«Это полный бардак»: головокружительное путешествие на празднование 100-летия квантовой теории

Сотни физиков (и несколько журналистов) отправились на Гельголанд, родину квантовой механики, и разобрались с тем, что им известно и что неизвестно о реальности. Комментарий Сохранить статью Прочитать позже

« С 100-летием, квантовая механика!» — прокричал физик в микрофон одним июньским вечером, и огромный банкетный зал гамбургского отеля «Атлантик» взорвался аплодисментами и овациями. Около 300 специалистов по квантовой физике приехали со всего мира на открытие шестидневной конференции, посвящённой столетию самой успешной теории в физике. Среди присутствовавших были известные пионеры квантовых вычислений и квантовой криптографии, а также четыре лауреата Нобелевской премии.

«У меня такое чувство, будто я на Вудстоке», — сказал мне Даниэль Бургарт из Университета Эрлангена-Нюрнберга в Германии. «Это мой единственный шанс увидеть их всех в одном месте».

Ровно сто лет назад 23-летний постдок по имени Вернер Гейзенберг, заболев сенной лихорадкой, отправился на Гельголанд, пустынный, продуваемый всеми ветрами остров в Северном море. Там Гейзенберг выполнил расчёты, которые легли в основу квантовой механики – радикально новой теории атомного и субатомного мира.

Теория остается радикальной.

До появления квантовой механики «классические» физические теории имели дело непосредственно с материей мира и её свойствами: скажем, с орбитами планет и скоростями маятников. Квантовая механика имеет дело с чем-то более абстрактным: возможностями. Она предсказывает вероятность того, что мы увидим, как атом делает то или иное, находится ли он здесь или там. Создаётся впечатление, что частицы могут одновременно вести себя несколькими возможными способами, что у них нет фиксированной реальности. Поэтому физики потратили последнее столетие на поиски ответов на такие вопросы, как: что реально? И откуда берётся наша реальность?

На следующее утро после банкета в Гамбурге собравшиеся физики (и несколько журналистов) отправились на пароме в Гельголанд, чтобы обсудить положение дел спустя столетие после рождения теории.

Обсуждение началось почти сразу же, как только мы сели на борт. К тому времени, как я добрался до своего места, Часлав Брукнер и Маркус Арндт из Венского университета были увлечённо беседовали о том, подчиняется ли ткань пространства и времени тем же квантовым законам, что и частицы. Вскоре к ним присоединился Адан Кабельо из Севильского университета. Я увидел, как кто-то с энтузиазмом поднял палец в воздух, и кто-то воскликнул: «Что ты имеешь в виду? Что я имею в виду?»

Когда паром покинул укрытие Эльбы и вошёл в бурные волны Северного моря, Кабельо развёл руками. «Мы здесь с радостью празднуем столетие, — сказал он, — но на самом деле это полная чушь. Нам преподнесли эту теорию, и мы до сих пор не понимаем её смысла».

Внезапно почувствовав приступ тошноты, я извинился и отказался от философствований, выйдя на палубу второго этажа корабля подышать свежим воздухом.

Гейзенберг в Гельголанде

Я вцепился в перила обеими руками и всматривался в густой туман, тщетно пытаясь уловить устойчивую сенсорную информацию горизонта, пока нас качало на волнах. (В тот день операторы парома отменили последующие рейсы.) Наконец, к облегчению многочисленных пассажиров с неидеальными желудками, паром вошел в порт Гельголанда.

Мы попали в совершенно иной мир. На этом немецком острове проживает почти 1400 человек, чьи скромные дома расположены в Унтерланде, на уровне моря, и Оберланде, расположенном на краю травянистого плато, усеянного овцами и свободно летающими морскими птицами. Именно в этой разобщённой стране зародилось зерно квантовой механики в голове Гейзенберга.

Десятилетиями накапливались подсказки о том, что материя и свет не поддаются общепринятой логике. В классической физике местоположение, скорость и другие свойства объектов всегда могли принимать любые значения, и, следовательно, изменения всегда происходили плавно и непрерывно. Но в 1900 году измерения света, исходящего от горячих объектов, привели Макса Планка к утверждению, что материя должна приобретать и терять энергию только дискретно, причем энергия нарастает и падает крошечными скачками. Это был первый намёк на то, что мир «квантован», давший название квантовой механике. Пять лет спустя Альберт Эйнштейн доказал, что свет, который всегда вёл себя неизменно как непрерывная волна, также существует в виде частицеподобных порций энергии. А в 1913 году Нильс Бор предположил, что электроны вращаются вокруг атома только на определённых фиксированных расстояниях; приобретая или теряя энергию, они мгновенно «перескакивают» между орбитами. Но никому ещё не удалось объединить эти любопытные факты в связное описание.

Гейзенберг, протеже Бора, ежедневно совершал прогулки и длительные плавания на Гельголанде, размышляя над своими мыслями. Он знал, что модель атома Бора не совсем верна. Она предсказывала правильные частоты света, испускаемого атомами водорода, но не работала для более крупных и сложных атомов.

