Гельголанд. Красивая и странная квантовая физика - Карло Ровелли

Помните цейлингеровские фотоны, с которых я начал описание квантовых явлений? Они могли проходить «справа или слева» и в конце концов оказываться «вверху или внизу». Это значит, что их поведение можно описать двумя переменными: переменной X, которая может принимать значения «справа» или «слева», и переменной P, которая может принимать значения «вверху» или «внизу». Эти две переменные как положение и скорость частицы – их невозможно определить одновременно. Поэтому если закрыть одну из щелей, соответствующую первой переменной («справа» или «слева»), то вторая переменная оказывается неопределенной – фотоны оказываются случайным образом «вверху» или «внизу». И наоборот, если определенной является вторая переменная, то есть, например, все фотоны оказываются «внизу», то необходимо, чтобы первая переменная была неопределенной, то есть чтобы фотоны могли проходить через любую из двух щелей. Итак, все описываемое явление оказывается следствием одного-единственного уравнения, гласящего, что эти две переменные «некоммутативны» и, следовательно, их невозможно определить обе одновременно.

Последние соображения скорее технические, и, наверно, стоило поместить их в примечания… Но мы приближаемся к концу второй части книги, и я хотел придать завершенный вид описанию квантовой теории, включая обобщающие ее постулаты об информации и основу ее математической структуры, определяемой одним-единственным уравнением.

Эта структура говорит нам в чрезвычайно краткой форме, что мир не непрерывен, а «зернист» и что существует конечный нижний предел в определении его строения. Переход к малому невозможен до бесконечности. Эта структура говорит нам, что будущее не определяется настоящим, что физические объекты обладают свойствами только по отношению к другим физическим объектам и что эти свойства существуют только при взаимодействии объектов. Результат сопоставления различных «ракурсов» того или иного объекта неизбежно выглядит противоречивым.

Мы не замечаем всего этого в повседневной жизни. Мир кажется детерминированным потому, что явления квантовой интерференции тонут на фоне шума макроскопического мира. Обнаружить их удается только с помощью тонких наблюдений с максимально изолированными объектами77.

Когда мы не наблюдаем интерференцию, то можем игнорировать квантовую суперпозицию и толковать ее как наше незнание: пока не откроем сейф, то не знаем, бодрствует кот или спит. Значит, если не видим интерференцию, то можно не думать о том, имеет ли место квантовая суперпозиция. Поскольку в этом месте многие часто путаются, я напоминаю вам, что «квантовая суперпозиция» означает только лишь, что мы наблюдаем интерференцию. В данном случае мы не видим тонкие интерференционные эффекты потому, что они теряются на фоне мирового шума. На самом деле квантовые явления у очень хорошо изолированных объектов проявляются сильнее, чем у малых объектов, что позволяет выделять и обнаруживать тонкие проявления эффектов квантовой интерференции.

Обычно мы наблюдаем мир на больших масштабах и поэтому не видим его «зернистости». Видим усредненные значения огромного числа маломасштабных переменных. Мы видим не отдельные молекулы, а целого кота. При огромном количестве переменных флуктуации становятся несущественными и вероятность приближается к достоверности78. Миллиарды прерывистых точечных» переменных трепетного и флуктуирующего квантового мира сводятся к небольшому числу непрерывных и хорошо определенных переменных, знакомых нам по опыту повседневной жизни. На наших масштабах мир напоминает бурный океан, если наблюдать его с Луны – видна лишь ровная неподвижная поверхность шара.

Так что наш повседневный опыт вполне совместим с квантовым миром: квантовая механика включает в себя классическую и наше привычное представление о мире – в качестве приближения. Это как человек с хорошим зрением способен понять восприятие близорукого человека, который не видит кипения воды в стоящей на огне кастрюле. Но на молекулярных масштабах резкое острие стального ножа настолько же зыбкое и нечеткое, как неровная кромка бурного океана, обрушивающегося на белый песчаный берег.

Цельность классического видения мира – это лишь следствие нашей близорукости. «Определенность» классической физики – это всего лишь вероятность. Четкий и ясный мир старой физики – всего лишь иллюзия.

18 апреля 1947 года на Священном острове – острове Гельголанд – британские военные произвели взрыв шести тысяч семисот тонн динамита – взрывчатки, оставленной немецкой армией. Это, вероятно, был самый мощный взрыв неядерных боеприпасов в истории[7]. Гельголанд был полностью разрушен. Словно человечество хотело закрыть портал в реальность, открытый юношей на этом острове.

Но портал остался. Произведенный юношей концептуальный взрыв оказался гораздо разрушительнее взрыва тысяч тонн тротила – сама ткань реальности, какой мы ее представляли, была разорвана в клочья. Во всем этом есть нечто непонятное. Как будто цельность реальности утекает между пальцев в бесконечную последовательность ссылок.

Написав эти строки, я взглянул в окно. Там все еще лежит снег. Здесь, в Канаде, весна наступает поздно. В комнате горит камин. Приходится встать, чтобы поворошить в нем дрова. Я сейчас пишу про природу реальности, гляжу на огонь и спрашиваю себя, что за реальность имею в виду. Этот снег? Этот неясный огонь? Или же ту, про которую читал в книгах? Или только про тепло камина, которое ощущаю на себе, про оранжево-красные отблески, лазурную белизну приближающихся сумерек?

На мгновение и эти ощущения сливаются. Закрываю глаза и вижу открывающиеся передо мной ослепительно яркие разноцветные озера, в которые я проваливаюсь. Это тоже реальность? Там танцуют пурпурные и оранжевые фигуры, а меня там больше нет. Делаю глоток чая, раздуваю огонь, улыбаюсь. Плывем с хорошими картами по неясного цвета морю. Но от наших ментальных карт до реальности так же далеко, как от карт мореплавателей до волн, бьющихся о белые скалы с кружащимися над ними чайками.

Хрупкое покрывало нашей ментальной организации – это как неуклюжее судно, чтобы плыть через бесконечные тайны этого волшебного, наполненного светом калейдоскопа, в котором мы в изумлении существуем и который называем нашим миром.

Можем проплыть в нем, не задаваясь вопросами, полагаясь на карты, что у нас есть, с которыми, в общем, неплохо все получается. Можем помолчать, пораженные светом и бесконечной красотой мира. Можем сесть за стол, зажечь свечу или включить макбук, зайти в лабораторию, поспорить с друзьями и оппонентами, уединиться на Священном острове и на рассвете забраться на скалу. Попить чаю, разжечь в камине огонь и продолжить писать в попытке что-то еще понять, взять эту карту немного и немного улучшить ее. И снова переосмыслить природу.

Часть третья

V

«Однозначное описание явления включает объекты, в которых это явление проявляется».

Где мы задаемся вопросом, что из всего этого следует для наших представлений о реальности, и обнаруживаем, что новизна квантовой теории не так уж и нова

1. Александр Богданов и Владимир Ленин

В 1909 году, через четыре года после неудавшейся Революции 1905 года и за восемь лет до победоносной Октябрьской революции, Ленин опубликовал под псевдонимом «В. Ильин» свою самую философскую работу «Материализм и эмпириокритицизм. Критические заметки об одной реакционной философии»79.