Все права защищены. Данная электронная книга предназначена исключительно для частного использования в личных (некоммерческих) целях. Электронная книга, ее части, фрагменты и элементы, включая текст, изображения и иное, не подлежат копированию и любому другому использованию без разрешения правообладателя. В частности, запрещено такое использование, в результате которого электронная книга, ее часть, фрагмент или элемент станут доступными ограниченному или неопределенному кругу лиц, в том числе посредством сети интернет, независимо от того, будет предоставляться доступ за плату или безвозмездно.

Копирование, воспроизведение и иное использование электронной книги, ее частей, фрагментов и элементов, выходящее за пределы частного использования в личных (некоммерческих) целях, без согласия правообладателя является незаконным и влечет уголовную, административную и гражданскую ответственность.

Количественное описание. Квантовая теория с колоссальным отрывом лидирует среди всех областей человеческого знания по достигнутой точности совпадения теоретического результата и экспериментальных данных. Свойства электрона включают величину, которую можно (ценой значительных усилий) с высокой точностью вычислить теоретически, а кроме того (да, при большом старании), с высокой же точностью измерить в опыте. Эти две ничем не схожие стратегии действий дают фантастически близкие результаты (совпадают 12 значащих цифр):

(в скобках указан размер неточности в двух последних знаках). Результат вычисления опирается на «всё», что есть в квантовой теории{1}, и, вне всякого сомнения, свидетельствует, что имеющаяся теория не может быть радикально неправильной, если выражаться самым сдержанным образом.

Универсальная применимость. Основные правила квантового мира представляют собой фундаментальные законы природы. С каким охватом и насколько фундаментальные? До какой степени мы в них уверены?

Ни одна физическая концепция не является «сакральным» знанием, и мы в целом готовы к тому, что при каких-то условиях концепции могут отказывать. Основополагающие принципы физики нельзя доказать в математическом смысле – они выражают собой обобщение наблюдений и не предполагают «доказательства»; опровергнуть же их, наоборот, можно даже единственным ясно выраженным контрпримером. В общем, мы пользуемся физическими теориями до тех пор, пока они соответствуют наблюдениям, а когда это перестает происходить, задумываемся о новых.

На фоне всех известных нам научных концепций квантовая механика дополнительно выделяется необычностью своего устройства. И тем не менее ни из одного угла Вселенной не поступает указаний, что базовые квантовые принципы требуют пересмотра. Вот характерное высказывание по этому поводу (заодно затрагивающее и следующую важную тему, правда, с использованием устрашающей терминологии):

Вполне возможно, что в один прекрасный день мы обнаружим расхождения квантовой теории с экспериментами. Однако данные на сегодняшний день подтверждают тот взгляд, что наша Вселенная является квантовой до самой сердцевины, и поэтому нам необходимо согласовать принцип суперпозиции, унитарность и их последствия – иллюстрируемые, например, нарушением неравенства Белла – с нашим восприятием и пониманием.

В. Зурек

Устройство реальности: интерпретации. «Восприятие и понимание» в приведенной цитате – это о том, как, собственно, устроена квантовая реальность и наши взаимоотношения с ней, при том что мир вокруг нас совсем не выглядит квантовым. Выяснить это непросто: квантовая реальность прячется за сложением эффектов, происходящих от огромного числа объектов, а непосредственно «подглядеть» за ними поодиночке очень непросто уже по той причине, что квантовые объекты вообще никак не выглядят. Достигнутые успехи в понимании квантовой природы потребовали мышления с опорой не на наглядность, а на логику, вовлекающую математические абстракции. Но при этом в известной мере стирается грань между самими объектами и языком, на котором мы их обсуждаем. Не так просто разграничить три типа «вещей»: квантовую теорию как формально-математическую схему (необычайно успешную, как уже было сказано), квантовый мир «сам по себе» (ускользающий от прямого рассмотрения) и результаты измерений, которые мы получаем, изучая квантовые системы.

Недоговоренности по поводу того, «что есть что» в мире и в наших представлениях о нем, ничуть не мешают успехам квантовой механики, но только усиливают желание предложить интерпретации – основанные на некоторых дополнительных предположениях пояснения о том, «что все-таки происходит», что именно описывает квантовая теория и как оно связано с наблюдаемой структурой мира. В подавляющем большинстве традиционных руководств по квантовой механике вопросы различных интерпретаций практически не обсуждаются как слишком философские, да и не нужные для вычислений, но здесь им будет уделено должное внимание. Интерес к ним, надо сказать, составляет тенденцию последнего времени, отмеченную среди прочего недавней Нобелевской премией по физике и подпитываемую перспективой квантовых вычислений и расширяющимися экспериментальными возможностями.

Что же в книге? Разбиение на главы отражает содержательную часть, а не исторические вехи, как уже было сказано. Вот подсказки для нетерпеливых. Самые «веселые» (в значении, близком к «беззаботные») главы – 11 и 12; самые «практичные» (при общем отсутствии акцента на практических аспектах) – 17 и 18; самые сложные – 24 и 25; самая загадочная – 21; основные в отношении базисного содержания квантовой механики – 8, 9 и 10; самые «исторические» (при общем отсутствии акцента на исторических аспектах) – 6, 14 и 23. Про не упомянутые здесь главы нельзя сказать, что у них нет никаких качеств, просто не видно какого-то одного заведомо доминирующего. Для тех, кто не собирается читать по порядку, но сначала все же наткнулся на этот абзац, вот кратчайшее описание содержания.

Вслед за вводной главой 1 главные качественные особенности квантового мира обсуждаются в главах 2–5. Основные мотивы здесь – возникновение дискретности (глава 2), несовместимость различных свойств друг с другом (которую я называю враждой, чтобы избежать технически очень нагруженного высказывания; главы 3 и 4) и индетерминизм (глава 5). Промежуточный итог в некотором роде подводится в главе 6, отчасти с критических позиций, которые в свое время отстаивал Эйнштейн. Он руководствовался определенными представлениями об устройстве реальности, и в книге эти вопросы также появляются в этой главе. До некоторой степени техническое, но совершенно необходимое для всего дальнейшего «отступление» в главе 7 посвящено спину.

В главах 8 и 9 появляется основное средство для описания состояний квантовых систем – фундаментальное эволюционное уравнение, к которому «сама тянется рука» каждого профессионала перед лицом едва ли не любой квантовой задачи. Вооружившись этим знанием, в главе 10 мы на новом уровне возвращаемся к индетерминизму, а конкретно к вероятностям.

С этого момента становятся видны основные «недоговоренности» квантовой механики. Они представляют собой определенный вызов, и значительная часть книги (главы 11, 12, 13, 19, 20) посвящена вариантам ответа на него – интерпретациям квантовой механики. Они кажутся мне интересными не только каждая сама по себе, но еще и тем, насколько они непохожи. Мы пока не в состоянии эмпирически обосновать выбор между ними, но прогресс в технологиях уже позволил получить от природы ответ на конкретный вопрос о том, как в квантовой реальности (не) могут присутствовать скрытые параметры – «еще более глубокий» слой реальности. Эта история, начало которой восходит к сомнениям Эйнштейна, а кульминация на данный момент отмечена Нобелевской премией 2022 года, излагается в главах 14, 15, 16. Здесь не обошлось без некоторой исторической канвы, а на первом плане оказалась квантовая запутанность.

Возможности квантовой механики в действии иллюстрируются на примере квантовой телепортации (глава 17) и квантовых вычислений (глава 18). Комбинация нескольких концепций в главе 21 позволяет заострить и уточнить вопросы об устройстве квантовой реальности. Столь важная для нас метаморфоза – «превращение» квантового мира внутри вещей в окружающий нас классический мир – обсуждается в главе 22.

Завершающие главы 23, 24, 25 – это переход от квантовой механики к релятивистской квантовой теории поля, начинающийся с бессмертной саги с Дираком в главной роли. Впрочем, кульминационную в этом сюжете главу 24 придется, возможно, пропустить из-за заметного превышения допустимого уровня абстракции (я надеюсь, что читатель великодушно простит мне «выпадение» около 4 % общего объема книги). Для «валидации» всей конструкции квантовых полей в глазах тех читателей, у кого она вызвала легкую оторопь, в главе 25 появляется Стандартная модель. Путеводитель по этой фундаментальной теории там искать не следует, но мне кажется важным в завершение книги добраться до самой квантовой «сердцевины».

В конце для справки приведены кратчайшие биографические сведения о почти всех упоминаемых в книге людях.

Если в этой книге есть сквозная тема, то это запутанность. Это существенно квантовое явление когда-то воспринималось как экзотика, но сейчас играет все более определяющую роль в нашем понимании того, как функционирует квантовый мир, одновременно находя применение в такой практической области, как тайнопись. Запутанность не сконцентрирована в какой-то одной главе, поэтому может оказаться полезным отдельный краткий путеводитель по тем местам, где она встречается.

Впервые запутанность упоминается в главе 6. Вообще-то она представляет собой свойство волновой функции, с которой мы знакомимся только в главе 8, и там, с учетом приобретенного знания, она обсуждается с использованием метафоры «квантового казино» (которая по существу является слегка замаскированной формой абстрактного математического определения). Запутанность, которая в согласии с фундаментальными правилами должна бы наблюдаться, но не наблюдается («практические» кошки не запутываются по Шрёдингеру), – предмет беспокойства и обсуждения начиная с главы 10. Разрешение противоречия, обсуждаемое в главе 11, основано на идее, что запутанности в мире не меньше, а больше, чем представляется: запутываются в том числе хозяева и хозяйки кошек, из-за чего их «копии» расходятся по различным вселенным. В главах 15 и 16 запутанность возникает во всей полноте как средство задавать природе тонкие вопросы о том, когда и как квантовые объекты приобретают свои свойства. В главе 17 запутанность – главная идея, потому что на ней и основана квантовая телепортация. В полной мере работает запутанность и в главе 18, где без нее от квантовых вычислений не осталось бы практически ничего. В главе 20 именно запутанность приводит к немедленному распространению локализации с одного электрона «на всю кошку». В главе 21 она играет не последнюю роль в знаменитом конфликте восприятий, намекающем на «конфликтную» структуру квантовой реальности, а в главе 22 она же делает все возможное, чтобы конфликты замаскировать и создать у всех нас иллюзию гладкой классической реальности.

Для некоторых читателей может оказаться полезным и еще один взгляд на часть содержания: с точки зрения уже упомянутых интерпретаций квантовой механики. Вообще их известно немало, поэтому неизбежен отбор. Вот что получилось:

(0) «Копенгагенское» (лучше: стандартное) понимание растворено в начальных главах и «дооформляется» в главе 10. (1) Из твердого следования логике уравнения Шрёдингера и полного доверия волновой функции как адекватному отображению мира вырастает многомировая интерпретация, обсуждаемая в главе 11. (2) В резком контрасте с ней – героический кьюбизм из главы 12, где волновая функция, а заодно и многое другое, оказывается всего лишь содержимым вашей головы. (3) Классике жанра – квантовой механике де Бройля – Бома – посвящена глава 13; уроки в отношении скрытых параметров и нелокальности (извлеченные не сразу, но послужившие триггером для важного дальнейшего развития) обсуждаются в главе 14. (4) Последовательные/основательные истории в главе 19 – это «копенгаген с человеческим лицом» в виде набора правил для любого рассказчика историй «из жизни квантовых объектов»; соблюдение их избавляет от противоречий внутри сюжета, но сюжетов получается столько же, сколько рассказчиков. (5) А в главе 20 постулируется механизм, который, возможно, недопридуман в «копенгагене», – самопроизвольная локализация волновой функции как физический процесс; это, строго говоря, уже не совсем интерпретация квантовой механики, а, скорее, ее развитие в другую теорию. Объять необъятное невозможно: здесь совсем не обсуждаются относительные состояния и модальные интерпретации и лишь едва упомянут супердетерминизм.

Любая форма – это ограничение. Во-первых, объем книги решительно не позволил затронуть даже теоретические аспекты квантовых явлений в веществе и квантовой оптики, не говоря уже о захватывающих экспериментальных подробностях. Эти обширнейшие области, развивающиеся самым активным образом и, собственно, производящие те самые «чудеса без нарушения законов природы», представляют собой все выразительнее звучащую симфонию квантовой теории; на них приходится львиная доля всех ее приложений. Сюда относится, строго говоря, вся электроника, а также фотоника, практическая квантовая криптография и многое другое. Одни только названия разнообразных эффектов звучат сверхзавлекательно (например, «кристаллы времени», «квантовое обращение времени», «топологические изоляторы», «квантовый эффект Зенона», «квантовые радары»). Каждый из них заслуживает отдельного эссе, а поскольку время от времени появляются не менее завлекательные новые эффекты, эта книга никогда не была бы закончена; да и вообще это темы для другой, куда менее «философской» книги. Я рассчитываю, однако, что их растущая актуальность разбудит и более «философский» интерес к тому, что лежит в основе как всех практических приложений квантовой теории, так и определяемых ею фундаментальных аспектов мироустройства.

Во-вторых, я полностью отдаю себе отчет, что и по поводу любого из затронутых в книге вопросов можно высказаться точнее и глубже, да и вообще сказать больше, в том числе добавив (иногда и правда занятные) исторические подробности. Если читатель захочет обратиться к другим источникам, чтобы в этом убедиться, моя задача будет выполнена.

Еще, пожалуй, стоит с достаточной определенностью высказаться по поводу недосказанностей квантовой механики, которые я здесь подробно обсуждаю. Самое несуразное, что можно заключить из их наличия, – это что существующая квантовая теория представляет собой конгломерат произвольных заявлений, каждое из которых можно по желанию заменить на какое-то другое. Ничего подобного. Математическая схема квантовой механики последовательна и лишена внутренних противоречий; она позволяет получать численные предсказания, которые подтверждаются опытными фактами. Необходимости в каких бы то ни было изменениях фундаментальных квантовых идей замечено не было, никаких указаний на это ниоткуда не поступает. Возможности их дополнения, как и их интерпретации в привычных нам терминах, обсуждаются, однако и они, при всем имеющемся разнообразии, далеки от «произвольных», и несколько конкурирующих идей сосуществуют тут до тех пор, пока это, опять же, позволяют логическая последовательность и согласие с опытом{2}.

Попутно я бы предостерег от поверхностных аналогий и параллелей между квантовой механикой и далекими от нее областями. Прекрасно, если методы квантовой механики применимы где-то еще. Квантовая механика, однако, – это вполне конкретная схема, работающая по ясным правилам, и аналогия между каким-то ее аспектом и явлением из другой сферы не означает, что эта последняя имеет в каком бы то ни было смысле квантовую природу. Да, настойчивый вопрос «Как ты ко мне относишься?» влияет на человеческие отношения вопрошающей и ответствующей сторон, и это обстоятельство может даже служить метафорой того факта из квантовой теории, что любое наблюдение представляет собой воздействие, – но не более чем метафорой. Кстати, в книге о квантовой механике без формул какие-то сравнения и метафоры неизбежны, и я прошу читателя не забывать, что любая метафора – не модель явления. Она в лучшем случае передает какую-то часть картины, а потому даже в качестве иллюстрации имеет ограниченное применение. После всех этих предупреждений можно наконец двинуться вперед!