Итак, Гейзенберг совершил концептуальный скачок, который до сих пор поражает воображение. На конференции Билл Унру, известный физик с бородой, которой позавидовал бы сам Санта-Клаус, сказал мне, что просто не понимает, как Гейзенберг пришёл к таким расчётам, назвав свой путь «загадкой». Однажды вечером за выпивкой астрофизик Мэтт О’Дауд, ведущий канала PBS Space Time на YouTube, пошутил, что, возможно, в дебрях Гельголанда скрываются грибы, способные раскрыть разум. Натали де Леон из Принстонского университета в своём выступлении отметила, что, по слухам, Гейзенберг употреблял кокаин для облегчения аллергии.

Что бы ни послужило причиной, его озарение вызвало сейсмический сдвиг в физике. Он отказался от мысленного образа атома как маленькой солнечной системы с электронами, вращающимися по фиксированным траекториям. Он рассуждал о том, что столь точный микроскопический механизм находится вне досягаемости прямого эксперимента, поэтому теория также не должна ссылаться на него напрямую. В своём новом описании Гейзенберг ограничился только свойствами, измеряемыми машинами, находящимися вдали от атома, а именно цветом и интенсивностью испускаемого им света. После долгой ночи вычислений он нашёл способ переписать массивы чисел, описывающих измеряемые характеристики света, таким образом, чтобы воспроизвести предсказание Бора о свечении водорода. Он сделал это, не ссылаясь на атом водорода или движение его предполагаемых частей. Его основанная на наблюдениях модель была более абстрактной и, следовательно, с большей вероятностью применимой и к другим атомам.

Спустя десятилетия Гейзенберг писал о том, как момент озарения на Гельголанде вдохновил его на восхождение на рассвете у моря близ Унтерланда. «Я чувствовал почти головокружение при мысли о том, что теперь мне предстоит исследовать это богатство математических структур, которое природа так щедро раскинула передо мной», — вспоминал он.

К осени его коллеги разглядели нечто удивительное в его математических расчётах. В октябре того же года вундеркинд Гейзенберга, а иногда и его соперник, 25-летний Вольфганг Паули, написал, что эта работа дала ему «новую надежду и новое наслаждение жизнью». Макс Борн, физик более старшего возраста, понял, что Гейзенберг невольно наткнулся на правила умножения сеток чисел, называемых матрицами — высокой математикой в 1920-х годах. С матрицами порядок умножения имеет значение. Для обычных чисел и 3 × 4, и 4 × 3 дают 12. Но для матриц A × B обычно даёт нечто иное, чем B × A. Эта «некоммутативность», экзотическая особенность вычислений Гейзенберга на Гельголанде, стала сердцем квантовой механики.

В ноябре Борн, Гейзенберг и Паскуаль Джордан написали то, что история назовёт «работой трёх человек» — расширенную версию работы Гейзенберга о Гельголанде, в которой подробно описывалось, как будет вести себя любая квантовая система — атом водорода или другая совокупность квантовых частиц. Так появилась квантовая механика.

Но что говорят матрицы о реальности? Гейзенберг осознал один удивительный вывод в 1927 году, когда придумал мысленный эксперимент, показывающий, что можно точно измерить либо положение электрона, либо его импульс, но не оба сразу; некоторая неопределённость всегда будет присутствовать в одном из свойств. Это открытие теперь известно как принцип неопределённости Гейзенберга. Это ограничение не было утверждением об экспериментальной точности или творческом потенциале; скорее, это была неизбежная математическая истина. Если квантовая механика описывает реальность, то сама реальность должна быть устроена таким образом, что иногда для определённых объектов определённые свойства не могут существовать.

В 1926 году Эрвин Шредингер разработал другую версию квантовой механики, которая оказалась эквивалентной матрицам Гейзенберга. В версии Шрёдингера точечная частица, такая как электрон, рассматривается как волна, распространяющаяся в пространстве. Уравнение описывает, как эта волна будет меняться со временем. Шредингер надеялся, что волна может буквально описывать электрон, размазанный в пространстве — реальный объект, который можно визуализировать, — но Борн быстро понял, что эта мечта слишком проста, чтобы быть реальностью. Вместо этого Борн показал, что волна в уравнении Шрёдингера отражает не текущую реальность электрона, а его потенциальные реальности: возможные положения электрона. Пики в волне указывают, где, вероятно, находится частица.

К началу 1930-х годов стало ясно, что квантовая механика, ни в волновой, ни в матричной версии, не имеет дела с частицами, находящимися в определённых положениях и движущимися в определённых направлениях. Она предсказывает множество возможных будущих результатов и ничего не говорит о единой, фиксированной реальности. Проводите эксперимент снова и снова, и теория скажет лишь, в каком проценте случаев вы будете измерять один результат по сравнению с другим. Это было шокирующим отступлением от того, о чём физикам было позволено думать, – отступлением, которое Шредингер и Эйнштейн никогда не принимали. «Вы внезапно начинаете говорить о том, что мы знаем о природе, а не о том, что природа действительно делает», – вспоминал Гейзенберг слова Эйнштейна.

