Всё ещё неизвестная Вселенная. Мысли о физике, искусстве и кризисе науке

В квантовой механике существует правило, названное правилом Борна, которое определяет, как использовать волновую функцию для расчета вероятностей получения различных возможных результатов в экспериментах. Например, согласно правилу Борна, вероятности получения положительного или отрицательного значения при измерении спина в некотором выбранном направлении пропорциональны квадрату модуля волновой функции, характеризующей эти два состояния спина[99].

Введение вероятности в законы физики обеспокоило физиков прошлого, но проблема квантовой механики не в том, что она использует вероятности. Это мы можем пережить. Проблема в том, что уравнение Шрёдингера, которое в квантовой механике описывает изменение волновых функций во времени, не содержит вероятностей. Оно имеет такой же детерминистский характер, как и законы движения и гравитации Ньютона. То есть зная волновую функцию в некоторый момент времени, с помощью уравнения Шрёдингера можно точно определить, какой вид примет волновая функция в любой момент времени в будущем. Здесь даже нет возможности для хаотического поведения, возникающего при крайне высокой чувствительности решения уравнения к начальным условиям, которое может иметь место в ньютоновской механике. Поэтому если мы примем, что весь процесс измерения в целом описывается уравнениями квантовой механики, а эти уравнения являются совершенно детерминистскими, тогда как в квантовой механике возникают вероятности?

Отвечая на этот вопрос, обычно говорят, что в процессе измерения спин (или любая другая измеряемая величина) вступает во взаимодействие с макроскопической окружающей средой, которая подвержена случайным колебаниям. Скажем, окружающей средой может быть поток фотонов в луче света, с помощью которого проводится наблюдение за системой. Фотоны в луче так же непредсказуемы, как капли в дождевом потоке. Из-за влияния окружающей среды суперпозиция различных состояний в волновой функции разрушается, что приводит к определенному, хоть и непредсказуемому, результату измерения некоторой величины. (Этот процесс называется декогеренцией.) Это как если бы из шумового фона каким-то непредсказуемым образом выделилась одна слышимая нота. Однако тут встает вопрос. Если детерминистское уравнение Шрёдингера описывает временную зависимость не только спина, но также и измерительной системы, и ученого-физика, проводящего измерения, тогда результаты измерения в принципе не должны быть непредсказуемыми. Поэтому мы вынуждены повторить вопрос: так как же в квантовой механике возникают вероятности?

Одна разгадка этой тайны была предложена в 1920-х гг. Нильсом Бором. Впоследствии его формулировка легла в основу так называемой копенгагенской интерпретации квантовой механики. Согласно Бору, в процессе измерений происходит редукция состояния системы, например спина, к тому или иному результату, причем таким образом, который сам по себе не может быть описан в рамках квантовой механики и является по-настоящему непредсказуемым. Сегодня такой ответ многим кажется неприемлемым. Видимо, не существует способа провести границу между областями, в которых, согласно Бору, применима и не применима квантовая механика. Когда-то я учился в аспирантуре в Институте Бора в Копенгагене, но он был великим ученым, а я — молодым аспирантом, так что мне не выпал шанс задать ему вопрос напрямую.

Сегодня в квантовой механике наиболее распространены два общепринятых подхода, которые рассматривают вероятностный характер измерений с двух совершенно разных позиций[100]. Я называю эти два подхода «реалистичным» и «инструментальным». По причинам, которые я поясню, ни один из них не кажется мне вполне удовлетворительным[101]

.

Инструментальный подход наследует копенгагенскую интерпретацию, но вместо проведения воображаемой границы, за которой реальность уже не описывается квантовой механикой, этот подход вообще отвергает роль квантовой механики как способа описания реальности. Волновая функция по-прежнему есть, но это не реальная физическая сущность вроде частицы или поля. Наоборот, это всего лишь инструмент, который позволяет предсказывать вероятность различных исходов физических опытов.

Мне кажется, что проблема данного подхода не только в том, что он отказывается от изначальной цели науки — объяснять, что происходит на самом деле. Это капитуляция особенно печального типа. В рамках инструментального подхода нам придется принять в качестве фундаментальных законов природы правила (аналогичные упомянутому выше правилу Борна) использования волновой функции для расчета вероятностей различных результатов при проведении людьми измерений. Таким образом, человеческий фактор появляется в физических законах на самом фундаментальном уровне. По мнению пионера квантовой механики Юджина Вигнера, «без отсылки к сознанию невозможно сформулировать полностью согласованные законы квантовой механики»[102].