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

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] Цит. по: M. Gleiser, The Island of Knowledge (New York: Basic Books, 2014), 222. .

Итак, инструментальный подход игнорирует точку зрения, ставшую возможной после Дарвина, о том, что мир управляется объективными физическими законами, которые контролируют поведение человека так же, как и любые другие процессы. Дело не в том, что мы возражаем против влияния людей. Наоборот, мы хотим понять связь людей с природой, не закладывая характер этой связи в то, что считаем фундаментальными законами природы, но, скорее, выводя его из законов, которые не содержат ссылок на человека в явном виде. В итоге нам, может быть, и придется отказаться от этой цели, но я думаю, пока рано.

Некоторые физики, которые приняли инструментальный подход, утверждают, что вероятности, которые мы вычисляем с помощью волновой функции, являются объективными и не зависят от того, проводят ли люди измерения. Я не считаю это утверждение логичным. В квантовой механике эти вероятности не существуют до того момента, пока люди не выберут, что именно они будут измерять, например спин в том или ином направлении. В отличие от классической физики, выбор должен быть сделан, поскольку в квантовой механике не все величины могут быть измерены одновременно. Как показал Вернер Гейзенберг, частица не может одновременно иметь точно определенные значения координат и скорости. Аналогично если мы знаем волновую функцию, описывающую спин электрона, мы можем рассчитать вероятность того, что электрон будет иметь положительный спин в северном направлении, если его измерить, или вероятность того, что электрон будет иметь положительный спин в восточном направлении, если его измерить, но мы не можем поставить задачу о расчете вероятности положительности спина в обоих направлениях, поскольку нет такого состояния, в котором электрон имел бы точное значение спина в двух разных направлениях.

Эти проблемы удается частично обойти в рамках реалистичного подхода в квантовой механике [103] Я использую термин «реалистский» не в обычном современном смысле этого слова, но в его средневековом смысле. Средневековый философ-реалист считал, что платоновские формы реальны, и в реалистском подходе в квантовой механике волновая функция рассматривается как фактор реальности, а не просто инструмент для расчета вероятностей. . Здесь волновая функция и ее детерминистская эволюция воспринимаются как объекты реальности. Однако возникают другие сложности.

Из реалистичного подхода есть очень странное следствие, впервые рассмотренное в докторской диссертации, защищенной ныне покойным Хью Эвереттом в Принстоне в 1957 г. Согласно реалистичному подходу, когда физик измеряет спин электрона, скажем, в северном направлении, волновая функция электрона, измерительная система и сам физик изменяют свои состояния в полном соответствии с детерминистским уравнением Шрёдингера; но в результате их взаимодействия в процессе измерения волновая функция становится суперпозицией двух членов, в одном из которых спин электрона положителен, и в этом мире для любого наблюдателя он будет положительным, а во втором члене спин отрицателен, и для любого наблюдателя он будет отрицательным. А поскольку все разделяют веру в то, что спин имеет одно определенное значение, суперпозиция становится невыявляемой. В результате история мира разделяется на два несвязанных друг с другом потока.

Довольно странно, но разделение истории должно происходить не только когда кто-то измеряет спин. В реалистичном подходе история мира нескончаемо расщепляется, и всякий раз макроскопическое тело оказывается связано с выбором квантовых состояний. Такая множественность миров дает благодатный материал для научной фантастики, а также разумное объяснение для Мультивселенной, где конкретная реализация мира, в котором мы обнаруживаем себя, ограничена требованием о том, что это должна быть реализация с условиями, благоприятными для существования разумных существ. Однако будущее всех этих параллельных миров крайне тревожное, так что я, как и многие другие физики, предпочел бы существование одного-единственного мира.

В реалистичном подходе есть еще одна неприятная вещь, выходящая за рамки нашей узкой темы. В этом подходе волновая функция Мультивселенной эволюционирует согласно детерминистскому закону. Мы можем говорить о вероятности как о доли времени, в течение которого существует тот или иной возможный результат измерений при их многократном повторении в одном из миров; однако законы, которые определяют наблюдаемые вероятности, должны следовать из детерминистской эволюции всей Мультивселенной. Если бы это было не так, то для предсказания таких вероятностей нам бы потребовалось принять некоторые дополнительные предположения о том, что происходит при выполнении человеком измерений, и это вернуло бы нас к проблемам инструментального подхода. В рамках реалистичного подхода было предпринято несколько попыток вывести законы, такие как правило Борна, которое, как мы знаем, хорошо подтверждается экспериментами, однако, насколько я знаю, эти попытки так и не увенчались успехом.

Реалистичный подход в квантовой механике столкнулся с проблемой другого рода еще задолго до появления работы Эверетта о множественности миров. Этот парадокс был описан в статье, опубликованной Эйнштейном в соавторстве с его коллегами Борисом Подольским и Натаном Розеном в 1935 г., и связан он с явлением «запутанности» [104] По вопросу квантовой запутанности см. Jim Holt, “Something Faster than Light? What Is It?” The New York Review of Books 63, no. 17 (November 10, 2016): 50–52. .

Мы интуитивно склонны считать, что реальность может быть описана локально. Я могу сказать, что конкретно происходит в моей лаборатории, а вы можете сказать, что происходит в вашей, но нам нет нужды говорить о том, что происходит в обеих лабораториях одновременно. Однако в квантовой механике система может находиться в состоянии квантовой запутанности, состояние устанавливает взаимосвязь между частями системы, расположенными на сколь угодно большом удалении друг от друга, как между двумя концами очень длинной твердой палки.