Спустя столетие физики все еще не могут с этим полностью смириться.

«Это наше самое фундаментальное описание реальности», — сказал мне Мэтт Лейфер, физик из Университета Чепмена, по Zoom за неделю до конференции, — «но это не описание реальности».

Проблема с измерением

Никто не сомневается в работоспособности квантовой механики, и причём впечатляющей. На Гельголанде исследователи представили парад технологических чудес, основанных на квантовой математике Гейзенберга и Шрёдингера. Цзюнь Е из Университета Колорадо описал атомные часы, способные отсчитывать время с точностью до секунды в течение шести с половиной лет Вселенной, и ещё более точные «атомные» часы, которые уже маячат на горизонте. Михаил Лукин из Гарвардского университета показал кадры атомов, танцующих в замысловатых узорах и выполняющих вычисления новым, квантовым способом. Многие презентации затрагивали чудеса, которые такие квантовые компьютеры теоретически могут выполнять — вычисления, которые фактически невозможны для любого компьютерного чипа, построенного на кремниевых транзисторах. Эти футуристические машины будут черпать свою мощь из способности квантовых объектов поддерживать несколько одновременных возможностей.

Но каковы на самом деле эти возможности и как они порождают, по-видимому, единую конкретную реальность, которую мы переживаем, — это глубокая загадка, которую физикам пока не удалось решить.

Волшебство происходит в момент измерения, поэтому эта тайна известна как проблема измерения. «Эта проблема измерения — серьёзная физическая проблема», — сказал Николя Жизен, физик из Университета Конструктор, в своём докладе о Гельголанде. «Без решения квантовая теория — не физика».

Предоставленный самому себе квантовый объект лучше всего описывается квантовым состоянием, обозначаемым ψ (греческая буква пси). Это состояние представляет собой своего рода математическое обобщение всех возможных действий объекта — движения вправо, влево, направления вверх, направления вниз и так далее. Уравнение Шрёдингера показывает, как ψ меняется от момента к моменту.

При измерении объекта ψ «коллапсирует», то есть все возможности, кроме одной, исчезают. Эта оставшаяся возможность, появляющаяся случайным образом среди всех вариантов, становится результатом измерения. Квантовая механика предсказывает вероятность этого результата — например, ψ может сказать, что вероятность обнаружения частицы в определённом месте составляет 22%. И если вы проведёте эксперимент и будете проводить измерения снова и снова, вы обнаружите частицу в этом месте примерно в 22 случаях из 100. Вы просто не можете предсказать результат в каждом отдельном прогоне эксперимента.

Но это «ортодоксальное» представление квантовой механики поднимает глубокие вопросы. Что такое ψ со всеми описываемыми ею возможностями? Является ли это физической сущностью, существующей в мире? Или это математическое представление нашего неполного знания о будущем, нечто, существующее только на наших школьных досках и в нашем сознании? И когда в игру вступает измерительный прибор – сам состоящий из квантовых частиц, как и всё остальное, – почему он ведёт себя таким новым, довольно неквантовым образом, таинственным образом сжимая ψ в единый классический результат? Хотя Гейзенберг и Бор глубоко интересовались философией своей теории, они в конечном итоге не стали заниматься этими вопросами. Или, по крайней мере, они были вполне готовы отказаться от всего, что хоть отдалённо напоминало классический мир, если ψ справлялась бы с этой задачей лучше. «Атомы или элементарные частицы не так реальны», как явления повседневной жизни, писал Гейзенберг. «Они образуют мир потенциальностей или возможностей, а не мир вещей или фактов». Как сказал Бор: «Квантового мира нет. Есть только абстрактное квантово-механическое описание». Идеи, которые Бор, Гейзенберг и другие представители их круга приписывали ортодоксальному описанию квантовой механики, обычно называют копенгагенской интерпретацией, поскольку Бор вёл свою академическую деятельность в Копенгагенском университете в Дании.

Этот подход к квантовому миру, первый из тех, с которыми большинство физиков знакомятся в школе, остаётся наиболее распространённым. В преддверии Гельголандской конференции журнал Nature опросил более 1000 физиков и обнаружил, что 36% придерживаются той или иной версии копенгагенской интерпретации, что делает её более популярной, чем любая из её конкурентов.

❮ ❯

Но за последнее столетие многие специалисты по квантовой физике стали всё больше недовольны агностическими, расплывчатыми и порой противоречивыми заявлениями копенгагенистов. Не менее пяти раз в течение недели на Гельголанде исследователи делились со мной цитатой физика Э. Т. Джейнса, который сетовал на то, что квантовая механика — это «странная смесь, описывающая отчасти реальности Природы, отчасти неполную человеческую информацию о Природе — всё это Гейзенберг и Бор перемешали в омлет, который никто не сумел распутать».

Разрушение реальности

Эйнштейн был одним из первых, кто отверг «копенгагенский омлет». Он исходил из прямолинейной точки зрения, что квантовый мир содержит в себе нечто большее, чем ψ, — мы просто ещё не открыли это. Он рассуждал так: будущие теории будут описывать дополнительные «скрытые переменные», и эти сущности восстановят классическое представление о мире, совершающем только одно действие в каждый момент времени.