Благодарности. Я благодарен многим, кто (в силу самых разнообразных причин и поводов) разными способами, в основном задавая вопросы или заставляя меня отвечать на незаданные вопросы, побуждал меня думать о том, что в итоге оказалось написанным, или/и о том, что я вычеркнул в последний момент. Среди прочих это Екатерина Абросимова, Михаил Аркадьев, Максим Гревцев, Александр Жаданов, Григорий Ковбасюк, Валентина Овчинникова, Алексей Сивухин, Руслан Смелянский, Янина Хужина, Алексей Шилов. Я также благодарю всех своих слушателей в разных аудиториях за внимание и вопросы, как и всех тех, кто при незапланированных встречах высказывал мне поддержку. В процессе написания мне сильно помогли критические отзывы об отдельных главах, которые я получал от Ирины Гарт, Андрея Когуня, Валентины Овчинниковой, Марии Попцовой, Ксении Семихатовой, Николая Семихатова, Аркадия Цейтлина, Олега Шейнкмана.

Лучшая шутка из всех, что я слышал за последние полгода (уж во всяком случае среди шуток в мой адрес), принадлежит Андрею Когуню: что я являюсь автором локализации терминов Alice и Bob. Эта история тянется с моей предыдущей книги[2], но «Аня» и «Яша» фигурируют и здесь тоже; пожалуй, я в немалой степени сроднился с ними, и мне приятно, что наше сотрудничество продолжается. И не только с ними. Неисчерпаемый потенциал помощи со стороны этих двух ассистентов в проведении мысленных экспериментов далеко превзойден тем вкладом, который внес в эту книгу ее редактор Петр Фаворов. Сделанные им многочисленные разноуровневые улучшения касаются и способа выражения, и смыслов, и все вместе с необычайной точностью способствуют поддержанию того духа книги, который я с самого начала хотел воплотить, но сталкивался с нехваткой выразительных средств. Неблагодарный труд научного редактирования взял на себя Алексей Цвелик; я обязан ему рядом поправок и несколькими очень точными дополнениями, сделанными согласно его предложениям там, где мое знание как раз заканчивалось; моей возросшей верой в себя благодаря его отклику на мои усилия и одновременно осознанием скромности этих усилий перед лицом неисчерпаемости такой темы, как понимание квантовой механики. Я благодарю Павла Подкосова и издательство «Альпина нон-фикшн» за смелое решение издать вторую мою книгу в течение двух лет – и до сих не знаю, подстроило ли издательство мою случайную встречу с Нюсей Красовицкой в дождливый осенний день на одном из мероприятий, куда я пришел по их просьбе. Эта встреча экспоненциально быстро превратилась в ее чудесное решение взяться за иллюстрации к этой книге, невзирая на мои уверения, что сам предмет начисто лишен наглядного представления. Последовавшие затем отчаянные обсуждения несуществующих образов должны были причинять ей нескончаемые мучения, а меня заставляли высказываться более емко и определенно, что в итоге нашло свое отражение и в тексте; поэтому получилось так, что иллюстрации в этой книге – больше, чем просто визуальные метафоры. Вот и первая – приглашающая читателя к необычному.

Вопрос о том, из чего сделаны вещи, иногда происходит из необходимости, например, если предмет требуется починить или как-то улучшить, но чаще – из любопытства. На первый взгляд все довольно просто: джинсы «сделаны из» ткани и ниток с добавлением, если угодно, заклепок, пуговиц и молний. Ткань, в свою очередь, сделана из нитей, причем ключевую роль здесь играет способ, каким эти нити организованы. Уже в XVII в. голландские ремесленники и купцы контролировали качество ткани, используя увеличительные стекла, постепенно превратившиеся в микроскоп. Выросший в этой среде ван Левенгук решил использовать микроскоп не для дела, а для удовлетворения любопытства, заинтересовавшись еще более мелкими деталями внутреннего строения вещей. В течение 1670–1680 гг. эти действия привели к череде открытий, среди которых инфузории, чешуйки кожи и сперматозоиды, а микроскоп вслед за тем надолго стал важнейшим средством, позволяющим углубиться в структуру вещей. Одно из моих детских воспоминаний – микроскоп у нас дома и загадочные разноцветные картинки каменных срезов – шлифов, которые изучала моя мама и на которые время от времени мне удавалось взглянуть. Каждая такая картинка сама по себе ничем не напоминала камень, но несла в себе информацию о его структуре и даже происхождении. Погружение в глубину вещей «объясняло» эти вещи – в данном случае горные породы – как определенную комбинацию нескольких более примитивных блоков, а именно минералов. Вопрос следующего уровня – из чего состоят сами минералы – был уже предметом не петрографии («науки о камнях»), а химии («науки о составе всего»). Путешествие еще на несколько уровней «вниз» и является предметом этой книги – в первую очередь в отношении того, какие правила там действуют и как эти правила определяют условия сборки элементов, которые в конце концов складываются во все, что нас окружает.

Еще в первой половине XIX в. о структуре материи стало постепенно известно примерно следующее. У каждого вещества (чистого, т. е. не являющегося смесью) имеется наименьшая часть – атом или молекула. Молекулы же построены как комбинации нескольких атомов – элементов, меньше которых уже ничего нет. В химических реакциях одни молекулы разрушаются, а другие образуются, и происходит это именно за счет перераспределения атомов между ними.

Сейчас мы узнаём это в школе, часто не вполне осознавая, что уже здесь намечается разрыв с привычной реальностью. Дело в том, что этих атомов и молекул не видно ни в один микроскоп в обычном понимании этого слова. И возникли они в науке XIX в. не как элементы физической реальности, а как «средство бухгалтерского учета» в химических реакциях – как вычислительный прием, позволяющий определить, какое количество одного вещества полностью прореагирует с заданным количеством другого вещества. В этом самом месте мы впервые встречаемся с мотивом, который, с некоторыми вариациями, прозвучит для нас еще не раз. Этим атомам, которые использовались для подсчета баланса в химических реакциях, не назначалось никаких других свойств, кроме способности вступать в комбинации друг с другом, составляя тем самым различные молекулы. Это и правда было средством учета, почти как разбиение доходов и расходов по статьям. В таком теоретическом качестве идея атомов отлично работала, но совершенно правомочно звучал вопрос: а существуют ли они? Не слишком ли самоуверенно думать, что раз мы нашли удобную вычислительную схему для определения правильных количеств веществ в химических реакциях и успешно оперируем ею на бумаге, то в природе, видите ли, на полном серьезе обнаружатся элементы этой схемы?

Скепсис (который, надо сказать, является одним из составляющих науки) набрал немалую силу в отношении атомов на рубеже XIX и XX вв., и реальность этих конструктов многим (включая и Менделеева – первооткрывателя Периодического закона) представлялась тогда далеко не очевидной. Дополнительный аргумент скептиков состоял в том, что атомы, как считалось, принципиально ненаблюдаемы. Спрашивается, следует ли полагаться на «реальное» существование объектов, реальность которых едва ли можно проверить?

Увидеть атом и правда нельзя, причем не из-за свойств нашего зрения, а в силу определения того, что значит «увидеть». Дело в том, что различить с помощью света можно только те подробности, которые по размеру больше (а лучше – заметно больше), чем длина световой волны. А у видимого света, даже если он фиолетовый, т. е. наиболее коротковолновый, длина волны такая, что на ней укладывается пара тысяч атомов. Попробуйте-ка разглядеть одну букву в слове, если самое мелкое, что можно увидеть, – слово из тысячи букв! (Красивые изображения атомов, которыми нередко иллюстрируются научные достижения, – например, атомы, уложенные регулярными рядами, – это результаты компьютерной обработки данных, которые получены довольно хитрыми, непрямыми способами и сами по себе фотографиями не являются; обычно это восстановленная по некоторым косвенным измерениям усредненная электронная плотность.) В общем, я предлагаю начинать привыкать к тому, что атом никак не выглядит.

Принято воздавать должное атомистической концепции, уходящей корнями в Античность. Да, порой интересно искать в прошлом предшественников дорогих нам существенно более поздних идей, но, действуя так, мы часто переносим на те ранние догадки и предположения хотя бы часть того, что нам сейчас известно про обсуждаемую концепцию. И заодно мы склонны забывать, что эти первоначальные идеи конкурировали тогда с другими, часто противоположными воззрениями, а сигналов из будущего насчет предпочтения одних перед другими не поступало. Предсказал ли атомы в V в. до н. э. Демокрит, высказавший идею о существовании пустоты и неделимых атомов, исходя при этом из вполне философского беспокойства по поводу бесконечной делимости материи? Произвольно сделанное предположение, пусть даже ставшее фундаментом философской системы, можно с легкостью «опровергнуть», высказав другое равно произвольное предположение и выстроив на его основе другую философскую систему. В точности так и поступил с атомами Аристотель (ок. 330 г. до н. э.), высказав противоположную идею непрерывности и заодно разделавшись с пустотой (которой, по его известному мнению, природа не терпит).

Серьезная же дискуссия о реальности атомов, с опорой на опыт в комбинации с существенно более развитыми теоретическими методами, пришла к своему завершению после 1908 г. Скепсис начала 20-го века оказался преодолен благодаря экспериментам, в которых был остроумно задействован «посредник» – мелкая частичка, брошенная в жидкость. От нее требовалось быть настолько мелкой, чтобы случайным образом дергаться в жидкости под действием «пинков», которые сообщают ей непрестанно движущиеся молекулы, но при этом достаточно крупной, чтобы (в отличие от самих молекул и атомов) ее можно было разглядеть в микроскоп. Оказалось, что характер видимого движения такой частички действительно определяется «пинками» со стороны предполагаемых невидимых агентов и, более того, отражает некоторые свойства этих агентов, например их массу и характерный размер, – в полном согласии с тем, что получалось, если считать эти агенты молекулами. Что же более основательно доказывает физическое, а не номенклатурное существование каких-либо объектов, как не удары, получаемые с их стороны? Атомы прочно и уже безвозвратно прописались в наших взглядах на мир.

Но победа передового атомизма во всемирном масштабе не обошлась, как это случается в подобных ситуациях, без перегибов. Вольно или невольно мысль склонялась к тому, что раз атомы пихаются как маленькие мячики, то, наверное, они и представляют собой что-то похожее на мячики, только очень маленькие. Но «мячики, только очень маленькие» оставляют больше вопросов, чем дают ответов. Например, как представлять себе их поверхность: из чего она сделана? Если снова затянуть ту же песню – сделана, мол, из еще более мелких штучек, – то и правда пора обращаться к Демокриту за моральной поддержкой против дурного деления материи на всё более мелкие части. Однако инерция мышления сильна и в несчетном числе рассказов об устройстве атомного мира продолжали существовать маленькие шарики.

Желание видеть внутреннее устройство вещей как миниатюризацию чего-то привычного было все еще заметно в модели атома, которая появилась в 1913 г. В ней атом уподоблялся планетной системе с электронами вместо планет и ядром вместо звезды, но на орбиты накладывались жесткие условия, из-за которых оказывались возможными лишь отдельные, «избранные» орбиты. Эта модель была прогрессивной для того момента, она принесла Нобелевскую премию ее автору, Бору, но и пользу в качестве важного шага к разрыву с классической картиной мира, но это неправильная модель. Тем не менее аналогия с «понятным» устройством вещей сделала ее, по существу, мемом, хотя после появления настоящей квантовой механики сам автор модели, Бор, сталкиваясь с апелляциями к ней, вопрошал: «Они что, никогда не слышали про квантовую механику?» При случае стоит спросить себя, каким же образом несколько орбит превращают крохотный объем пространства во что-то, похожее не на диск, а на шар? И как, собственно, организовать атом, одинаковый по всем направлениям, исходящим из его центра, в простейшем случае, когда там имеется всего один электрон? (Солнечную систему с одним только Меркурием сложно назвать шарообразной.)

С электронами мы слегка забежали вперед, и сейчас это исправим. К моменту победы атомизма действительно никто уже не воспринимал атомы как нечто неделимое: стало понятно, что в них содержатся носители отрицательного электрического заряда, которые при определенных условиях могут оттуда уходить. Это электроны, намеки на существование которых появлялись уже с середины XIX в., но которые были «официально» открыты в 1897 г. именно как агенты, проявляющие себя вне атома, но происходящие из атомов. И вот электроны-то, кстати сказать, – неделимые (по самым современным представлениям). В годы, предшествовавшие их открытию, когда о чем-то подобном высказывались еще только догадки и предположения, говорили об «атомах электричества»{3}. Кто знает, если бы последовательность событий в истории науки оказалась несколько иной, электроны тоже сначала могли бы восприниматься не в физическом, а в «бухгалтерском» смысле – как средство учета электрических зарядов. Но, как бы то ни было, вполне физическое существование электрона зафиксировал Дж. Дж. Томсон, подведя итог нескольким десятилетиям исследования явлений, которые исторически были известны как «катодные лучи» и «бета-лучи» (а в действительности являются не чем иным, как потоками электронов, испускаемыми в различных физических ситуациях).

Электроны, как и атомы, никак не выглядят, а все, что нам удается видеть, – это следы, оставленные ими в нашем макроскопическом мире: таковы и трек в пузырьковой камере, и светящийся пиксель на экране телевизора XX в. Весь свет, который отражается от письменного стола, за которым я сейчас сижу, исходит из атомов, а точнее, испускается электронами в этих атомах – но не может ничего сообщить о том, как атом или электрон выглядят. Когда самая малая порция света попадает в атом, она взаимодействует там с электроном, отдавая ему свою энергию. И наоборот, электрон, получивший лишнюю энергию, может ее отдать, излучив свет. Но этот свет несет информацию не о том, как что-то выглядит, а о правилах жизни электронов внутри атомов. Сейчас эти правила следуют из квантовой теории – предмета всех последующих глав; угаданы же они были во многом благодаря изучению света, происходящего из атомов.

Во избежание недопонимания стоит сразу оговориться, что атомы, лишенные чего бы то ни было похожего на «твердую поверхность», имеют тем не менее характерный размер. Как бы ни был атом устроен, влияние всего того, что в нем находится, не простирается бесконечно. Эпитет «характерный» в применении к размеру атома надо понимать как «типичный и приблизительный». Если оценивать этот размер различными (по необходимости непрямыми) способами, то получающиеся значения могут различаться, но не слишком сильно; слово «характерный» не предполагает абсолютно точного совпадения. Характерный размер атома – десятая доля нанометра, или 1 ангстрем, или 10^–8 см (это можно разными способами уточнять для атомов различных видов, но отличия не очень значительны). Это и правда не слишком много: «нано» довольно прочно ассоциируется с малым, а это еще меньше.

То, что происходит внутри атома, и, собственно, само его существование оказалось невозможно описать в рамках законов природы, известных к началу XX в., несмотря на все успехи, достигнутые на их основе. Сформулированные новые законы природы составили квантовую механику – которая уже почти сто лет удивляет своей эффективностью и одновременно заметной необычностью своего устройства.

