в том, что они потерялись в метафизике, забыв об истинной физике. Однако, если «верная» интерпретация квантовой механики действительно существует, ее поиск представляет собой попытку объяснить, как на самом деле ведет себя природа. В то же время довольствоваться набором узкоспециальных правил, которым следует подчиняться, чтобы проводить вычисления, можно лишь временно.

Что же еще есть на рынке? И, если другие интерпретации в состоянии дать более рациональное и убедительное объяснение, почему большинство физиков по-прежнему предпочитают копенгагенский подход?