В 1935 году он и двое его коллег, Борис Подольский и Натан Розен, предложили мысленный эксперимент, который, по их мнению, должен был разоблачить неполноту квантовой механики. Современная формулировка «эксперимента ЭПР», как его сейчас называют, начинается с двух квантовых частиц. Эти частицы отскакивают друг от друга и разлетаются в удалённые друг от друга места, где физики (обычно «Алиса» и «Боб» в современных дискуссиях) ждут возможности измерить пару свойств каждой частицы. Важно, чтобы эти свойства были некоммутативными, которые, согласно квантовой механике, не могут существовать у одной частицы одновременно, например, координата и импульс.

Тем не менее, Эйнштейн, Подольский и Розен утверждали, что у одной частицы всё-таки должны быть оба свойства. При столкновении частиц каждая из них влияет на траекторию движения другой. Если Алиса измерит положение своей частицы, она может определить точное положение Боба. Или она может измерить импульс своей частицы и определить точный импульс частицы Боба. А поскольку частицы находятся слишком далеко друг от друга, чтобы Алиса могла как-либо повлиять на частицу Боба, частица Боба должна была обладать этими точными свойствами всё это время — вопреки тому, во что нас уверяет квантовая механика.

Чего команда Эйнштейна не до конца понимала, так это того, что квантовое состояние не обязательно должно находиться в одном месте, в одном объекте. На самом деле, то, что кажется нам двумя независимыми объектами, может стать связанным одним общим квантовым состоянием. Когда это происходит, будущее одной частицы начинает зависеть от будущего её партнёра. То, что получит Алиса, зависит от того, что получит Боб, даже несмотря на то, что они находятся слишком далеко друг от друга, чтобы между ними могло пройти какое-либо физическое воздействие – что для Эйнштейна было немыслимо. Частицы переплетаются в квинтэссенциальном квантовом явлении, которое Шредингер назвал «запутанностью» в статье, ответившей Эйнштейну. Прямая проверка запутанности, включающая измерения потока пар частиц, была предложена североирландским физиком Джоном Стюартом Беллом в 1964 году и проведена различными экспериментаторами в последующие десятилетия, включая двух нобелевских лауреатов, присутствовавших на Гельголандской конференции. Они доказали, что запутанность действительно существует. Наш мир – это не тот мир, который представлял себе Эйнштейн.

Таким образом, самая прямолинейная попытка распутать омлет провалилась. Пока одна частица не может преодолеть пространство и мгновенно изменить другую частицу — грубое нарушение теории относительности Эйнштейна, которое мало кто из физиков готов даже рассматривать, — мы живём в мире, где отдельная частица может просто не иметь, скажем, положения. У неё есть диапазон возможных будущих положений, как гласит квантовое состояние. Отдельные частицы не могут иметь тайную жизнь, управляемую скрытыми переменными, которые ψ не может видеть. Величина ψ, какой бы она ни была, служит полным описанием мира. И если ψ даёт полное описание природы, пришли к выводу многие физики после Белла, она должна быть реальной физической сущностью.

И всё же, представление о ψ как об объекте, существующем в мире, порождает целый ряд концептуальных проблем. Как он может мгновенно, везде и сразу коллапсировать? Почему ψ для электрона коллапсирует при взаимодействии с измерительной машиной, но не при взаимодействии с другим электроном? И, пожалуй, самое неприятное: если множество возможностей ψ в каком-то смысле реальны, почему мы воспринимаем только одну реальность?

«Просто стыдно, что нам нечем рассказать людям о том, что такое реальность», — воскликнул Карлтон Кейвс, физик из Университета Нью-Мексико, модерируя дискуссию, посвящённую квантовым интерпретациям, в наш первый день на острове. Его явное разочарование было встречено одобрительными возгласами аудитории.

Те, кто знают

На вопрос о том, какие аспекты квантового мира они считают «реальными», физики дали ответы, столь же разнообразные, сколь и озадачивающие.

Во время перерыва на кофе Джон Прескилл, физик из Калифорнийского технологического института, который когда-то помогал Гейзенбергу управлять дряхлой кофеваркой в подвале физического факультета Принстона, выразил лёгкое предпочтение печально известной «многомировой» интерпретации квантовой механики. Многомировая интерпретация утверждает, что все возможности ψ где-то происходят. Когда мы видим вспышку одного пикселя на экране, регистрирующую положение фотона, мир на самом деле разделился на множество ветвей. В других ветвях реальности (которые существуют одновременно, невидимые и необнаружимые из нашей), другие версии нас — которые так же реальны, как и мы — видят другие вспышки пикселей, отражающие другие возможные положения фотона, которые были закодированы в ψ. Не только ψ — всё, но и всё в ψ есть.

Другие физики не приемлют интерпретацию множественных миров, считая её онтологически чрезмерной и психологически тревожной. «Подумайте о всевозможных ужасных вещах, которые могут произойти прямо сейчас. Дайте волю своему воображению», — сказал Люсьен Харди, физик из Института теоретической физики «Периметр» в Ватерлоо, Канада. «В множественных мирах это обязательно произойдёт».