Устройство квантового мира описывается квантовой теорией, часто называемой также квантовой механикой. Слово «механика» исходно указывало на круг задач по предсказанию движения: скажем, как далеко упадет снаряд, брошенный с заданной скоростью под определенным углом к горизонту (если мне простится школьный пример). «Предсказание» предполагает знание действующих факторов и, как правило, применение уравнений, в которых отражено это знание. Требуются, кроме того, начальные условия, фиксирующие положение дел, с которого события начинают развиваться. В только что приведенном примере действующие факторы – это притяжение Земли, и если предсказание требуется всерьез, а не на школьном уровне, то еще и сопротивление воздуха и даже вращение Земли, а начальные условия – это скорость в момент броска с учетом ее направления и расположение стартовой точки. В словосочетание же «квантовая механика» слово «механика» попало отчасти по инерции и означает примерно «предсказание, насколько это возможно, наблюдаемых результатов, исходя из действующих факторов и начальных данных». Некоторая расплывчатость формулировки, если вы обратили на нее внимание, не случайна и скрывает за собой многое из того, что нам предстоит увидеть.

А слово «квант» взялось из латыни – из вопросительного местоимения quantum, которое употребляется в вопросах типа «насколько много?» и «какое количество?». В нашей истории его стали употреблять в отношении порций. Сначала это были порции энергии. Появление порций – существенная часть квантовых правил.

В мире атомов, электронов и всего такого энергия во многих (причем важных) случаях передается не в любых количествах, а в «расфасованном» виде. Это не означает, что Вселенная наполнена заранее приготовленными порциями энергии. Например, свет несет энергию порциями, величина которых зависит от цвета – т. е. от длины волны. Чем ближе цвет к сине-фиолетовому краю радуги, тем больше энергии в одной порции, и еще больше – за пределами видимого спектра, в области все более коротких длин волн (примерно поэтому ультрафиолет не слишком нам полезен, а у рентгенологов сокращенный рабочий день). Но для света с определенной длиной волны, т. е. определенного цвета, эти порции энергии и правда всегда одинаковые. Все такие порции – и длинноволновые, и коротковолновые – в 1920-х гг. получили название фотонов. (Минимальные порции представляют собой предел того, сколь слабым может быть свет: меньше одного фотона означает ноль фотонов, т. е. отсутствие света. Кстати сказать, человеческий глаз устроен так, что в принципе способен реагировать буквально на несколько фотонов.)

«Порционность» несколько другого рода – называемая в данном случае дискретностью – характерна для составных квантовых объектов, т. е. для таких, которые возникают при объединении нескольких простых, вообще-то способных существовать отдельно друг от друга, но организовавших себе совместное проживание. Такие составные объекты первостепенно важны для нас, потому что мы из них состоим: это атомы и молекулы. Они могут существовать только при определенных дискретных значениях энергии, которую имеют их участники.

Наличие не любых, а только вполне определенных дискретных значений энергии служит обеспечительным механизмом для положения дел, которое мы почему-то часто считаем само собой разумеющимся, но которое без квантовых законов попросту невозможно: все атомы одного вида совершенно одинаковы и полностью взаимозаменяемы. Встроенная и неотменяемая дискретность «контролирует качество сборки», приводя к неразличимым атомам, скажем, кислорода или молекулам, скажем, углекислого газа. Понимание же того, откуда возникает сама дискретность, заняло около полутора десятилетий, и отправной точкой тут послужил ключевой факт, обнаруженный экспериментально, когда XX в. был еще молод (1908–1911). Резерфорд руководил тогда опытами по выяснению структуры материи посредством простреливания через нее электрически заряженными агентами.

Наш мир был бы невозможен без многого, что в нем фактически имеется, но уж заведомо невозможен без электрических зарядов. Хотя почти все вокруг нас электрически нейтрально (благодаря чему нас не «ударяет током» ежесекундно), это не потому, что зарядов нет, а потому, что противоположные заряды компенсируют друг друга{4}. Электрически нейтральным является и атом. Ко времени опытов Резерфорда было достоверно известно, что в атомах содержатся отрицательно заряженные электроны, а значит, там же должен присутствовать и компенсирующий их положительный заряд. Присутствовать – но каким именно образом? Выяснить это «глазами», даже вооруженными, невозможно, и требуется какое-то другое средство, чтобы «потыкать» внутренность атома.

Для выяснения структуры атома Резерфорд использовал так называемые альфа-частицы. Для него это был продукт, испускаемый некоторыми специальными – радиоактивными – атомами. Сейчас мы хорошо знаем, что производятся они благодаря непростому механизму, который включает в себя то, что Резерфорду только предстояло открыть, но Резерфорд и не думал загонять себя в логический круг, пытаясь объяснить еще и происхождение альфа-частиц. Он просто воспользовался эмпирически накопленными данными о радиоактивности, т. е. о вылетании, среди прочего, заряженных частиц из атомов, и взял в качестве источника альфа-частиц атомы радия. Конечно, альфа-частицы, как и всех остальных персонажей квантового мира, тоже нельзя увидеть (в этом одна из причин, почему радиоактивность не была открыта раньше, а также объяснение опасений перед невидимым в связи с современными ядерными объектами: если излучаемые частицы невидимы, то уверены ли мы в том, что их контролируем?). Но ничто не мешало Резерфорду и его сотрудникам наблюдать результат попадания альфа-частиц во флуоресцентный экран: производимые вспышки света фиксировались с помощью микроскопа. А далее главную роль сыграла механика – еще не квантовая.

Между источником, откуда вылетали альфа-частицы, и экраном, на котором фиксировались их попадания, поместили тонкую золотую фольгу – толщиной в несколько сотен атомов. Пролетая сквозь нее, положительно заряженные альфа-частицы испытывали воздействие электрических зарядов, как-то распределенных среди этих атомов, и в результате должны были тем или иным образом отклоняться от своего первоначального направления.

Оказалось, что в большинстве своем они почти никак не отклоняются: проходят сквозь сотню атомных слоев практически как сквозь пустоту. Но иногда они отклоняются очень сильно, даже почти в противоположную сторону по сравнению с первоначальным направлением. А это означает, что положительный заряд, который только и способен их так повернуть, сконцентрирован почти точечно, в чрезвычайно малом объеме. Хотя сам Резерфорд не дал своему открытию такого названия, в результате было обнаружено атомное ядро.

Характерный размер атомного ядра, как довольно быстро стало ясно из опытов, в несколько десятков тысяч раз меньше, чем характерный размер атома. Я на всякий случай напомню, что в десять тысяч раз меньше в диаметре означает в триллион (миллион миллионов) раз меньше в объеме. Но там, в менее чем одной триллионной доле объема, сосредоточена почти вся масса атома: ядро в несколько тысяч раз массивнее («тяжелее») всех электронов. (Различие в характерных размерах добавляет еще одну сложность к попыткам каким-нибудь условным образом все-таки изобразить атом на рисунке: миллиметр, выбранный в качестве диаметра ядра, при умножении на 30 000 дает атом диаметром 30 м.)

Нелишне отметить, что, имея дело с явлениями, в принципе недоступными глазу, мы в данном случае оцениваем размер атомного ядра «на взгляд» альфа-частицы. Одни сверхмалые элементы становятся для нас инструментами исследования, почти буквально «прощупывания», других. Надо только не забывать, что и эти наши помощники разговаривают с нами не напрямую, а только через те следы, которые они оставляют, вылетев из области, где они взаимодействовали с предметом нашего интереса (именно поэтому ускоритель элементарных частиц не имеет смысла без адекватной системы детекторов).

Немедленно возникла проблема с пониманием происходящего. Стало ясно, что электроны не сидят сиднем в тесных объятиях с ядром, ведь тогда атом не оказался бы настолько больше ядра. А механика – та, в использовании которой мы за XVIII и XIX вв. натренировались на летящих предметах и планетах, – сообщает, что единственная возможность для электрона держаться на расстоянии от ядра состоит в том, чтобы вокруг ядра летать. Законы электричества вроде бы поддерживают эту идею, обеспечивая необходимое притяжение между положительными и отрицательными зарядами{5}. Но те же законы электричества сообщают и плохую новость: если электрический заряд движется по искривленной траектории, он непременно излучает энергию в виде электромагнитных волн. Взять эту энергию можно только из одного источника – энергии движения самого электрона. И вся она немедленно на это и расходуется. Через крохотные доли секунды электрон должен отдать почти всю энергию и оказаться «на ядре». Упасть. Атом, согласно всем правилам, известным около 1911 г., не должен существовать (а мир вокруг нас должен сколлапсировать внутрь себя).

А раз атомы все-таки существуют, значит, какие-то из известных правил должны оказаться неверными в применении к электронам и всему подобному. Те «старые» правила называются в совокупности классическими – классической механикой, или классическими законами физики, или классической физикой. В этом контексте прилагательное «классический» является антонимом «квантового». Наша вселенная на самом деле – квантовая: в ней действуют квантовые, а не классические законы. Правда, в огромном числе случаев, охватывающих почти весь наш ежедневный опыт, мир кажется классическим. Тем не менее ключевые составные элементы внутри окружающих вещей и нас самих – атомы, да собственно, и молекулы – существуют в силу квантовых правил и управляются квантовыми правилами.

В применении к атомам квантовые правила приводят к дискретным значениям энергии. Для простоты возьмем атом водорода: в этом простейшем атоме с одним электроном ядро, кстати, тоже простейшее – это просто один протон. (Вспоминая свое детское недоумение при первом знакомстве с задачей записать четырьмя буквами – «в четырех клеточках» – слова «сушеный виноград», я предлагаю записать шестью буквами слова «ядро атома водорода».) Да, ядро и электрон притягиваются друг к другу (без этого атомов уж точно не было бы, но детали того, что электрон при этом делает, не слишком ясны. На первый план поэтому выходит «экономное» описание в терминах энергии, часто позволяющее обходиться без больших подробностей. На языке энергии можно говорить о притяжении между положительным и отрицательным зарядами: когда заряды близки друг к другу, их энергия меньше, а когда они расходятся, энергия такой системы возрастает (это неудивительно, потому что для разнесения их на большее расстояние необходимо прикладывать усилия, которые и идут в прирост энергии). В квантовом мире понятие энергии взаимодействия в целом сохраняет свой смысл{6} и там вполне можно руководствоваться идеей «меньше энергия взаимодействия – значит ближе».

Электрон, живущий в атоме на постоянной основе, должен обладать постоянной (неизменной во времени) энергией; отдавать или получать энергию означало бы, что в атоме что-то меняется, а нас прежде всего интересует атом, с которым ничего не происходит. И тут оказывается, что по совокупности квантовых правил электрон не может оставаться вблизи ядра «почти никогда» – а именно, никогда за исключением случаев, когда он обладает некоторыми конкретными, строго определенными значениями энергии. Это дискретные значения энергии – они отделены друг от друга интервалами, подобно «засечкам», нанесенным на отрезок линии; засечек, которые вы наносите тонким карандашом, неизмеримо меньше, чем «всех точек на отрезке».

Это и есть дискретность, лежащая в основе строения атомов. Электрону удается не расставаться с ядром, только если он занял определенную «энергетическую ступеньку» – обзавелся фиксированным значением энергии. Как и любой набор дискретных данных, разрешенные значения энергии можно перечислить в виде списка. Первой в списке идет наименьшая энергия, которую вообще может иметь электрон в данном атоме, за ней следующая, несколько бо́льшая, и т. д.

На постоянной основе электрон живет на самой нижней энергетической ступеньке. А если электрон взбодрить – передать ему порцию энергии подходящей величины, используя для этого свет или, скажем, толчки со стороны соседей, – то он поднимется на несколько энергетических ступенек выше. Потом снова «спрыгнет вниз», а лишнюю энергию отдаст в виде света. Не надо только представлять себе электрон прыгающим куда-то в пространстве, он от этого максимально далек. Вся «энергетическая лестница» – конструкция воображаемая, способ сказать, что электрон может существовать в атоме только при дискретных значениях энергии. А впрочем, воображаемая она только в качестве лестницы. В сочетании с другой, уже упомянутой дискретностью – излучением света порциями – энергетическая лестница становится почти буквально видимой: электрон испускает порцию света (фотон) строго определенной энергии (разница между двумя ступеньками), а значит, строго определенной окажется и длина световой волны, т. е. цвет этого света. Наблюдая этот свет, мы делаем вывод о разнице между значениями энергии, разрешенными для электронов в этом атоме. Желтые лампы уличного освещения могут нравиться или не нравиться, но желтые они именно потому, что разница в энергии между подходящими ступеньками в атоме натрия соответствует желтому цвету.

Список энергетических ступенек – объективная штука, строго определенная и одна и та же для всех атомов одного вида, и проявляет она себя повсеместно при излучении и поглощении света. Расстояния между ступеньками на любой такой энергетической лестнице неодинаковые: чем выше, тем ступени ближе друг к другу. А для атомов разного вида ступени расположены на разной энергетической высоте, поэтому атом каждого вида обладает своим, уникальным «репертуаром энергетических прыжков», которые могут совершать живущие там электроны. Каждый прыжок сопровождается поглощением или испусканием света определенной длины волны, поэтому у каждого атома имеется своя «световая подпись» («цветовая подпись»?), которая характеризует только его и которая выдаст его на любом расстоянии, откуда до нас доходит свет. Похожая картина имеет место и для несложных молекул. Таким-то образом – благодаря квантовым правилам – мы узнаем химический состав далеких объектов в космосе, и не только.

«Ступенчатое существование» электронов в атомах в отношении энергии, а также наличие минимальных порций энергии света – примеры явления, которое часто называют квантованием. Говорят, что энергия электрона в атоме квантованная, энергия колебаний двухатомной молекулы квантованная и т. п. В данном случае это термин для дискретного как противоположности непрерывному, с акцентом на том обстоятельстве, что причина дискретности – законы квантовой механики{7}.

В природе, надо сказать, имеется число – и не просто число, а мировая постоянная ħ, называемая постоянной Планка, которая в немалой степени ответственна за масштаб квантовых явлений, включая характерную высоту энергетических ступенек (речь идет не о различных конкретных значениях, а именно об общем для них масштабе). Постоянная Планка – это фундаментальная константа, т. е. фиксированная величина, повсеместно встроенная в структуру нашей Вселенной. Она представляет собой не «голое» число, такое как 42 или 0,05, а число, снабженное размерностью; это значит, что сама по себе она может измерять только определенные физические величины – те, которые имеют ту же размерность. (Например, если в вашем распоряжении имеется единица измерения длины, и только она, то никак не получится использовать ее для измерения, скажем, массы.) Постоянная Планка «измеряет» не энергию и не какую-либо из величин, для которых имеется более-менее очевидный измерительный прибор. Ее размерность – это масса, умноженная на скорость, умноженная еще и на расстояние. Если в качестве соответствующих единиц взять килограммы, метры в секунду и метры, то значение постоянной Планка составляет ħ = 1,054571817… × 10^–34 кг · (м/с) · м. По-другому, присутствующую здесь комбинацию единиц массы, скорости и расстояния можно представить как произведение (единиц) энергии и времени. Физическая величина с такой размерностью выражает, какая энергия «присутствует» в течение определенного времени; она называется действием, поэтому постоянную Планка называют иногда квантом действия. Довольно приблизительное, но оправдывающее себя на практике правило состоит в том, что если в интересующем вас процессе действие («присутствие» энергии во времени) сильно больше постоянной Планка, то квантовые эффекты почти или совсем не заметны.

