Адам Беккер - Квантовая революция. Как самая совершенная научная теория управляет нашей жизнью

Да, такое положение дел поистине удивительно. Но почти никто из не-физиков о нем не догадывается. Впрочем, почему, собственно, оно должно кого-то волновать? В конце концов, квантовая физика прекрасно работает. Да и самих физиков вряд ли должно что-то беспокоить: разве недостаточно того, что их математический аппарат работает безотказно и делает точные предсказания?

Но наука – это нечто большее, чем математика и предсказания. Наука рисует нам картину мира, рассказывает, как он устроен. Именно эта картина, этот рассказ об устройстве мира служат отправной точкой как повседневной научной практики, так и будущего развития научных теорий, не говоря уж о более широком мире человеческой деятельности вне области науки. Мы можем придумать множество историй о значении любой системы уравнений; из этих историй мы выбираем лучшую, а потом начинаем искать в ней изъяны. Именно так и развивается наука. Истории, вытекающие из лучших научных теорий, ведут к экспериментам, которые ученые ставят и результаты которых интерпретируют, уточняя и изменяя теории. Как сказал об этом Эйнштейн, «теория определяет, что мы можем наблюдать» [3] Werner Heisenberg 1971, Physics and Beyond (Harper&Collins), p. 63. .

История науки снова и снова подтверждает это высказывание. Галилей не изобретал телескопа, но он первым подумал о том, чтобы направить хороший телескоп на Юпитер – ведь он считал, что Юпитер, как и Земля, – планета, которая обращается вокруг Солнца. После этого в телескопы стали регулярно смотреть на все, что встречается на небе: на кометы, туманности, звездные скопления. Но никому не пришло в голову воспользоваться телескопом, чтобы выяснить, не изгибает ли гравитация Солнца лучи звезд во время солнечного затмения, пока общая теория относительности Эйнштейна не предсказала этот эффект через триста с лишним лет после открытия Галилея [4] См. Stanley L. Jaki 1978, «Johann Georg von Soldner and the Gravitational Bending of Light, with an English Translation of His Essay on It Published in 1801», Foundations of Physics 8 (11/12): 927–950. Этот эксперимент можно было бы осуществить за несколько десятилетий до Эйнштейна. По сути, он был предложен за столетие до него Иоганном Зольднером в качестве проверки ньютоновской физики. Никто, однако, этой идеей не заинтересовался, пока Эйнштейн не предложил теорию, альтернативную Ньютоновой теории гравитации и проверяемую тем же способом. . Научная практика зависит от содержания наших теорий – и не только от содержания математического, но и от «истории», от картины мира, которая идет рука об руку с математикой. Этой картине мира принадлежит ключевая роль – как в науке, так и в выходе за пределы существующей науки с целью построить новую.

Картина мира много значит и за пределами чистой науки. То, что наука рассказывает нам о мире, постепенно пропитывает собой всю культуру, изменяя наш взгляд на мир вокруг нас и на наше в нем место. Открытие того факта, что Земля не является центром Вселенной, дарвиновская теория эволюции, Большой взрыв и расширяющаяся Вселенная возрастом почти 14 миллиардов лет, содержащая сотни миллиардов галактик, в каждой из которых сотни миллиардов звезд, – эти идеи радикально изменили взгляд человечества на самое себя.

Да, квантовая физика работает. Но игнорировать то, что она рассказывает нам о реальности, значит делать вид, что мы не замечаем прорехи в нашем понимании мира. Это значит игнорировать науку как процесс человеческого познания. В частности, это значит игнорировать наше поражение: крах попыток мыслить поверх междисциплинарных барьеров, защитить чистую науку от разлагающего влияния больших денег и военных контрактов, соответствовать идеалам научного мышления. Это поражение затрагивает интересы каждого мыслящего обитателя нашего мира, мира, каждый уголок которого преобразован наукой. Поэтому наш рассказ – рассказ о науке как области человеческой деятельности, а значит, не просто о том, как устроена природа, но и о том, как устроены люди.

Джон Белл впервые столкнулся с математическим аппаратом квантовой физики, когда был студентом университета в Белфасте, и то, что он узнал, ему совсем не понравилось. Квантовая физика показалась Беллу какой-то невнятной путаницей. «Я не решался подумать, что в ней что-то неверно, – рассказывал Белл, – но я точно знал, что это паршиво » [5] Jeremy Bernstein 1991, Quantum Profiles (Princeton University Press), p. 20. Если верить Бернстайну, Белл делал акцент на словах « точно знал ». Еще Бернстайн пишет: «Белл выговаривал слово “ паршиво ” со смаком». .

Нильс Бор, «крестный отец» квантовой физики, говорил о разделении между миром больших объектов, которым управляет классическая ньютоновская физика, и миром объектов малых, где царит физика квантов. Но в словах Бора смущало то, что из них невозможно было понять, где граница между этими мирами. Ничуть не лучше был и Вернер Гейзенберг, первооткрыватель математического аппарата квантовой физики. Подход Бора и Гейзенберга к физике квантов, названный в честь города, где жил и работал Бор, копенгагенской интерпретацией, отличался той же нечеткостью, которую Белл невзлюбил еще с университетских курсов по квантовой физике.

Незадолго до того, как Белл в 1949 году окончил университет, он познакомился с книгой Макса Борна, еще одного из создателей квантовой физики, «Натуральная философия причины и случая» (Natural Philosophy of Cause and Chance). Она произвела на Белла сильное впечатление, особенно обсуждение доказательства, построенного великим математиком и физиком Джоном фон Нейманом. Согласно Борну, фон Нейман доказал, что копенгагенская интерпретация – единственно возможный способ понимания квантовой физики. То есть либо копенгагенская интерпретация верна, либо неверна квантовая физика. А так как успехи квантовой физики были оглушительными, видимо, надо было примириться с копенгагенской интерпретацией и присущим ей принципом неопределенности.

Белл не смог ознакомиться с доказательством фон Неймана в оригинале – оно было опубликовано только по-немецки, а Белл немецким не владел. Прочитав описание этого доказательства у Борна, Белл «занялся более практическими вещами» [6] John S. Bell 2004, Speakable and Unspeakable in Quantum Mechanics, 2nd ed. (Cambridge University Press), p. 160. , чем размышления о копенгагенской интерпретации: его пригласили на работу в британскую программу по получению ядерной энергии. О сомнениях по поводу квантовой физики пришлось забыть. Но в 1952-м Белл «увидел, что свершилось невозможное» [7] Bell 2004, p. 160. – его кратковременное примирение с копенгагенской интерпретацией было вдребезги разбито появлением одной новой статьи.

Физик по имени Дэвид Бом, невзирая на доказательство фон Неймана, сумел каким-то образом найти другой способ понимания квантовой физики. Как ему это удалось? Где допустил ошибку великий фон Нейман и почему никто этого не заметил раньше, чем Бом? Белл не мог ответить на эти вопросы, не прочитав доказательства фон Неймана. Спустя три года книгу фон Неймана издали на английском, но к этому времени жизнь Белла переменилась: он женился и переехал в Бирмингем, где писал докторскую диссертацию по квантовой физике. И все же о статье Бома он «никогда не мог забыть». «Я всегда знал, что она меня ждет» [8] Charles Mann and Robert Crease 1988, «Interview: John Bell». OMNI, May, 90. , – говорил потом Белл. Прошло еще десять с лишним лет, пока Белл наконец к ней не вернулся и не сделал самое глубокое со времен Эйнштейна открытие, касающееся природы реальности.