Интерпретации квантовой механики немного похожи на само квантовое состояние. Возможности бурно размножаются, образуя запутанную таксономию. Однажды днём, возвращаясь из лекционного зала в Унтерланд на обед, Жиль Брассар, длинноволосый учёный-компьютерщик из Монреальского университета, который был одним из изобретателей знаменитого квантового метода криптографии, с энтузиазмом представил мне новую интерпретацию, первоначально разработанную его студентом-сотрудником Полем Реймоном-Робишо. Как и Эйнштейн, Брассар испытывает отвращение к тому, как частицы в эксперименте Белла, похоже, непосредственно осознают друг друга, несмотря на то, что в принципе разделены световыми годами пространства. Вместо этого, объясняет он, когда Алиса и Боб измеряют свои частицы, они могли бы разделиться на две версии самих себя, как в многомировой системе. Но вместо того, чтобы расколоться вся вселенная, раскололся лишь небольшой пузырёк вокруг каждого физика. Бассар и Реймон-Робишо называют это «параллельными жизнями». Два пузыря Алисы и два пузыря Боба расширяются со скоростью света; встретившись, пары Алиса-Боб могут объединиться, обменяться впечатлениями и увидеть особый вид скоординированного измерения, подобный предсказанному Беллом и требуемому квантовой механикой. В их версии квантовой механики возможности этого состояния реальны, но весь контакт полностью ограничен локальным пространством.

«Это именно то, чего хотел Эйнштейн», — сказал Брассар. «Всё остальное, что я видел, — чушь, особенно Копенгаген».

На одной из дневных стендовых сессий Рувен Хюбнер, аспирант Бременского университета, устал объяснять свою докторскую работу, поэтому перевернул свой постер и что-то нацарапал на обороте фиолетовым маркером. Название его импровизированного постера гласило: «К какому квантовому лагерю вы относитесь?», а под ним схема, призванная помочь читателю разобраться в дебрях интерпретаций. Однако, начав знакомить меня со схемой, Хюбнер предупредил меня не воспринимать это упражнение слишком серьёзно, поскольку один философ только что предупредил его, что он неправильно использует большую часть терминологии, и что некоторые из авторов различных интерпретаций могут не согласиться с тем, как он расставил их предложения.

Я обнаружил, что физиков на Гельголанде гораздо легче классифицировать, чем их идеи. Их было два типа: те, кто считает, что знает, что такое квантовая механика, и те, кто этого не знает.

Среди первых мало кто так уверен, как Крис Фукс из Массачусетского университета в Бостоне. Он один из пионеров и главных поборников интерпретации, называемой QBism, которая когда-то обозначала квантовое байесианство, а теперь имеет собственную лингвистическую идентичность, чем-то вроде KFC. За обедом Фукс сказал мне, что его жизненная цель — положить конец дискуссиям, подобным тем, что вёл я. «Я считаю, что избавление от конференций по квантовым основам — это общественное дело», — сказал он. «Прежде чем я умру, я хотел бы убедить всех в правильности ответа».

Фукс занимает жесткую позицию относительно того, существуют ли квантовые элементы на физическом уровне: практически нет, и уж точно не ψ.

По его мнению (и по мнению других, слабо связанных с ним «эпистемологических» интерпретаций квантовой механики, отрицающих реальность ψ), квантовое состояние напоминает ваше знание о мире перед президентскими выборами. Вы можете представить себе множество возможных вариантов будущего, в одном из которых каждый кандидат побеждает. Если вы следили за опросами, вы могли полагать, что некоторые варианты будущего более вероятны, чем другие. Когда вы узнаёте, какой кандидат победил, ваше знание о мире мгновенно меняется. Эти альтернативные варианты будущего исчезают.

Кьюбизм доводит эту философию до крайности. Квантовое состояние, математические операции, представляющие измерения, — всё интерпретируется в терминах информации. «Продолжаешь идти по этому пути и думаешь: „Чёрт возьми, весь мир рушится; что же нам остаётся?“» — сказал Фукс. «Мы остаёмся при мнении, что квантовая теория — это процесс принятия решений».

Он любит говорить, что квантовая механика — это руководство пользователя для всего мира, которое объясняет любому «агенту» (термин, оставленный стратегически неопределённым), как делать разумные ставки на то, что произойдёт. «Квантовое состояние — это каталог моих степеней уверенности в последствиях моих действий», — сказал Фукс.

Этот подход подвергается критике за привкус солипсизма, поскольку кажется, будто мир существует только глазами агента. Но Фукс возражает. Он твёрдо убеждён в существовании реального физического мира, существовавшего до появления агентов, наблюдающих за ним. Просто мы не можем сделать много осмысленных утверждений о том, каков этот мир, пока не появятся агенты, подобные нам, чтобы изучать его. «Я в мире. Я играю в нём свою роль. Я не могу себя уничтожить», — сказал он.