Есть и другой знаменательный взгляд на постоянную Планка: размерностью кг · (м/с) · м обладает физическая величина, связанная с вращением и называемая моментом количества движения, или моментом импульса. Выражает она, если говорить неформально, «степень раскрутки» – насколько трудно остановить вращение (в обычном, неквантовом мире она представляет собой произведение массы вращающегося тела на его скорость и на расстояние до оси вращения). Вот эта величина оказывается в квантовом мире всегда «порционной», и размер ее «порций» пропорционален постоянной Планка. А поскольку это еще и сохраняющаяся величина, убыль ее в одной системе означает такое же увеличение в другой, и передается она тоже только порциями. Конечно, когда мы имеем дело с любым макроскопическим телом (типа грузика, вращающегося на нитке), кажется, что ее можно изменять непрерывно, потому что размер таких порций совершенно ничтожен в сравнении с самой величиной (похожим образом ступенчатая регулировка кажется непрерывной, если шаг ее очень мал). Про «степень раскрутки» можно при желании думать, что это самая квантовая величина – она всегда квантована. Она не раз еще встретится нам в последующих главах.

Возвращаясь к энергии: про нее, повторюсь, нельзя сказать, что она всегда и везде меняется ступеньками и передается порциями. Не всегда – но в очень многих случаях, и все такие случаи имеют ключевое значение для нашего существования. Этих порций в обычной жизни мы тоже не замечаем, потому что в большинстве процессов, которые нас окружают, их такое огромное количество, что они сливаются в нечто непрерывное. Песок, отгружаемый из карьера, тоже выглядит как непрерывная среда. Другое дело, когда песка совсем мало, как в песочных часах: тогда становится важно, что он состоит из песчинок. При большом желании их можно даже пересчитать.

Песчинки, конечно, только метафора. Порции энергии связаны с различными носителями, которые не следует представлять себе в виде сверхмалых песчинок. Они совсем другие – во многом из-за того, что существуют в условиях вечной и неизбывной вражды. Вражда, лежащая в основании нашего мира, и объясняет появление энергетической дискретности.

Невидимые глазу электроны в невидимых атомах скрывают дискретность: они могут существовать там, только если обзавелись разрешенными значениями энергии «из списка». У невидимой части этой истории есть и очень даже видимые проявления: атомы поглощают и излучают свет вполне определенных длин волн. Сами по себе эти длины волн – ничем не примечательные числа (измеряемые сотнями нанометров с некоторым количеством десятичных знаков после запятой). Но в серии из нескольких длин волн скрываются целые числа. Для атомов водорода это странное явление было замечено еще за 40 лет до создания квантовой механики, за 15 лет до гипотезы о световых квантах и вообще за 12 лет до открытия электрона – в 1885 г. Нашлось математическое выражение, включающее одну постоянную величину и целое число, из которого, если последовательно принимать это число равным 3, 4, 5, 6 и 7, получаются одна за другой несколько длин волн, испускаемых или поглощаемых водородом. Такое положение дел представлялось в то время неразрешимой головоломкой, но теперь мы знаем, что эти целые числа – номера разрешенных значений энергии из списка.

От квантовой механики требуется ответ, почему так устроена жизнь электронов в атомах и почему атом можно собрать из ядра и электронов, только если соблюдены жесткие требования дискретности.

Этим ответом не могут быть слова «потому что таковы свойства атома». Это никакое не объяснение. Но ответ может опираться на общие законы природы – применимые к электронам, протонам и т. п. – с возможными дополнениями по поводу каких-либо свойств электронов самих по себе. Тогда мы объясним строение атома через более фундаментальные понятия, напрямую с атомом не связанные. Стоит помнить при этом, что любая цепочка объяснений неизбежно где-то заканчивается: фундаментальные понятия и законы потому и фундаментальны, что не объясняются ни через что другое (наоборот, «всё» объясняется через них).

Один такой фундаментальный квантовый закон и составляет предмет этой главы. Суть его в том, что некоторые используемые при описании мира величины – такие как положение в пространстве и скорость – враждуют друг с другом. Враждуют в том смысле, что не могут одновременно иметь точно определенные значения для одного и того же квантового объекта. Практически так же, как невозможно равенство 0 = 1, невозможно и одновременно снабдить, скажем, электрон точным положением в пространстве и точным значением скорости. Или одно, или другое. Вместе они к электрону не прикрепляются. Это фундаментальный закон природы{8},{9}.

Возможно, здесь самое время подумать, как удачно, что электроны никак не выглядят, – ведь непонятно, как могло бы выглядеть такое необычное, «половинное» (или действительно половинчатое) существование. (Не самая, возможно, удачная метафора, но как действительно представлять себе табуретку, у которой точно определена или форма сиденья, или длина ножек?)

Последствия вражды между положением в пространстве и скоростью многочисленны. Для начала, в квантовом мире запрещен покой. Покой означал бы, что и положение, и скорость (равная в данном случае нулю) определены одновременно. Тут можно потренироваться в подавлении своей интуиции. Так и хочется спросить: «Как это запрещен? А если я возьму и остановлю что-то в одной точке?» А как, простите, вы собираетесь это сделать? С помощью чего именно и как будете контролировать свои действия? Можно попробовать облучать электрон светом, чтобы узнать, где он находится. Для хорошей точности потребуется свет с очень малой длиной волны, но тогда даже один фотон окажется таким энергичным (и будет заодно нести такой импульс), что передаст вашему электрону некоторую скорость. Продолжение рассуждений показывает, что нет процедуры, позволяющей обеспечить полную неподвижность квантового объекта. И это – не последствия нашей неизобретательности, а отражение того факта, что неподвижность невозможна как таковая.

И не только покоя нет. Запрещено еще и перемещаться из одной точки в другую по траектории. Да, в квантовом мире невозможно движение по траектории. Траектория – линия, строго говоря, воображаемая, но она дает неплохое описание того, как движутся обычные тела – например, песчинки, которые я сдул с ладони. Каждая точка траектории – это определенное положение в некоторый момент времени. А поскольку это положение плавно меняется с течением времени, в каждой точке траектории определена еще и скорость. Именно это в силу квантовой вражды и невозможно, причем в смысле строгого математического «нельзя».

Кроме того, вражда напрямую затрагивает и энергию, и вот каким образом. Как правило, энергия складывается из двух частей различной природы: энергии движения и энергии взаимодействия; первая зависит от скоростей, а вторая – от взаимного расположения всех самостоятельных компонентов системы. Запрет на одновременное существование точно определенных скорости и положения приводит к тому, что эти две части энергии также не могут иметь определенные значения одновременно. Но во что же тогда превращается полная энергия – сумма враждующих величин?

Мы продолжаем погружение в мир, лишенный наглядности. Энергия оказывается там не числом, а довольно абстрактной математической конструкцией – операцией. Предназначение этой операции – не выражать какое-то численное значение, а быть агентом воздействия, т. е. производить изменения. Не самый последний вопрос при этом – изменения в чем? В состоянии той квантовой системы, которую мы взялись описывать. Энергия превращается в орудие воздействия на состояния. Дело «всего лишь» в том, что сами состояния – это вовсе не наглядные описания «что где находится и куда и как движется» (они, как мы только что обсуждали, невозможны). Вместо этого состояния – это объекты, населяющие специальные математические пространства. Они представляют собой «рабочих лошадок» квантовой механики, и мы познакомимся с ними подробнее в следующих главах. Сейчас же главное для нас в том, что это математические объекты, а поэтому к ним можно применять различные математические же операции. Квантовая механика этим и живет.

Вообще за каждой физической величиной в самой глубине всей схемы квантовой механики стоит определенная операция – «преобразователь» в специальном математическом пространстве{10}. Причина вражды любых двух величин, в том числе и между положением в пространстве и скоростью, – вражда отвечающих им операций там, в «математическом ядре» квантовой теории. Происходящее там абстрактно, но не лишено изящества: две физические величины враждуют по той единственной причине, что отвечающие им абстрактные операции чувствительны к порядку, в котором они выполняются. Это значит, что выполнение сначала операции А, а потом операции Б дает другой результат, чем выполнение сначала Б, а потом А. Вообще-то в отношении операций это не слишком удивительно и наша обычная жизнь полнится примерами того, как важен порядок действий. Я ограничусь безобидным «сначала порезать овощи, а потом их пожарить, или наоборот»: каждая операция изменяет то, к чему она применяется (состояние овощей), но результат очевидным образом зависит от порядка. (Небольшое размышление показывает, что зависимость от порядка окружает нас в жизни буквально со всех сторон.)

Возвращаясь к энергии, состоящей из двух враждующих частей и ставшей поэтому не числом, а операцией: вражда между двумя ее частями в полной мере разворачивается при наличии притяжения между атомным ядром и электроном, потому что притяжение зависит от расстояния, т. е. в общем от положения в пространстве, в то время как энергия движения зависит от скорости. Две «конфликтующие стороны» преобразуют математические состояния очень по-разному: когда одна сторона вызывает незначительные изменения, другая «назло» – очень существенные, и наоборот. Энергия в результате становится в математическом пространстве свирепым преобразователем, от которого (почти) никому нет спасения.

Такая беда с энергией «мешает» существованию атома, поскольку энергия изолированного атома не должна меняться со временем (иначе с атомом что-нибудь происходит), а для этого уж во всяком случае обязана иметь какое-то численное значение!

«Мешает» действительно настолько сильно, что собрать атом из ядра и электронов невозможно почти никогда – за исключением специальных случаев «примирения». Оно наступает, если среди математических состояний, подвергаемых преобразованиям, найдется такое, что две враждующие части энергии, действуя совместно, почти его не изменяют. Что означает «почти», сказано в следующем абзаце, а случиться подобное может, только если энергия каждого электрона принимает одно из специальных (численных) значений.

Список разрешенных значений энергии возникает как условие «примирения» враждующих вкладов в энергию электрона в атоме в исключительных случаях. Для этого необходимо, чтобы существовал специальный математический объект, которому удается почти не меняться под действием энергии как операции, а именно, отделаться просто умножением на число. (Это и правда мягкий вариант изменения; в качестве бытового примера можно сравнить изменение текста из-за того, что размер всех шрифтов в нем умножен на некоторое число, с пропусканием страниц через шредер.) Появляющееся таким образом число и становится энергией электрона в атоме. Так формируется весь список энергий, при которых только и может существовать атом, – и возникает дискретность, которую мы обсуждали в предыдущей главе.

Для сравнения, у электрона, свободно летящего в пространстве, никакой дискретности нет; его энергия целиком сводится к энергии движения. Она выражается только через скорость, враждовать ей в данном случае не с кем, и никаких отдельных разрешенных значений энергии движения не возникает. Дискретно многое, но не всё.

В истории создания квантовой механики можно при желании усмотреть символизм, перекликающийся с характерной для нее самой «враждой», т. е. наличием несовместимых величин. Поначалу такими же несовместимыми выглядели две идеи, высказанные двумя разными людьми, но при этом – несмотря на кажущуюся непримиримость самих идей и приближающиеся к враждебным отношения между их авторами – вместе составившие основу квантовой механики.

Противостоящие одна другой идеи принадлежали Гайзенбергу (которого немало вдохновлял Бор) и Шрёдингеру (которого вдохновляло нечто иное).

Создатели нового описания мира пришли к осознанию, что структуру атома нельзя постичь, распространяя на него привычные модели и полагаясь на интуицию и «само собой разумеющиеся» факты. Все, что «само собой разумеется», – обобщение опыта, накопленного в классическом мире, и сколь бы естественными ни казались нам некоторые вещи, их нельзя переносить в квантовый мир без абсолютной необходимости. Рассуждения без привлечения «само собой разумеющегося» требовали немалой дисциплины мышления, и первым тут достиг успеха Гайзенберг (июнь 1925 г.). Он смог сформулировать правила описания квантовых объектов, очень строго следя за тем, чтобы иметь дело только с тем, что можно было в принципе извлечь из экспериментов, и не привнося никаких «самоочевидных» идей. Электрон в атоме, по Гайзенбергу, вел существование, привязанное только к переходам между дискретными значениями энергии – только тогда он заявлял о себе, излучая или поглощая порцию света определенной длины волны. Гайзенберг создал целую систему для обращения с дискретными величинами вместо обычных непрерывных. На ее основе удалось вычислить – математически вывести – энергетические ступеньки (разрешенные значения энергии) в атоме водорода.

Атом был «спасен»: электрон не оказывался в объятиях атомного ядра, отдав всю свою энергию в виде света (проблема, о которой мы говорили в главе 2), потому что в списке разрешенных значений имелась наименьшая энергия. С нее начинается список, и электрону, который ее приобрел, просто «некуда бежать», отдавая энергию.

Формализм получился достаточно громоздкий, но это тем не менее был колоссальный прорыв. Дискретность присутствовала в нем с самого начала, и самой существенной способностью электрона в атоме оказывалась способность совершать «скачки» между разрешенными значениями энергии. Происходящее же между скачками представлялось неважным; говорить о нем даже и не следовало: в условиях недоступности прямого наблюдения ему приписывалось не совсем полноценное существование.

Справедливости ради надо сказать, что эти отчасти философские идеи о характере существования электронов в атоме добавились к математическому аппарату не сразу и заведомо не одновременно с написанием правильных формул, позволявших делать вычисления. Возможность вычислять была на первом месте, и согласие результатов с наблюдениями служило обоснованием формул. Формулы тем не менее все же несли в себе вопрос о своем смысле. Идеи по их интерпретации набирали силу в течение нескольких лет, и существенную роль тут сыграл старший коллега и до некоторой степени наставник (очень молодого тогда) Гайзенберга – Бор. Он же взял на себя роль «разъяснителя» свойств квантового мира и наших отношений с ним для научного сообщества. Именно отношения исследователя и природы все больше выходили на передний план, тогда как физическому миру «самому по себе» Бор отказывал в полноценном существовании; обсуждать следовало лишь то, что можно наблюдать, поэтому далеко не про все в квантовом мире имеет смысл спрашивать и не всему разумно искать «объяснения»{11}.

Совсем другую идею по поводу того, как описывать квантовые явления, примерно с полугодовым отставанием от Гайзенберга высказал Шрёдингер. Он предложил (рубеж 1925 и 1926 гг.) непрерывную схему описания квантовых явлений вообще. На первый взгляд, согласно идеям Шрёдингера, квантовые объекты слагались из чего-то типа разлитых в пространстве волн – которые решительно не испытывали никаких скачков, а эволюционировали с течением времени по закону, который Шрёдингер же и сформулировал (исключительно удачно придумал) и который превратился затем в основное вычислительное средство квантовой механики под названием уравнения Шрёдингера.

