В поисках кота Шредингера. Квантовая физика и реальность

Важным аспектом принципа неопределенности, который не всегда получает заслуженное внимание, является то, что он не работает

одинаково в обоих временных направлениях. В физике направление времени имеет значение лишь в исключительно редких случаях, и одной из фундаментальных загадок Вселенной, в которой мы живем, является то, что действительно должна существовать определенная «стрела времени» - разделение между прошлым и будущим. Принцип неопределенности показывает, что мы не можем одновременно узнать импульс и положение, и поэтому не можем предсказать будущее - будущее является изначально непредсказуемым и неопределенным. Однако законы квантовой механики позволяют провести эксперимент, из которого можно рассчитать и определить, каким импульсом и положением обладал электрон, скажем, некоторое время назад. Будущее изначально неопределенно - мы точно не знаем, куда движемся, - однако прошлое вполне известно, и мы точно знаем, откуда пришли. Перефразируя Гейзенберга: «В принципе, мы можем знать прошлое во всех деталях». Это в точности соответствует нашему повседневному опыту: время в сущности движется от известного прошлого к неопределенному будущему, и это самое фундаментальное свойство квантового мира. Это можно связать со стрелой времени, пронизывающей всю Вселенную, но более удивительные следствия этого свойства мы обсудим позже.

В то время как философы понемногу начали принимать столь невероятные следствия соотношений неопределенности, для Бора они стали лучом света, который осветил все идеи, над которыми он долгое время ломал голову. Идея комплементарности, которая заключается в том, что для понимания квантового мира необходимы и волны, и частицы (хотя на самом деле электрон, в общем-то, не является ни волной, ни частицей), нашла свое математическое отражение в принципе неопределенности, гласившем, что невозможно знать точное значение и положения, и импульса и что они являются дополняющими друг друга и в некотором роде взаимоисключающими аспектами реальности. За период с июля 1925 года до сентября 1927 года Бор почти ничего не опубликовал на тему квантовой теории, а затем прочитал лекцию в городе Комо в Италии, на которой ввел понятие комплементарности, а также озвучил то, что стало известно миру под названием «Копенгагенской интерпретации». Он указал, что, тогда как в классической физике мы считаем поведение частиц не зависящим от того, наблюдаем мы за ними или нет (как с часами), в квантовой физике наблюдатель взаимодействует с системой, так что систему нельзя считать независимой. Если мы хотим точно измерить положение частицы, мы создаем больше неопределенности в ее импульсе, и наоборот. В эксперименте по измерению волновых свойств мы устраняем корпускулярные свойства, и ни один эксперимент не демонстрирует одновременно и корпускулярные, и волновые аспекты - и так далее. В классической физике мы можем точно описать положение частиц в пространстве-времени и с такой же точностью предсказать их поведение, но в квантовой теории это невозможно. В этом смысле даже теория относительности является «классической».

Потребовалось много времени, чтобы эти идеи получили развитие и чтобы стала очевидна их важность. Сегодня основные положения Копенгагенской интерпретации легче объяснить и понять с позиции того, что происходит, когда ученый совершает экспериментальное наблюдение. Во-первых, надо признать, что сам факт наблюдения за предметом меняет его и что мы, наблюдатели, сами являемся неотъемлемыми компонентами эксперимента - нет часов, которые тикают вне зависимости от того, смотрим ли мы на них. Во-вторых, мы знаем лишь результаты экспериментов. Можно посмотреть на атом и увидеть электрон в энергетическом состоянии А, а посмотрев снова, застать его уже в энергетическом состоянии В. Мы полагаем, что электрон перепрыгнул из А в В, возможно, потому что мы смотрели на него. На самом деле мы не можем даже с уверенностью сказать, что это тот же самый электрон, и не можем судить о том, что с ним происходило, пока мы за ним не наблюдали. Из экспериментов - или из уравнений квантовой теории - мы можем узнать вероятность того, что при первом взгляде на систему мы получим ответ А, а при втором - В. Мы не можем ничего сказать о том, что происходит, когда мы не наблюдаем за системой, и как она переходит из состояния А в В, если вообще переходит. «Проклятые квантовые скачки», которые так раздражали Шрёдингера, - это просто наше объяснение того, почему мы получаем два различных результата при проведении одного и того же эксперимента, и это объяснение неверно. Иногда система находится в состоянии А, а иногда

в состоянии В, и вопрос о том, что лежит между ними и как она переходит из одного состояния в другое, не имеет смысла.

Это истинно фундаментальное свойство квантового мира. То, что наше знание о поведении электрона, когда мы наблюдаем за ним, ограниченно, весьма интересно, но то, что мы вообще ничего не можем сказать о его поведении, когда за ним не наблюдаем, совершенно невероятно.