Короче говоря, Фукс предполагает, что квантовый омлет, подобно настоящему омлету, невозможно полностью расшифровать. Вселенная может существовать «где-то там» в каком-то смысле, но мы имеем прямой доступ именно к её представлению в наших головах. Это представление неизбежно порождается нашим взаимодействием с миром, поэтому нет никакого разумного способа освободиться от уравнений, её описывающих. «Как, чёрт возьми, можно выбраться за пределы Вселенной и оглянуться назад?» — сказал Фукс, используя более жёсткие выражения, чем «ад». «Можно просто быть в ней, толкать её и смотреть, что она с тобой делает».

Взгляд Фукса на квантовую механику перекликается с позицией Карло Ровелли, итальянского физика-теоретика, который тоже считает, что знает. Ровелли согласен с тем, что квантовое состояние описывает информацию, а именно, как он её понимает, информацию о взаимоотношениях между объектами, такими как электрон и агент, наблюдающий за этим электроном. Он называет то, что агент узнал из наблюдения, реальностью.

«Ты совершенно реален. Кажется, на тебе синяя рубашка, ты высокий парень, и мы с тобой разговариваем», — сказал мне Ровелли, пока мы стояли в очереди за пиццей. «У меня много информации о твоей реальности».

Но каждая интерпретация содержит в себе некий вывод, который трудно переварить. Вызывающий содрогание вывод как из теории квантовой физики (QBism), так и из программы Ровелли, известной как реляционная механика, заключается в том, что в экстремальных условиях один наблюдатель может испытывать опыт, логически несовместимый с опытом другого наблюдателя. Другими словами, каждый наблюдатель технически имеет право на свою собственную личную реальность, что неприятно напоминает многомировые реальности.

По словам как минимум одного человека с Гельголанда, квантовая механика не содержит в себе никакой тайны и совершенно ясна уже 65 лет. Антон Цайлингер, физик из Института квантовой оптики и квантовой информации в Вене, получивший Нобелевскую премию за проведение реальных тестов Белла и других новаторских экспериментов, по-прежнему придерживается копенгагенской интерпретации — в частности, формулировки, изложенной Гейзенбергом в письме 1960 года. Цайлингер представил её довольно простой. Существует мир, полный вещей, подчиняющихся правилам, но у нас нет доступа к этим правилам. («Мы можем полагаться только на наши знания. Это единственное, что у нас есть», — сказал он.) Квантовое состояние является представлением этих знаний. Мне его точка зрения — и, возможно, в более широком смысле, точка зрения Гейзенберга — показалась довольно кьюбистской. Но Цайлингер настаивал на том, что она копенгагенская, и вежливо отказался сравнивать её с другими предложениями. «Я защищаю свою интерпретацию, а другие защищают свою», — сказал он.

Однако многие другие на острове не защищают ни один из квантовых лагерей, представленных в блок-схеме Хюбнера. Вместо этого они ищут что-то новое.

Те, кто не знает

Вечером, накануне нашего с Фуксом обеда, он выступил с первым официальным докладом по физике на конференции, кратко обсудив кьюбизм и рассказав о некоторых гипотезах в теории чисел, в которых кьюбистское мышление помогло ему добиться недавнего прогресса. Его заключительными словами в конце сессии вопросов и ответов после выступления были: «Кьюбизм здесь надолго. Вы от меня не избавитесь».

Затем Гизин вышел на сцену, чтобы обсудить природу измерения, и начал своё выступление с импровизированной критики позиции кьюбистов. «Физика — это, по сути, извлечение информации о том, как это происходит в природе. Природы, — сказал Гизин, сделав паузу для выразительности и медленно оглядев аудиторию, — а не агентов». Публика захихикала. (Позже Фукс рассказал мне, что в тот вечер они перенесли свою дружескую перепалку о тонкостях кьюбистов в местный бар.)

На следующий вечер я встретился с Гизином за ужином. По крайней мере, таков был план, но я присоединился к нему и его аспирантам чуть позже шести вечера. Кухня ресторана только что закрылась. Он заступился за меня, обменявшись колкостями с официантом. Это была не единственная стычка между пунктуальными островитянами и более раскрепощёнными, часто голодными физиками, свидетелем которой я стал. «Остров застрял в 1960-х, в отличие от остальной Германии, которая, по крайней мере, дожила до 1970-х», — пожаловался Бургарт, коренной немец. «Там только наличные, нет английского, еда ужасная, и всё закрывается в шесть. Хотя все очень любезны».

Гизин был так любезен, что поделился со мной как своим рецептом буйабеса из морепродуктов, так и своим видением того, как демистифицировать измерения. Он отметил, что квантовое состояние, используемое в тесте Белла — этакая белая лабораторная крыса квантовой физики — чрезвычайно необычное. Взятые по отдельности, измерения Алисы и Боба кажутся совершенно бессистемными. В половине случаев Алиса измеряет один результат, а в половине — другой. Только когда они сопоставляют списки, они видят загадочную закономерность корреляций Белла. Информация содержится в парах частиц, но не в отдельных.