Начал Шрёдингер тоже с того, что применил свое уравнение для математического вывода разрешенных значений энергии в атоме водорода (и с тех пор все тоже так поступают). Однако в его подходе было гораздо яснее, как действовать – по крайней мере, как записать нужные уравнения – и для более сложных атомов. Математические «чудеса», благодаря которым из непрерывного (чего-то типа волны) получалось дискретное (энергетические ступеньки, согласующиеся с экспериментом), были красивы и содержательны (свирепая энергия все-таки производит определенное число, действуя на очень специальный математический объект, как вкратце обсуждалось выше).

Однако не все шло гладко. Очень быстро выяснилось, что с задачей стать «материалом» для построения квантовых объектов эти вроде-бы-волны не справляются. Фундаментальная причина состояла в том, что они в действительности не бегают по пространству таким образом, что каждому квантовому объекту отвечает своя волна. Это обстоятельство глубже и сложнее, чем может показаться на первый взгляд. Да, в числе мотиваций самого Шрёдингера была идея, что объекты, считающиеся частицами (электроны), проявляют волновые свойства. Эту идею несколько ранее высказал де Бройль, а немного позднее, в 1927 г., она стала экспериментальным фактом. Но при этом не верно, что в системе из нескольких электронов каждый представлен своей волной. Ничего подобного в схеме, предложенной Шрёдингером, нет. Там необходимо сразу указать столько точек в пространстве, сколько у вас электронов, и только тогда будет математически определена «величина» (амплитуда) этой вроде-бы-волны – и относиться она будет ко всем электронам, вместе взятым. Связь с событиями в отдельных точках физического пространства при этом теряется.

Неудивительно, что Гайзенберг воспринимал «конкурирующую фирму» в штыки, на научных собраниях выступал с обоснованной критикой, а в переписке не очень стеснялся в эпитетах, доходя чуть не до «отвратительная». Удивительно, однако, что «выявленные недостатки» шрёдингеровского подхода мало чему помешали!

Шрёдингер же не только «решил» атом водорода, но и сумел математически показать, каким образом из его подхода к квантовой теории воспроизводится весь подход Гайзенберга целиком, – по существу продемонстрировал, что эти два подхода математически эквивалентны друг другу, несмотря на радикальное различие в форме и вообще кажущуюся противоположность. В итоге оказалось, что по сути одну и ту же теоретическую схему открыли дважды – независимо и на двух различных языках, достаточно различных для того, чтобы поначалу выглядеть антагонистами. Это не самая частая ситуация в истории науки, а с учетом того, насколько абстрактные конструкции при этом использовались, вообще единственная. Заодно это было веским свидетельством в пользу только-только придуманного формализма квантовой механики. С тех пор у нас есть единая квантовая механика, хотя и бывает, что находится повод говорить о матричной механике или волновой механике (это Гайзенберг и Шрёдингер соответственно).

Непримиримость двух подходов закончилась их вынужденным примирением ввиду математической эквивалентности. А вот представления о природе реальности, стоящие за каждым из двух видов математического формализма, оставались различными. Различие взглядов уходило вглубь, до разногласий о том, из чего состоит мир и в каком отношении с миром находится наше знание о нем. При этом никуда не делась проблема, что шрёдингеровские волны – это не волны в пространстве.

Эйнштейн в одном своем письме отзывался о текущем состоянии дел в квантовой науке так: «Квантовая теория подверглась полной шрёдингеризации, из-за чего имеет много практических успехов». А затем продолжал: «Но это тем не менее не может быть описанием реального процесса. Здесь тайна».

Мы вернемся к уравнению Шрёдингера в главах 9 и 10. Тайна там действительно есть.

Вражда, отбирающая свойства, в квантовом мире повсюду. Когда электрон на постоянной основе живет в атоме, его энергия там постоянна (и, как мы уже видели, далеко не произвольна). «Математика вражды» говорит, что из-за наличия определенного значения энергии у электрона в атоме не может быть никакого определенного положения в пространстве. Положение в пространстве – свойство, которое к нему там «не прикрепляется». У электронов в атоме, другими словами, просто нет свойства находиться в какой-либо точке пространства. Речь не о том, что они меняют свое положение с течением времени; нет, у них просто нет определенного положения ни в какой момент времени. А что со скоростью? Раз пространственное положение не определено, шанс, как кажется, появляется у его антагониста – скорости. Но со скоростью теперь враждует сама энергия электрона в атоме; она получает эту вражду в наследство от положения в пространстве, и четко определенное значение энергии становится запретом для любого значения скорости. Электронам в атоме не позавидуешь: ни положения, ни скорости, и шансы наглядно ответить на вопрос «Что они там делают?» стремительно тают.

Существование электрона как части атома – чудеса изворотливости в условиях запретов из-за квантовой вражды. Несмотря на «нечеловеческие условия», электрон в атоме все-таки сумел обзавестись в дополнение к определенной энергии еще и кое-каким подобием вращения. «Подобием» вот в каком смысле. Чтобы полностью описать, как вращаются привычные нам вещи (например, шлифовальный диск, велосипедное колесо или камень на веревке), нужно указать направление оси вращения и «степень раскрутки», численно выражающую, насколько трудно это вращение остановить (эта величина уже встречалась нам здесь под своим официальным названием «момент импульса»). Таким образом, чтобы задать вращение, как мы себе его представляем, требуются три величины, т. е. три числа: два задают направление оси, а еще одно – степень раскрутки.

В квантовом мире это невозможно. Электрону, выполняющему что-то вроде вращения в атоме, не удается обзавестись всеми тремя этими величинами. Проблема – в их отношениях между собой: они враждуют и поэтому не могут прикрепиться к электрону одновременно (хотя и не враждуют с энергией). Из-за этого электрон берет себе только две из трех, причем одна – это степень раскрутки. Из-за отпавшей третьей величины теряется идея оси вращения. Можно сказать, что у электрона в атоме есть атрибуты вращения: степень раскрутки и частичная информация об оси вращения, но они не составляют наглядного описания. Мы снова сталкиваемся с непредставимостью происходящего внутри атома – в данном случае с непредставимостью вращения, у которого нет оси. Это аналог, и даже «родственник», запрета на траектории (траектории у электрона в атоме, разумеется, тоже нет).

Но последствия вражды этим не ограничиваются: две величины, оставшиеся в качестве характеристики квантового вращения, могут принимать не какие угодно, а только дискретные значения. В частности, степень раскрутки принимает только значения, которые тоже нумеруются неотрицательными целыми числами. (Это до известной степени аналогично энергии электрона в атоме, но разрешенные значения степени раскрутки математически выражаются через эти числа иначе, чем разрешенные значения энергии выражаются через свой номер в списке.) Нельзя раскрутить «чуть сильнее» или «чуть слабее», а можно только перейти от одной определенной степени раскрутки к другой. Вращение в нашей квантовой вселенной, таким образом, всегда оказывается квантованным, т. е. дискретным по своим характеристикам; в продолжение сказанного в конце главы 2, все возможные степени раскрутки пропорциональны постоянной Планка ħ{12}.

Различные электроны в атоме берут себе различные дискретные порции этого неполноценного вращения, и с ними в атоме и существуют. Наименьшая «степень раскрутки» – нулевая, и про электроны, которым она досталась, можно сказать, что они не вращаются вообще ни в каком смысле; именно таково положение дел в атоме водорода (как бы ни намекала на обратное «планетарная модель атома»; она, как мы помним, неверная). Собственно говоря, если электрон в атоме взял себе первое из списка разрешенных значений энергии, то все его атрибуты вращения с необходимостью нулевые. Для энергии № 2 ситуация чуть более интересная: степень раскрутки может быть или нулевой, или же следующей в списке – отвечающей раскруточному числу 1. Для энергии № 3 имеется уже три возможности для раскруточного числа: 0, 1 или 2; для энергии № 4–0, 1, 2 или 3; и так далее. Каждое следующее значение раскруточного числа добавляет живости сюжету, потому что открывает все больше возможностей для второго атрибута вращения. Он тоже выражается целым числом, а точнее, целым числом, умноженным на постоянную Планка. При нулевой раскрутке оно тоже равно нулю; но при раскрутке 1 для него открываются возможности – ħ, 0, ħ, при раскрутке 2 – возможности –2ħ, –ħ, 0, ħ, 2ħ, и т. д. И это – почти все, что можно рассказать про жизнь электрона в атоме, с одним только важным уточнением, которое мы сделаем в главе 7.

Из-за вражды одних величин с другими мир находится в «напряженном» состоянии. В конструкции атома нет непрерывных параметров: и энергии электронов, и атрибуты вращения, которыми эти электроны обладают, описываются дискретными значениями из некоторых списков. Существовать может только то, что отвечает одному из пунктов списка; не бывает атома, у электронов которого эти величины слегка отличались бы от некоторых предписанных.

Поэтому везде во Вселенной электроны устраиваются в атоме единственным способом, и из-за этого все атомы с одним и тем же числом электронов одинаковы{13}. А число электронов в атоме определяется зарядом атомного ядра, поэтому можно сказать, что одинаковые атомные ядра собирают электроны вокруг себя всегда одним и тем же способом. Если атом теряет свои электроны (что происходит часто, хотя и не слишком часто теряются все до единого), то при последующем воссоединении с электронами атом оказывается неотличим от исходного. Этим, собственно говоря, и определяется смысл понятия «химический элемент»: элементы остаются самими собой, несмотря на легкомысленное отношение к своим электронам в химических реакциях. (Ничего подобного не имеет места для планетных систем: сверхцивилизация, пожелавшая отодвинуть Меркурий от Солнца на миллион-другой километров, не встретила бы никаких запретов со стороны законов природы.)

То же верно, по практически тем же самым причинам, и для простых молекул. Все молекулы воды не «примерно похожи», а одинаковы: условия сборки при непрекращающейся вражде включают настолько жесткие требования, что собрать их удается единственным образом. Это снова принципиально отличается от того, как собраны большие вещи вокруг нас: для производства чего-то в высокой степени одинакового нужны специальные усилия (точные станки и дисциплина персонала, например); в квантовом же мире сборка, отклоняющаяся от «технического задания», просто невозможна{14}.

Атомы, как мы говорили, могут сообщать о себе – о конкретных деталях своей внутренней дискретности – «световой подписью», т. е. длинами волн, которые они способны излучать и поглощать; на жаргоне их называют спектром атома. Похожим, хотя и более сложным образом обстоит дело и с молекулами. Среди прочего атомы, входящие в молекулу, могут находиться в некотором подобии колебаний относительно друг друга – «подобии», потому что и здесь квантовые законы изгоняют наглядность, а заодно навязывают квантовым колебаниям дискретность{15}.

Вообще-то квантовые колебания интересны далеко не только потому, что их хорошо исполняют молекулы, особенно двухатомные. Квантовые колебания – это очень общее явление, возникающее в самых разных ситуациях, вплоть до квантовых полей, к которым мы еще вернемся. Сейчас же, чтобы не забегать так сильно вперед, потренируемся как раз на двухатомных молекулах{16}. Взаимодействие между атомами, которые их составляют, имеет свойство упругости, похожее на работу пружины: при излишнем сближении возникает отталкивание, а при излишнем (но не разрушающем молекулу) удалении – притяжение. Поэтому от таких молекул можно ожидать поведения, роднящего их с парой тел, которые соединены пружиной. Однако двухатомная молекула – это не два соединенных пружиной тела, потому что на сцене снова вражда!

Фундаментальная вражда между положением и скоростью приводит к тому, что в данном случае враждуют расстояние между атомами и скорость их сближения или удаления, что, конечно, делает наглядное представление таких «колебаний» затруднительным (к чему, надо надеяться, мы начинаем привыкать). А в качестве прямого математического следствия из этой вражды энергия таких «непредставимых» колебаний может принимать только дискретные значения. Энергетические ступеньки устроены в данном случае максимально просто: в отличие от энергетических ступенек для электрона в атоме, они отстоят друг от друга на одну и ту же величину. Этот шаг между ступеньками – свой собственный для каждой системы, которая совершает квантовые колебания{17}.

У квантовых колебаний есть еще одна особенность: их нельзя «полностью остановить». Если принять все меры для того, чтобы «затормозить» систему, отобрав у нее энергию, она сохранит «неснижаемый остаток». Этот остаток – в принципе неустранимая энергия, по величине равная половине шага между энергетическими ступеньками: когда в системе «совсем» ничего не происходит, энергия ее оказывается равной все же не нулю, а половине энергии первой ступеньки. Этот неотнимаемый энергетический остаток иногда называют «энергией нулевых колебаний»; в этих словах можно усмотреть легкое противоречие, но это всего лишь название. При желании можно думать, что наличие этой энергии выражает собой общий запрет покоя, в силу которого колебания не могут полностью остановиться.

Дискретность квантовых колебаний – прямая наследница вражды – проявляет себя еще и в том, каким образом тела принимают в себя тепло: большое ли количество энергии надо передать телу, чтобы повысить его температуру, скажем, на один градус (для сравнений надо брать определенное количество вещества, что я и буду подразумевать). Опыт говорит, что это свойство само зависит от температуры: при достаточно низких температурах порция тепла, необходимая для нагрева на один градус, оказывается все меньше. Для серебра при –120 ℃ она уже довольно заметно меньше, чем при комнатной температуре, в районе –200 ℃ становится меньше примерно на треть и при дальнейшем снижении температуры падает очень быстро: при –250 ℃ достигает примерно одной десятой своего комнатного значения и становится все меньше при более низких температурах, приближающихся к абсолютному нулю.

А куда вообще идет энергия, поглощаемая телом в виде тепла? Она «прячется» там в различных видах движения атомов и молекул; в твердом теле, где атомы не бегают свободно с места на место, их движение носит характер колебаний. Без привлечения квантовых свойств нельзя объяснить, что порция тепла, необходимая для нагревания на один градус, так сильно зависит от температуры, ведь, по классическим представлениям, если количество атомов, совершающих колебания, не меняется, то каждый должен взять себе долю переданной энергии – одну и ту же вне зависимости от температуры, при которой это происходит. Но учет квантовой природы колебаний меняет картину за счет того, как заполняются энергетические «ступеньки», свойственные колебательному движению: когда температура мала, в системе имеется не так много дискретных возможностей, по которым можно распределить энергию, в результате переданное тепло «растекается» по меньшему числу «ячеек», чем при высоких температурах, и для нагрева на один градус достаточно заметно меньшего количества тепла.

Возвращаясь к «главной», архетипической вражде между положением в пространстве и скоростью, посмотрим на дело еще с одной стороны. Да, положение и скорость не могут быть точно определены одновременно. Но если не настаивать на том, чтобы какая-то одна из этих величин была определена точно, можно допустить в каждой некоторую неопределенность – характерный размер неустранимой неточности{18}. Тогда, как следствие вражды между величинами, их неопределенности окажутся связанными друг с другом: чем больше одна, тем меньше другая (обратно пропорциональная зависимость){19}. И это – общая картина: если какие-то две величины враждуют друг с другом, то неопределенности в их значениях связаны подобным образом.

За «размер» неопределенности одной из враждующих величин при фиксированном размере другой тоже отвечает постоянная Планка ħ; в этом смысле она несомненно является мерой квантовости. В воображаемой вселенной, где величину ħ можно регулировать, «скрутка» ее до нуля положила бы конец всякой вражде и вообще квантовым эффектам. Впрочем, это плохая идея даже для фантастического сюжета (или заниматься этим должны очень плохие парни), потому что при исчезновении квантового исчез бы и классический мир: для существования ему необходима «квантовая начинка».

Это явление – зависимость между неопределенностями враждующих величин – называется принципом неопределенности. Смысл его не в том, что «все неопределенно», а именно в том, что меньшую неопределенность одной из величин можно обеспечить только за счет большей неопределенности другой.

Слово «принцип» означает, что данному утверждению придается особо важное, фундаментальное значение. Автор идеи – Гайзенберг. Хотя соотношение между неопределенностями можно получить из стандартного математического аппарата квантовой механики (который, конечно, сам основан на целом ряде допущений), Гайзенберг был склонен думать, что это утверждение носит не менее фундаментальный характер, чем набор основных допущений квантовой механики. (Можно отметить, правда, что математически вывести принцип неопределенности из других положений квантовой механики проще всего в рамках формализма, предложенного Шрёдингером.)

Неопределенности в значениях тех или иных величин часто становятся мостом, соединяющим жесткий мир формул, строго описывающих квантовые явления, с более интуитивными представлениями. Неопределенности, например, позволяют качественно пояснить несколько неожиданную способность квантовых объектов проходить сквозь стены – способность, которой они широко пользуются. Явление это официально называется туннелированием сквозь стену или барьер, но в том-то и дело, что никакого «туннеля» проделывать не требуется.

Стена или барьер – это область пространства, в которую, скажем, электрон не может проникнуть, потому что его оттуда выталкивают электромагнитные силы. Если (что удобно) говорить в терминах энергии, то это область, для вхождения в которую у него не хватает энергии («недостаточно разогнался»). Можно представлять себе энергетический барьер, служащий ограничением с какой-то одной стороны, или энергетическую яму, если электрону нельзя податься ни в какую сторону. Согласно законам обычной, классической механики нельзя – значит нельзя: если энергии не хватает, то ничего не поделаешь. Но в квантовой механике из-за неопределенности в своем положении электрон или другой квантовый объект может оказаться по другую сторону от барьера. Просто может там оказаться, если неопределенность его положения дотуда распространяется{20}. Правда, от самого участника туннелирования никак не зависит, когда оно случится, потому что всем тут распоряжается случайность.

В квантовых явлениях – не только в том, что касается туннелирования сквозь стены, а во всех – властвует случайность. Это довольно особенная случайность: она действует безо всяких скрытых причин.

Обычно нас огорчает, когда план действий, вроде бы продуманный до мелочей, терпит крах из-за неучтенной причины. Мы привыкли к тому, что причины есть у всего происходящего, даже если они нам неизвестны, и стоит только тщательно учесть все действующие факторы и сопутствующие условия, как результат будет определен однозначно. Если же пирог, в очередной раз сделанный строго по рецепту, не оправдал ожиданий, то, наверное, причина была в дрожжах; так или иначе, какая-то причина была.

Но квантовый закон первостепенной важности (вывод из колоссального числа наблюдений) говорит, что исход событий невозможно однозначно предсказывать, даже когда известны все обстоятельства происходящего. Раз за разом повторяя одно и то же при полностью одинаковых условиях, мы будем случайным образом получать различные результаты.

Правда, случайность здесь до некоторой степени организована, и вот в каком смысле: разные исходы выпадают с некоторыми вероятностями, причем вероятности эти определяются самой системой. Установив эти вероятности или теоретически (средствами, которые, собственно, и призвана обеспечить квантовая механика), или исходя, скажем, из ста тысяч повторений одного и того же опыта, мы обнаружим, что они – вероятности – применимы и ко всем последующим повторениям. Квантовая случайность не означает полный произвол: она имеет меру и эту меру можно предсказывать теоретически.

Из-за наличия случайности и оказалась несколько расплывчатой моя формулировка в главе 2 o предсказании результатов «насколько это возможно». Во всякой системе, где нет однозначной определенности, результат единичного опыта предсказать нельзя. Бросив две игральные кости один раз, можно получить или не получить дубль; бросив две кости несколько раз, можно получить дубль 0, 1 или несколько раз. Чтобы эмпирически установить, насколько часто выпадает дубль, понадобится длинная серия бросков, а чтобы установить это достаточно точно – очень длинная серия. В бросании костей, правда, ничего квантового нет, а случайность просто отражает наше незнание тонких подробностей; в квантовом же мире случайность не нуждается ни в каких «подробностях», она просто имеет место. Но в любом случае, когда предсказать исход единичного опыта нельзя, задачей становится определение вероятностей различных исходов.

Но какова природа квантовой случайности? В обычной жизни мы привыкли, что за кадром всегда действует какой-то набор факторов, который в принципе определяет исход событий. Действительно, мы же не думаем, что отразившийся от ракетки теннисный мяч в полете вдруг немотивированно смещается на полсантиметра влево или на сантиметр вверх, да еще и выбирает тот или иной вариант в соответствии с какими-то предопределенными вероятностями. Вместо этого мы обоснованно полагаем, что мяч летит по траектории, строго определенной тем, какую скорость (включая, конечно, направление) сообщила ему ракетка и как на него действует воздух (с учетом всех подробностей вроде вращения, влажности мяча и т. п.). Другое дело, что у нас нет полного контроля за тем, что в точности случилось в момент удара и как движется окружающий воздух, и поэтому мяч не всегда будет приземляться там, где мы бы того желали. Точно так же, когда футбольный рефери бросает монету, падение орлом или решкой определяется несколькими трудно контролируемыми факторами – прежде всего тем, как монету подбросили и в какой момент ее поймали, – но ничего истинно случайного в монете нет. Вполне можно представить себе устройство, которое подбрасывает одну и ту же монету, подкручивая ее каждый раз одинаково. Если мы обеспечим неподвижный воздух вокруг установки (а еще лучше – вообще воздух откачаем), защитимся от магнитных полей и примем другие меры, то монета будет раз за разом падать одинаково – ну а отдельные нарушения мы будем списывать на неучтенные, скрытые влияния. Случайность во всех таких случаях отражает наше незнание действующих факторов и то ли нежелание, то ли невозможность их точно учесть.

Следующая отсюда инерция мышления сильна, и соблазнительно думать, что и квантовые случайности – это тоже проявление нашего незнания о каких-то процессах, происходящих «в самой глубине вещей», которые на самом деле все контролируют и однозначно определяют исход, просто нам они неизвестны. Эти неизвестные контролирующие факторы стали называть скрытыми параметрами. Их существование предполагал Эйнштейн, а почти все ключевые фигуры, участвовавшие в создании и развитии квантовой теории, с ним не соглашались. Эти разногласия, с учетом полученного позднее знания, отзываются и сегодня, и мы со временем доберемся до интригующих подробностей.

Как бы то ни было, совокупность имеющихся на текущий момент данных указывает, что квантовая случайность фундаментальна, то есть не нуждается ни в каких объяснениях, и тот или иной исход в каждом конкретном случае ничем не определяется. «Исходом» обычно является результат измерения какой-либо физической характеристики (скажем, попадание электрона в одну из интересующих нас пространственных областей). Фундаментальная случайность – это вовсе не ситуация, когда экспериментаторам неизвестны причины, определяющие тот или иной исход среди нескольких возможных. Все гораздо серьезнее, и экспериментаторов упрекать не следует: в самом состоянии исследуемой системы таких причин нет. Перед нами объективная – ни к чему не сводимая, ничем не мотивированная – случайность: объективная физическая величина, связанная с системой (скажем, попадание электрона в область А), никак не определяется состоянием системы и вообще состоянием мира. Случайность действует не через какие-то механизмы, а сама по себе. Прямой конфликт со здравым смыслом представляется здесь неизбежным. Кстати, вероятности, через которые эта случайность себя проявляет, тоже должны тогда быть объективными. Как им это удается?

Случайность – полноправная хозяйка в мире элементарных частиц. Одно из ее проявлений там – распады нестабильных элементарных частиц; это, впрочем, не распады в прямом смысле, а превращения, потому что получившиеся элементарные частицы не содержались в исходной, иначе она не была бы элементарной. Как правило, имеется несколько, а в ряде случаев много вариантов распада и выбор между ними случайный; знание же их вероятностей – это существенная информация для изучения природы. Например, «сверхтяжелый» родственник электрона, называемый тау (это, увы, все, что осталось от греческого слова τριτoν – тритон, т. е. третий), с вероятностью 0,254941 превращается в пи-минус-мезон, пи-ноль-мезон и тау-нейтрино; с вероятностью 0,178175 – в электрон, электронное антинейтрино и тау-нейтрино; с вероятностью 0,173937 – в мюон, мюонное антинейтрино и тау-нейтрино; с вероятностью 0,108164 – в пи-минус-мезон и тау-нейтрино; с вероятностью 0,089868 – в два пи-минус-мезона, пи-плюс-мезон и тау-нейтрино; и так далее еще тремя с лишним десятками других способов. Все такие вероятности – осмысленная (и важная) информация, потому что они соблюдаются и, будучи установленными один раз, с успехом используются при дальнейших исследованиях (уже отсюда, кстати, видно, почему эксперименты в мире элементарных частиц требуют большой статистики).

Надо ли понимать наличие фундаментальной случайности как отсутствие причинности в природе? Отказ от причинности в широком смысле называют индетерминизмом. Да, если никаких скрытых параметров нет, то разные исходы случаются в одной и той же ситуации без причины. Тем не менее физический мир, пусть и индетерминистский, не выглядит полностью произвольным. Чтобы получить представление о том, как индетерминизм сочетается с некоторыми правилами, посмотрим на случайность «в деле».

За игрой случая хорошо наблюдать при одновременном наличии большого числа одинаковых систем: это сильно экономит время, избавляя от необходимости многократного повторения единичного опыта. Два широко распространенных во Вселенной вида явлений, вовлекающих много участников сразу, основаны на квантовой случайности, связанной с туннелированием.

Мы уже говорили, что «персонажам» квантового мира доступно прохождение сквозь стены – кстати, не раз обыгранное в кинематографе, часто в (полу)комедийном ключе. Комедийное содержание можно было бы усилить, если перенести на кинематографических героев одно существенное свойство квантового прохождения сквозь стены: оно происходит случайно и его участники «сами не знают», случится это через секунду или, скажем, к следующему утру, и повлиять на это не в состоянии; некоторые варианты развития сюжета так и напрашиваются.

В точности то же верно для радиоактивных атомов. Они уже встречались нам мимоходом; ядро радиоактивного атома может самопроизвольно превращаться в ядро другого атома. Например, радий-226 превращается в радон-222 с периодом полураспада около 1600 лет, а радон-222 превращается в полоний-218 с периодом полураспада 3,8 суток, последний превращается в свинец-214 с периодом полураспада 3,1 мин; в каждом случае испускается альфа-частица. Период полураспада – это время, за которое такое превращение произойдет с половиной имеющихся атомов. (Правильно – ядер, но почему-то легче говорить об атомах.)

Наблюдая за куском руды, в котором содержится, скажем, миллиард (что очень немного) атомов радия-226, мы через 1600 лет останемся с половиной от этого миллиарда. Какой именно половиной? Вот этого сказать невозможно. Один радиоактивный атом не имеет никаких обязательств распасться через секунду, минуту, час, день, год или тысячу лет. Но если атомов много, можно надежно оценить убывание их количества с течением времени. Не беря на себя никаких индивидуальных обязательств и не договариваясь между собой, они тем не менее обеспечивают стабильный массовый эффект.

Не помешает на секунду задуматься о том, что было за 1600 лет до того момента, когда мы заинтересовались куском руды, обогащенным выбранным изотопом: предполагая для простоты, что дополнительные атомы радия за этот период не возникали из каких-либо источников (которые вообще-то в природе имеются), мы понимаем, что радиоактивных атомов тогда было в два раза больше. А 3200 лет назад – в четыре раза больше, чем сейчас. Это, конечно, означает, что атомы радия, оставшиеся в «нашем» куске руды, пребывают там довольно давно – но при этом ни один из них нисколько не постарел: они продолжают подчиняться одной и той же неизменной вероятности превращения в радон, такой же, какая действовала в момент их создания и будет действовать для всех оставшихся через десятки и сотни тысяч лет. На постоянстве этих вероятностей, кстати, основаны разнообразные изотопные методы определения возраста.

А где в радиоактивном распаде атомного ядра прохождение сквозь стену? Сидящая в ядре альфа-частица испытывает притяжение ко всем остальным слагающим ядро протонам и нейтронам за счет значительного по величине (но действующего только на очень малых расстояниях) взаимодействия, которое не слишком оригинально называется сильным ядерным взаимодействием, или просто сильным взаимодействием{21}. Ему противодействует электрическое отталкивание протонов друг от друга, но на очень малых расстояниях побеждает притяжение. Для простоты можно считать, что альфа-частица уже существует внутри ядра как относительно автономное образование (это довольно простительное упрощение). При попытках удалиться на периферию (скажем, под действием «пинков» от соседей по ядру) она испытывает силу притяжения, которая и возвращает ее в направлении к центру. Картина такая же, как если бы вы пытались выбраться из глубокой ямы, карабкаясь по стенкам. В данном случае тоже говорят об энергетической яме. Высота ее стенок – это энергия, которая нужна, чтобы «выпрыгнуть» наружу.

Края этой ямы окружены дополнительным барьером, чем-то вроде бруствера, который превосходит по высоте окружающий энергетический ландшафт. Альфа-частица может иметь энергию, превосходящую уровень окружающего ландшафта, но меньшую, чем высота бруствера. По законам классической механики она навсегда осталась бы в яме, ведь стенки препятствуют ее «протеканию» наружу. Но если неопределенность в ее положении превосходит ширину ямы вместе с бруствером, то она может появиться снаружи от ямы, не перебираясь для этого через верх. Распоряжаются этим безликие и равнодушные вероятности. Для каждого ядра вероятность туннелирования своя – она очень резко падает при увеличении высоты и толщины стенок; разброс значений для различных радиоактивных атомов отражает характер энергетических ям, создаваемых их ядрами (по счастью, в природе есть устойчивые ядра){22}.

Присутствие значительного количества радиоактивных атомов, скажем, в руде или в окаменелостях поднимает квантовый эффект на макроскопический уровень (в урановой шахте тепло). Другой очень макроскопический пример того, как работает квантовое туннелирование, находится у нас перед глазами каждый день, в ясную погоду во всяком случае. Это Солнце.

Солнце светит – «горит» – за счет реакции ядерного синтеза: четыре протона, претерпев некоторые приключения и превращения, соединяются в альфа-частицу, и этот процесс сопровождается выделением энергии. Для этого требуется прохождение сквозь стену, созданную взаимным отталкиванием. Она, кстати, больше похожа на стены моей комнаты. Я ощущаю их как твердые из-за того, что слагающие их электроны уже заняли место, куда собрались было попасть электроны в моей ладони, и просто отталкивают их. (Протоны, да и нейтроны, тоже, конечно, присутствуют, но основной эффект происходит за счет электронов). Внутри Солнца же отталкиваются друг от друга протоны (электроны там тоже есть, но они не соединены с протонами в атомы и за всей историей синтеза просто наблюдают со стороны). Чтобы синтез получил шансы на успех, два протона должны сблизиться на столь малое расстояние, чтобы сильное ядерное взаимодействие, действующее как притяжение, превзошло электрическое отталкивание. Но как раз электрическое отталкивание возводит между протонами стену, не позволяющую им сблизиться настолько, чтобы почувствовать сильное взаимодействие!