Но почти любое другое состояние будет иным. Представьте себе состояние, в котором Алиса получает один результат в 70% случаев и другой в 30% случаев. Она увидит закономерность в своих данных. И она может обнаружить вторую закономерность, сравнивая записи с Бобом. В этом случае их частицы несут как «локальную» информацию — закономерность, которую Алиса и Боб могут распознать самостоятельно, — так и «нелокальную» информацию, которая появляется только при сравнении записей. Когда частицы делятся как локальной, так и нелокальной информацией, не так ясно, как их измерить и извлечь.

Гизин надеется, что, экспериментируя с измерениями этих более экзотических состояний, физики лучше поймут роль измерений в целом. Он не знает, как изменится общепринятое мнение, когда это произойдёт, но надеется, что измерения будут иметь один уникальный результат (исключая многомировую модель), и что внешний мир существует и может быть описан правилами, не зависящими от действий агентов (исключая кью-бизм).

Антифуксом Гельголанда была Джемма Де лес Ковес, физик из Барселоны с тихим голосом. «Я не понимаю квантовую механику», — заявила она. «Не знаю, является ли квантовое состояние описанием реальности или способом делать ставки. Мне бы очень хотелось узнать, существует ли множество миров, и не разделяюсь ли я на множество Джемм, пока говорю».

Де лес Ковес начала свою карьеру в физике, изучая поведение информации в квантовых системах. Но со временем её разочаровали противоречивые инструкции о том, как эволюционирует квантовое состояние: в одних случаях оно подчиняется уравнению Шрёдингера, в других — коллапсу. «Их невозможно принять», — сказала она мне на следующий день. «Это набор математических рецептов, и они противоречивы».

За последние несколько лет она внесла свой вклад в исследовательскую программу, которая стремится заставить квантовый омлет распаковаться, наполняя его все большими дозами реализма.

В прошлом году Де лес Ковес и её коллеги изучили простую теорию классической вселенной, населённой объектами в определённых состояниях, например, частицами, каждая из которых находится в определённом месте. Затем они поместили агента в теоретическую вселенную и рассчитали, сколько агент может узнать о частицах в соответствии с классическими физическими законами. Удивительно, но они обнаружили, что агент не может узнать всё. В качестве необходимого следствия нахождения в ловушке внутри вселенной, агент будет воспринимать определённые частицы как находящиеся в квантовоподобном состоянии с несколькими возможными положениями, хотя с богоподобной точки зрения вне вселенной частицы действительно имеют реальные, определённые положения. Это всего лишь простая модель, но если наша вселенная устроена таким же образом, то одновременные возможности ψ могут быть артефактом того, что мы также находимся в ловушке внутри нашей вселенной.

Работа Де ле Ковеса дополняет многолетние исследования Роберта Спеккенса, физика из Института Периметра. Он показал, что в любом мире, где агенты не знают таких деталей, как точное положение частиц (даже если эти положения существуют в фиксированном, классическом смысле), это незнание приводит к появлению длинного списка предположительно квантовых явлений, таких как «телепортация» квантового состояния от одной частицы к другой. «Если у вас есть классическая модель, в которой вы не можете знать некоторые вещи, — сказал Де ле Ковес, — то, как ни странно, вы можете воспроизвести многие явления, которые казались квантовыми».

Я погнался за Спеккенсом, когда мы выходили из лекционного зала в другой день. Поскольку он смог вывести квантовоподобные эффекты из преимущественно классических теорий, не думает ли он, что реальность всё-таки может оказаться классической, спросил я, что частицы Белла могут обладать реальными, фиксированными свойствами до того, как попадут к Алисе и Бобу? Он сказал мне, что, как он подозревает, однажды физики оглянутся на подобные вопросы и поймут, что они не имеют особого смысла, потому что новый способ понимания реальности поглотит как классическую, так и квантовую физику.

Он снова поднял тему омлета и сказал, что изучает его с точки зрения знания, пытаясь понять, какую часть канона квантовой странности можно списать на наше невежество. Он обнаружил, что значительную часть квантовой странности ψ — возможно, даже большую, чем думает большинство людей — можно объяснить, предположив, что она представляет собой информацию, а не физическую сущность. Но всё это объяснить таким образом невозможно. Оставшаяся часть — та, которую мы могли бы назвать реальностью — как он подозревает, будет в основном посвящена влиянию одной вещи на другую.

«Я думаю, что суть реальности — это причинно-следственные связи», — сказал Спеккенс.

В качестве свободной метафоры он предложил мне представить себе своего рода чёрно-белую мозаику. Я представил себе северную олушу, похожую на ту, которую я видел гнездящейся на скалах во время прогулки по плато Гельголанд. Исходя из нашего классического опыта, мы привыкли знать конкретный цвет каждой плитки. Возможно, предположил Спеккенс, это не так уж важно. В конце концов, если перевернуть каждую плитку на противоположный цвет, силуэт олуши всё равно будет виден. Важны соотношения между плитками, а не их определённое состояние.

Аналогично, если физики смогут объединить квантовую и классическую физику под неким общим зонтом реализма, конкретные состояния самих частиц могут оказаться бессмысленными по сравнению с тем, как они могут влиять друг на друга. «Возможно, этого достаточно, чтобы иметь представление о реальности», — сказал он, — «но именно здесь я меньше всего знаю о том, как всё будет происходить».