Высокая температура в недрах Солнца (около 15 млн ℃) означает достаточно высокую энергию движения протонов, которая позволяет им подпрыгивать вверх вдоль энергетической стенки. Но они все равно не допрыгивают туда, где стенка становится настолько тонкой, чтобы они протянули друг другу крепкую руку ядерного взаимодействия. Если бы протоны подчинялись законам классической механики, где не может быть никакого туннелирования, мы бы никогда не узнали о квантовой механике, потому что нас бы не было: звезды бы попросту не горели. По счастью, благодаря квантовому туннелированию протоны иногда приходят в тесное взаимодействие и Солнце горит{23}.

Интенсивность синтеза характеризуют в терминах времени, в течение которого один протон в среднем ожидает изменения своего статуса: из протона, существующего самого по себе, в составной элемент альфа-частицы. И если в случае радиоактивных распадов можно высказывать различные соображения о том, какой период полураспада «лучше», 4,5 млрд лет для урана-238 или 160 миллионных долей секунды для полония-214, то в случае Солнца нельзя не радоваться среднему времени ожидания для одного протона: оно близко к 10 млрд лет, что более чем в два раза превосходит возраст самого Солнца! Но среднее время ожидания – всего лишь среднее. Каждый отдельно взятый протон может случайным образом вступить в реакцию синтеза «прямо сейчас», а может не вступить никогда за все то время, что Солнце будет оставаться желтым карликом; действие квантовой случайности не предполагает ничего похожего на очередь (многих наверняка взбесила бы организация очереди звонков в колл-центрах, если бы вероятность услышать оператора никак не зависела от времени ожидания). В Солнце колоссальное число протонов, и тех, которым случилось вступить в реакцию «прямо сейчас», как раз достаточно для ровного и длительного горения нашей звезды. Таким-то образом, из-за «квантово неохотного» горения, Солнце и растягивает удовольствие своего существования на миллиарды лет – около четырех с половиной из которых мы уже не без успеха использовали.

В качестве небольшого отступления стоит, возможно, отметить, что «единая и неделимая» квантовая случайность, ни через что другое не объясняемая, – предмет зависти программистов. Для ряда задач, решаемых на компьютере, требуется производить случайные числа. С этой целью написаны специализированные программы, но выполнение любой компьютерной программы – детерминистский процесс, и появление каждого конкретного числа имеет какую-то причину. Поэтому программистам приходится изобретать, каким образом использовать трудно контролируемые факторы, чтобы получить числа, которые очень похожи на случайные, но даже называются, строго говоря, псевдослучайными; какие-то причины появления каждого такого числа есть, их просто очень трудно контролировать.

Квантовая же случайность беспричинна. Она просто «есть» и не имеет никаких объяснений, которые прятались бы в глубине вещей. Такое положение дел с самого начала было определенно не по душе Эйнштейну.

Квантовая механика возникла в 1925–1926 гг. (с завершающими штрихами, относящимися к 1927 г.), но самый первый квантовый закон был сформулирован Планком в декабре 1900 г.; никто, конечно, еще не знал, что это квантовый закон, а сам Планк использовал слово quantum лишь в технических целях, для обозначения дозированных порций (это, правда, было отличным началом).

Это был закон излучения; он, кстати, превосходно работает уже более 120 лет, не требуя никаких поправок и улучшений. Если опустить все подробности, то он сообщает, как цвет излучаемого света зависит от температуры. Часть этой истории – достаточно известный факт, что каждое теплое тело (например, человеческое) излучает инфракрасные волны. Это не какие-то особые волны, а то же самое физическое явление, что и свет – электромагнитные волны, только в определенном интервале длин волн. Инфракрасные волны еще длиннее, чем волны, отвечающие красному цвету, откуда и название{24}. (Слова «электромагнитные волны» существенно длиннее, чем слово «свет», и поэтому электромагнитные волны самой разной длины часто называют светом; я тоже буду так делать, не очень следя за терминологической строгостью.)

Теплые предметы излучают инфракрасный свет, а горячие уже светятся красным. Дальнейшее увеличение температуры приводит к появлению более голубого свечения – к сдвигу в сторону более коротких волн. В действительности излучение происходит на всех частотах (раскаленный «добела» гвоздь продолжает излучать и инфракрасный свет тоже), и речь идет о том, на какой длине волны излучение наиболее интенсивно. Для выражения этой интенсивности есть численная мера. Закон Планка описывает не только это, но и гораздо большее: как интенсивность излучения распределена по разным длинам волн при каждой заданной температуре{25}.

Путем «умной подгонки» Планк максимально удачно угадал превосходно согласующуюся с экспериментальными фактами формулу для интенсивности излучения. Это уже был немалый успех, и на этом можно было бы остановиться, но Планк принялся размышлять над тем, на основе каких идей к такой формуле можно было бы прийти, не занимаясь подгонкой. Из учебника в учебник переходит рассказ о том, как он предположил квантовую природу колебательных систем и вывел из нее свой закон, но в действительности это лишь «обратная проекция» более позднего понимания.

Как бы то ни было, постепенно возникло осознание, что в основе формулы Планка для излучения должно лежать свойство колебательных систем брать себе энергию только определенными порциями (пропорциональными частоте). Такие идеи были полностью чужды физической картине мира того времени, но убедительность, с которой выполнялся закон Планка, помноженная на невозможность объяснить его каким-либо другим способом, заставляла к ним прислушиваться.

Развитию новых взглядов очень поспособствовала «вторая квантовая формула». Она появилась в 1905 г. в статье Эйнштейна, посвященной совсем другой задаче. Там Эйнштейн предположил существование «световых квантов» – минимальных порций света, несущих определенную энергию, зависящую от длины волны этого света. Они понадобились для объяснения иначе никак не объясняемых экспериментальных фактов о том, что происходит, когда свет, падая на поверхность, выбивает из материала электроны{26}. Эта работа была удостоена Нобелевской премии за 1921 г. (присуждена в 1922-м).

В 1907 г. Эйнштейн использовал зарождающиеся квантовые идеи (в том числе формулу Планка) для объяснения того, как твердые тела откликаются на нагревание (см. главу 4). Эта модель была много лучше всего предыдущего, хотя и оказалась не очень точной. Наряду с основной идеей о квантовом характере распределения энергии по колебательным системам она включала некоторое количество упрощающих предположений. Модель действительно описывала резкое уменьшение теплоемкости при уменьшении температуры, но при очень низких температурах предсказывала слишком малую теплоемкость. Она стала шагом на пути к улучшенной модели, которую предложил Дебай в 1913 г., использовав несколько иные предположения, и которая прекрасно описывает теплоемкость твердых тел при очень низких температурах. Важность первой модели Эйнштейна была в указании направления мысли: первые догадки о новом устройстве вещей чрезвычайно ценны, потому что стимулируют следующие версии и часто определяют, в каких терминах следует думать о задаче{27}.

В 1916–1917 гг. Эйнштейн применил идею квантов света, формулу Планка и представления о дискретных уровнях энергии в атоме (эмпирический факт, в то время еще не объясненный) для построения простой и элегантной теории. Она говорила, каким образом и при каких условиях свет, проходящий через вещество, может заставить атомы вещества, получившие перед тем дополнительную энергию, излучать новые фотоны, которые по всем своим характеристикам, включая частоту и направление распространения, согласованы с фотонами падающего света. Эта теория лежит в основе работы мазеров и лазеров, впервые созданных соответственно в 1953 и 1960 гг. и впоследствии отмеченных Нобелевской премией{28}.

Вклад Эйнштейна в развитие квантовой теории на ее раннем этапе неоспорим. Но этим дело не ограничилось. В 1924-м, буквально накануне открытия квантовой механики, на глаза Эйнштейну попался ответ на давно занимавший его вопрос, касавшийся тех самых порций света, которые он же в свое время и ввел: как описывать их свойства, когда этих порций очень много? Это позволило ему сделать следующий важный шаг. Пожалуй, я процитирую Нобелевский комитет – сообщение для прессы в связи с премией по физике 2001 (!) г.: «В 1924 г. индийский физик Бозе выполнил важные теоретические расчеты, касающиеся частиц света. Он отправил свои результаты Эйнштейну, который распространил теорию на атомы определенного типа и предположил, что если газ, состоящий из таких атомов, охладить до очень низкой температуры, то все атомы внезапно соберутся в состояние с наименьшей возможной энергией»{29}.

Эйнштейн предсказал явление «конденсации», но не обычной, а квантовой, причем невиданно радикальной, когда частицы (атомы) «определенного типа» ведут себя способом, в точности противоположным обычному: не «делают что хотят», каждый без оглядки на остальных, а, наоборот, массово делают одно и то же – причем в очень строгом смысле одно и то же. Макроскопически большое количество частиц, принципиально неотличимых друг от друга, приобретают в точности одинаковые характеристики, причем все возможные характеристики. Потребовалось 70 лет развития технологий, чтобы воспроизвести это явление в лаборатории (за это и была вручена только что упомянутая Нобелевская премия). Сейчас бозе-эйнштейновский конденсат считается отдельным (так называемым пятым) состоянием вещества с выраженными квантовыми свойствами. Знаменательно, что Эйнштейн сделал это предсказание не после и не вследствие изобретения квантовой механики; наоборот, его идеи предшествовали ее появлению (и даже, вместе с идеями де Бройля, повлияли на Шрёдингера, вскоре после того создавшего свое фундаментальное уравнение).

Но когда полноценная квантовая механика наконец появилась (1925–1926), Эйнштейн предъявил к ней значительные претензии. Сначала он просто подозревал предложенную схему во внутренней непоследовательности и изобретал такие ситуации, когда применение внутренней логики самой квантовой механики должно было по его замыслу привести к противоречию. Такой способ действий стали называть мысленным экспериментом. Мысленные эксперименты – логический анализ того, как теория, претендующая на описание мира, может справиться с различными ситуациями, которые в принципе возможны, – сыграли большую роль в развитии квантовой теории.

Задачу оппонирования Эйнштейну взял на себя Бор – который в немалой степени был вдохновителем Гайзенберга при изобретении квантовой теории, а попутно развивал систему взглядов для «объяснения» квантовой механики и вообще физического взгляда на мир. Хорошие личные отношения Эйнштейна и Бора не исключали долгих, глубоких, снова и снова возобновляемых споров. Изобретательность Эйнштейна несколько раз ставила Бора перед вроде бы неустраняемыми противоречиями – но только временно; внимательное рассмотрение показывало, что противоречия каждый раз возникали из-за протаскивания в квантовую область предположений, которые верны в классическом мире и к которым мы привыкли настолько, что можем даже не замечать, в какой момент рассуждений они используются. Бор обнаруживал неявное использование таких предположений, и Эйнштейн подтверждал, что противоречие исчезло. Такие «проверки на прочность» с помощью мысленных экспериментов укрепляли убежденность, что квантовая механика сама по себе лишена логических изъянов, и Эйнштейн с этим согласился.

Но он определенно не хотел соглашаться с той интерпретацией – «объяснением смысла» всей схемы, – которую продвигал Бор. В фокусе обсуждения была несовместимость некоторых свойств друг с другом («вражда», если использовать язык этой книги). Уже было известно, что в зависимости от постановки эксперимента из него можно было извлечь или одни, или другие свойства квантовой системы. Но что представляет собой данная квантовая система в реальности, без ссылок на какие бы то ни было эксперименты? Вещи ведь существуют независимо от того, какими из их свойств мы решим поинтересоваться? Разве нет?

Несогласие между Эйнштейном и Бором (по часто высказываемому мнению – между Эйнштейном и «всеми остальными», что не буквально точно, но в целом скорее верно, чем нет) оказалось несогласием по поводу структуры реальности. Эйнштейн был уверен, что мир и его свойства существуют независимо от нас, наблюдателей, и независимо от того, какие средства мы выбрали, чтобы узнать об этих свойствах; он считал, что наблюдение над объектом выявляет те свойства, которыми этот объект обладал до наблюдения. Физика, по мысли Эйнштейна, имеет своей задачей определение объективных свойств вещей и явлений.

Бор же был склонен отвергать идею объективно существующей реальности. Раз мы имеем дело только с результатами опыта, не следует сверх того предполагать «реальность» и наделять ее какими-то качествами.

Взгляды Бора во многом опирались на важное обстоятельство, с которым мы мельком уже сталкивались. «Наблюдение» – без сомнения, плохой термин. Он в значительной мере ассоциируется с пассивностью: зритель, наблюдающий футбольный матч, не влияет на то, как этот матч развивается, – совсем никак, если сидит перед телевизором, и в небольшой и отчасти спорной степени, если находится на стадионе (где воздействие теоретически ограничено криками).

Но в квантовом мире наблюдение за системой – это всегда вмешательство в систему (с «квантовым футболом» в этом смысле возникли бы большие проблемы). В качестве иллюстрации представьте себе, что вы желаете на ощупь убедиться в наличии каких-то неровностей на очень деликатной поверхности; сама эта процедура может изменить подробности – те самые, которые и были предметом интереса. А в отношении квантовых явлений посмотреть тоже означает «пощупать» – в том числе и светом. Любое наблюдение или измерение сопровождается там вмешательством. Слово «измерение» тоже не самое удачное – по выражению Белла, худшее в списке плохих слов из хороших книг. По историческим причинам тем не менее все его в основном и используют, и я тоже буду так делать, не каждый раз прибавляя, что измерение требует взаимодействия с системой, а потому представляет собой вмешательство в нее.

Одна и та же квантовая система по-разному откликается на измерения, выполняемые с помощью различных приборов. Это делает приборы особенно важными: с точки зрения Бора они необходимы ни много ни мало для придания смысла всей квантовой механике. Измерение выбранной физической величины (например, положения в пространстве или энергии) заставляет квантовую систему определиться с тем, каким окажется значение этой величины. Повторение того же измерения со строго идентичной системой вполне может дать другое значение – так работает индетерминизм, который мы обсуждали в предыдущей главе и который еще не раз нам встретится. Чтобы избежать при этом логического круга, пришлось наделить измерительные приборы особым статусом: по Бору, они не подчиняются квантовой механике. Такое свойство приписывается им декларативно, несмотря на то что каждый прибор состоит из электронов и всего остального (атомных ядер, образованных из протонов и нейтронов), что, разумеется, ведет себя квантовым образом.

А поскольку, согласно Бору, говорить о квантовых объектах «самих по себе» (безотносительно к измерению) достаточно бессмысленно, дело оборачивается таким образом, что для придания смысла квантовому миру необходим отдельный и отделенный от него классический мир. Квантовая реальность, определенно отличающаяся от классической, оказывалась доступной только через результаты измерения, сильно дальше которых предлагалось и не заглядывать.