Гравитация спешит на помощь?

Среди десятков противоречивых мнений мне часто казалось, что в 2025 году мы лишь немногим ближе к пониманию природы реальности, чем Гейзенберг в 1925 году. Некоторые исследователи также чувствовали, что вокруг попыток интерпретировать квантовую механику поселилась некая скука. «Что же делать, если последние сто лет мы работаем над подобной проблемой вместе с выдающимися умами?» — спросила Элиза Кралл, философ и историк физики из Городского колледжа Нью-Йорка.

Однажды днем, когда мы сели за столы для пикника возле лекционного зала, чтобы обсудить эту проблему, Харди из Института Периметра повторил идею, которую я слышал на протяжении недели и которая могла бы помочь физикам выйти из тупика: гравитация.

Гравитация — единственная сила в физике, для которой не существует квантового описания. Вместо этого гравитация описывается общей теорией относительности Эйнштейна. В то время как квантовые наблюдения происходят на фоне неподвижного пространства, а ψ эволюционирует в соответствии с мерно тикающим метрономом, общая теория относительности описывает, как материя и энергия искривляют пространство и время, придавая им искажённую форму, и как мы воспринимаем контуры этой формы как гравитационное притяжение. Что может означать, если пространство и время также наилучшим образом описываются ψ, описывающей множественные искривления одновременно?

«Общая теория относительности концептуально очень странная, — сказал Харди. — Можно было бы ожидать, что, привлекая квантовую теорию, мы получим нечто интересное, своего рода концептуальный костёр».

Харди посвятил свою карьеру изучению смысла квантовой механики. В 2001 году, вдохновлённый постоянной миссией Фукса по интеграции теории информации в саму суть квантовой механики, он сумел вывести эту теорию из нескольких интуитивно понятных математических утверждений о вероятности. В последующие годы он сосредоточился на вопросе о том, что происходит со структурой пространства и времени — источником гравитации — при её слиянии с квантовой механикой. Харди и другие обнаружили, что если пространство и время могут искривляться несколькими возможными способами одновременно, можно представить себе ситуации, когда становится невозможно определить, вызвало ли одно событие другое или наоборот.

«Это действительно проблематично, потому что что это вообще значит?» — сказал Харди. «Тогда я не могу говорить о [концепции] „сейчас“».

Следуя идеям Эйнштейна, Харди разрабатывает квантовую версию «принципа эквивалентности» – идеи, которая помогла Эйнштейну укротить гравитацию. Грубо говоря, идея Эйнштейна заключалась в том, что эффекты гравитации исчезают с точки зрения свободно падающего объекта (подобно тому, как астронавты на орбите ощущают невесомость). Аналогичным образом, Харди работает с особой точкой зрения, которая снимает неоднозначность причинно-следственной связи в квантовом контексте.

Он беспокоится о том, куда ведёт его математика. Размышляя над способами устранения неоднозначности причинно-следственной связи, он иногда подозревает, что, возможно, приближается к формулировке, в которой квантовое состояние пространства-времени станет полностью реальным и однозначным. Если это произойдёт, все возможные варианты будущего, описываемые ψ, тоже станут реальными, что неприятно напоминает многомировую интерпретацию ψ.

«Больше всего я боюсь, что на моем надгробии будет написано: «Он заставил нас поверить в многомировую интерпретацию», — сказал Харди.

Следующий век

Брукнер завершил конференцию шуткой. Когда он рос на Балканах, экономка в его семье сухо говорила о жизни: «Первые сто лет тяжёлые. Потом должно стать гораздо легче». Возможно, размышлял Брукнер, то же самое можно сказать и о квантовой механике.

Наш отъезд с Гельголанда, безусловно, был гораздо легче прибытия. Голубое небо и спокойная вода обеспечили плавный паромный переезд обратно в Гамбург. Паром снова гудел от разговоров. Пять дней лекций и дебатов не ослабили энтузиазма группы в поисках более глубокого смысла этой теории. Скорее, наоборот, эффект был обратным.

«Это была первая конференция, на которой я побывал, где люди открыто и честно говорили о том, что квантовой механике чего-то не хватает», — сказал Мишель Деворе, физик, изучающий квантовые вычисления в Йельском университете. «В Копенгагене всегда было немного неопределённо».

Гейзенберг отказался от визуализации реальности во время своего пребывания на Гельголанде. Он и остальные копенгагенисты выиграли битву с Эйнштейном, заявив, что реальность действительно страннее и сложнее, чем мог принять Эйнштейн. Но попытки построить прочный мост между конкретным классическим миром и сюрреалистическим квантовым миром продолжаются, и те, кто трудится над этой задачей, чувствуют, что нас ждёт более удовлетворительное и продуктивное понимание реальности. «Нам повезло жить во времена, когда великая награда — осмысление квантовой теории — всё ещё доступна, — сказал Спеккенс, — и любой из нас может её получить».

Источник: www.quantamagazine.org