Эйнштейн, однако, подозревал наличие более глубокой – и при этом «более обычной» – реальности. В частности, он был склонен думать, что невозможность одновременно обладать «враждебными» свойствами не идет от природы вещей, а является лишь чертой квантовой теории в том виде, в котором она была придумана на его глазах; и что эта теория просто недопридумана до конца: она неполная и не ухватывает какие-то более глубокие и более «детальные» свойства мира, где никаких неопределенностей уже нет. Как уже было сказано, эти свойства, существующие где-то в глубине реальности, получили название скрытых параметров.

Заодно, надеялся Эйнштейн, в «более глубокой реальности» нет и индетерминизма, а случайность появляется в квантовой механике только из-за того, что мы не все знаем. Не знаем каких-то неведомых подробностей про электрон и про радиоактивное атомное ядро, вообще про все. Возможно, эти подробности очень громоздкие и нам в конце концов будет удобнее остаться с вероятностным описанием – но как бы то ни было, случайность эта не «истинная и неделимая», ни к чему не сводимая, а просто является результатом действия трудно учитываемых факторов (как при подбрасывании монеты на футбольном поле, только много убедительнее).

Так полагал Эйнштейн, но прислушивались к нему не многие. Предлагаемые задним числом ответы «почему» всегда грешат предвзятостью. Факторов было несколько: и несомненный вычислительный успех квантовой механики уже в версии Гайзенберга, на волне которого предлагалось «раз и навсегда» отказаться от старых, до-квантовых представлений о реальности; и харизма Бора, который обладал незаурядной способностью воздействовать (в том числе давить) на собеседников, произнося при этом с трудом понимаемые, неясно сформулированные и неоднозначно интерпретируемые сентенции (запутанность своей словесной аргументации он возвел едва ли не в принцип); и, возможно, обретшая после Первой мировой войны особое влияние философия позитивизма{30}.

По итогам дебатов о природе квантового, растянувшихся на несколько лет (с кульминацией в 1927–1930 гг.), победу с заметным преимуществом, по общему мнению, одержал лагерь, возглавляемый Бором. Правда, остались неурегулированными пара ключевых вопросов, которые Бор в известной степени «заболтал», но сообщество по этому поводу не переживало (в частности, не получило определения само понятие измерения – несмотря на его ключевую роль в предлагаемой схеме). На стороне Бора было то неоспоримое обстоятельство, что квантовая механика работала.

Однако в 1935 г. Эйнштейн в соавторстве с двумя молодыми коллегами придумал новую, до тех пор невиданную конструкцию, чтобы с ее помощью отстоять точку зрения, что квантовая механика, пусть сама по себе и ничем не неправильная, все же представляет собой неполную теорию: за ее рамками остаются некоторые подробности устройства мира. Работа Эйнштейна, Подольского и Розена произвела немалое впечатление на Шрёдингера (который, надо сказать, никогда не сближался в своих воззрениях с Гайзенбергом и Бором, хотя и отдавал должное веской аргументации первого и полемическому таланту второго). Шрёдингер же придумал и название для явления, которое изобрели три автора, и заодно высказался в том духе, что оно представляет собой главное отличительное свойство квантовой механики, радикально отделяющее ее от классической. Он назвал его Verschränkung по-немецки и entanglement по-английски. Русский термин «запутанность», возможно, стоило бы заменить на «зацепленность», но дело уже прошлое.

Правда, кроме Шрёдингера запутанностью впечатлились не слишком многие. Статья Эйнштейна, Подольского и Розена была написана сложно. По итогам совместной работы текст писал второй автор, и он расставил акценты не совсем так, как хотел бы первый автор (который не проконтролировал результат), из-за чего основной тезис оказался не столь прост для усвоения. Кроме того, тот же Подольский, видимо в предвкушении скорого выхода статьи, организовал «утечку» в массовое (а не научное) издание, The New York Times. Газетная публикация о том, что Эйнштейн критикует квантовую теорию, вызвала среди непрофессионалов шумиху, которая вполне могла отвратить профессионалов (а с Подольским Эйнштейн больше не разговаривал).

Не слишком ясно выраженные идеи, ажиотаж в газетах, поверхностное впечатление, что это «еще одна» попытка Эйнштейна поймать квантовую механику на противоречии, чего, как все уже видели, сделать не удается, – все это не способствовало привлечению серьезного внимания к статье трех авторов. Бор опубликовал в ответ на нее комментарии, граничащие со словесной эквилибристикой (их неудовлетворительность он и сам впоследствии признавал), и о статье в общем и целом забыли. Но в науке написанное остается. После небольшого отступления мы, вооружившись необходимыми средствами, увидим, что не прошло и полувека, как запутанность, изобретенная в полемике о неполноте квантовой механики, получила развитие, которого ни одна из вовлеченных в дискуссию сторон не могла и предвидеть.

Открытая Эйнштейном, замеченная и названная Шрёдингером запутанность довольно долго вела малособытийное существование вдали от центральных тем квантовой теории. В начале 1950-х гг. – когда в ведении квантовой науки оказалась ядерная энергия, из-за чего много изменилось и в мире, и в этой науке, и в их взаимоотношениях, – Бом придал запутанности более выразительный вид, использовав для этого уникальное квантовое свойство – спин. Ее, впрочем, некоторое время продолжали не замечать и в этом новом наряде, но уж теперь, когда запутанность набрала настоящую популярность, запутанными неизменно оказываются спины.

Чтобы двигаться вперед, нам нужен спин! Это свойство как никакое другое показывает, что наш мир – квантовый в своей основе. Спин не имеет прямого классического аналога, но существенно влияет на судьбу всех элементарных объектов; он фигурирует не только в самом популярном варианте запутанности, но и во многих иных принципиально важных явлениях. Он, в частности, отвечает за точный вид таблицы Менделеева. Откладывать знакомство со спином далее невозможно.

Что такое спин для нашего доброго друга – электрона? Если угодно, это его «второе неотъемлемое свойство». С первым неотъемлемым мы уже многократно встречались, и я его даже не каждый раз упоминаю: это электрический заряд. Заряд позволяет электрону взаимодействовать с электрическим полем (например, получать от него энергию движения – что, собственно, происходило в телевизорах XX в. и что продолжает использоваться в ускорителях). А свое второе неотъемлемое свойство электрон проявляет во взаимодействии с магнитным полем, потому что это свойство делает электрон похожим на магнит неопределенно малого размера. Магнитных свойств в отсутствие электрического заряда у электрона не было бы, но одного заряда недостаточно. Нужно, кроме того, что-то вроде вращения – настолько, насколько это возможно в квантовом мире.

А там, как мы видели в главе 4, вращение теряет наглядность. Из-за вражды невозможно указать ось вращения, и из трех величин, которые нужны для привычного описания этого явления, определены только две, причем и они могут принимать только дискретные значения. Мы называли их атрибутами вращения, потому что это те «остатки» от наглядной картины вращения, которые только и возможны в квантовой механике. Каждый электрон в атоме обладает какими-то атрибутами вращения, но в этой главе нас в первую очередь интересуют электроны сами по себе, вне всякой связи с атомами. Любой электрон, оказывается, обладает своими собственными атрибутами вращения, хотя внутри него ничего подходящего для вращения нет, потому что никакого «внутри» тоже нет{31}.

Отказаться от своих атрибутов вращения электрон не может. Они всегда с ним, причем в значительной степени фиксированы количественно: строго определенная «степень раскрутки» приделана к электрону раз и навсегда. Как и все остальное, связанное с электроном, это его качество «никак не выглядит» (не имеет визуального образа), однако проявляет себя в виде магнитных свойств, поскольку у электрона есть еще и электрический заряд. Правда, из-за отягощенности враждой магнит из электрона получается не совсем обычный.

В отношении обычных магнитов у нас есть определенные ожидания. Каждый магнит ориентирован вдоль какой-то линии в пространстве, просто потому что у него есть два полюса, через которые можно мысленно провести прямую. Если договориться проводить ее от южного магнитного полюса к северному, то каждый магнит определит какое-то направление в пространстве. Даже если магнит очень маленький и два полюса находятся совсем близко друг к другу, такое направление все равно задано. Удобно изображать магнит стрелкой: направлена она так, как только что было сказано, а ее длина условно выражает «силу» магнита. Это, конечно, воображаемая стрелка, но не требуется особенно развитой фантазии, чтобы ее себе представить – ведь два полюса у магнита всегда есть.

Магнит, которым является электрон, тоже определяет направление, хотя там нет ничего похожего на отделенные друг от друга южный и северный магнитные полюса. И «сила» этого магнита всегда фиксирована – она одна и та же для всех электронов во всех условиях, аналогично ситуации с зарядом электрона. Попробовав изображать магнитные свойства электронов стрелками, мы сразу поймем, что стрелки различаются только своими направлениями, а не длиной, раз все магниты одинаковы по силе. Но дальше оказывается, что в случае электрона стрелка приобретает «волшебные» черты. Если сформулировать одной фразой, то «как ни поворачивайся, нельзя посмотреть на нее сбоку». Это, конечно, метафора (уж во всяком случае в отношении слова «посмотреть»), но за ней стоит фундаментально квантовое поведение – буквально квинтэссенция несговорчивости из-за квантовой вражды.

Представьте себе, что вы получаете электрон, по своему усмотрению выбираете направление в пространстве и интересуетесь, под каким углом к этому направлению повернута та самая «магнитная» стрелка этого электрона. Для этого имеется прибор, названный по именам двух ученых, впервые применивших его в 1922 г. (первоначально к ионам серебра), – прибор Штерна – Герлаха. Никакой разговор о спине не может обойтись без прибора Штерна – Герлаха; это не только реально существующее устройство, но и основной фигурант множества рассуждений и мысленных экспериментов, проясняющих структуру квантовых законов.

Задача прибора – сортировать влетающие в него миниатюрные магниты в зависимости от их ориентации. Для этого там создается магнитное поле особой конфигурации, которое отклоняет летящие магниты в зависимости от того, как их «магнитные стрелки» повернуты по отношению к этому магнитному полю. Отклонения фиксируются по следам, которые остаются на специальном экране, стоящем за прибором. Если магнитное поле, созданное в приборе, направлено вдоль вертикали, то будут наблюдаться отклонения вверх или вниз – на любую величину в интервале от максимального вверх до максимального вниз. В частности, вообще никакого отклонения не должно наблюдаться в том случае, когда «магнитная стрелка» ориентирована горизонтально, под углом 90° к направлению магнитного поля в приборе.

Но это если у вас обычные магниты. Электроны же ни в какие промежуточные положения не попадают, они вылетают только с двумя крайними вариантами отклонения. Это значит, что стрелка, выражающая магнитные свойства электронов, смотрит или точно «вперед», или точно «назад» вдоль выбранного направления. Ничего посередине, никаких промежуточных положений не случается.

Неожиданно! Ведь выбор, скажем, вертикального направления в приборе Штерна – Герлаха – произвольное решение. Выберем другое, просто наклонив прибор. Результат получается тот же, что и раньше, но в отношении нового направления: только два крайних отклонения вдоль этого направления, а это значит, что «волшебные стрелки» всех электронов смотрят или строго вдоль него или строго противоположно.

Никто, кстати, не говорит «стрелка» или тем более «волшебная стрелка»: все говорят «спин». Итак: спин электрона всегда направлен или вдоль выбранного направления, или в точности противоположно ему (угол 0° или 180°, и никакой другой). Любого направления.

Кажется, что здесь скрывается противоречие и вроде бы несложно изобрести простую стратегию, чтобы его выявить. Используем, как и ранее, прибор Штерна – Герлаха, измеряющий спин вдоль вертикального направления, и будем посылать в него электроны один за одним. Те, которые отклонились вверх, имеют, значит, спин, направленный вверх. С ними, кажется, все понятно: если не давать им удариться об экран, а отправить во второй, точно такой же, прибор Штерна – Герлаха, то все они продемонстрируют спин вверх. Но теперь положим этот второй прибор на бок – так, чтобы он отклонял пролетающие через него магниты вдоль горизонтального направления, скажем, слева направо. В спине каждого из отобранных электронов нет никакого предпочтения между левым и правым, поскольку угол между вертикальным и горизонтальным направлениями – прямой. А значит, второй прибор не отклонит электроны ни влево, ни вправо?

Ничего подобного. Каждый электрон отклонится одним из двух крайних способов – максимально влево или максимально вправо – сообщая тем самым о своем спиновом состоянии «спин влево» или «спин вправо». Но чем же может определяться выбор?

Ничем. Природа прибегает здесь к спасительной – той самой немотивированной – случайности. Результаты «спин влево» и «спин вправо» чередуются в случайном порядке от одного электрона к другому, а про каждый конкретный электрон нет способа предсказать, какой из двух вариантов получится.

А теперь вспомним про исходное вертикальное направление спина: с ним-то как? Направим электроны из второго прибора Штерна – Герлаха в третий, который снова измеряет спин вдоль вертикального направления. Оказывается, что от исходно отобранных спинов вверх не осталось даже воспоминаний: электроны показывают случайно чередующиеся «спин вверх» и «спин вниз», причем в равных пропорциях. Хотя с самого начала мы отобрали электроны со спином вверх, измерение спина вдоль другого направления стирает воспоминания о том, каков был спин до того.

Подведем промежуточный итог. Измерение спина электрона всегда дает один из двух результатов: «спин вперед» или «спин назад» вдоль направления, выбранного для измерения. Оно, это направление, может быть любым, но только каким-то одним; значения спина вдоль разных направлений не прикрепляются к электрону одновременно. Это – прямое следствие вражды, связанной с идеей вращения.

Вражда «вращательных» свойств устроена математически схожим образом и для состояний электрона в атоме, и для спина электрона. Электрон в атоме, как мы видели на в главе 4, обладает двумя атрибутами вращения: это степень раскрутки и еще одно число, причем оба они принимают дискретные значения. Аналогично, атрибуты вращения, которые внутренне присущи электрону из-за наличия у него спина, – это два числа, которые тоже принимают дискретные значения, и одно из них тоже выражает степень раскрутки, но только она одинаковая для всех электронов. Это перефразирование того факта, что все магниты, связанные с электронами, равны по силе. При этом «раскруточное» число, относящееся к спину электрона, слегка нарушает правила, которые выполнены для электронов в атомах: там эти числа могут быть равны 0, 1, 2, 3 и так далее, тогда как собственное раскруточное число электрона – не целое, а полуцелое, причем наименьшее положительное полуцелое: 1/2. Это и выражают словами «спин электрона равен 1/2». Отвечающая электрону степень раскрутки – самая малая, которая только может существовать, не считая нулевой. В природе нет ничего с меньшей (но ненулевой) степенью раскрутки.

Из математики вражды следует, что второй атрибут вращения принимает не любые дискретные значения, а только некоторые, причем разрешенных значений тем больше, чем выше степень раскрутки{32}. При минимальной степени раскрутки 1/2 возможны только два значения: –ħ/2 и ħ/2. Они-то и проявляют себя как «спин вперед» и «спин назад» – те самые две возможности, с которыми мы сталкиваемся снова и снова, как бы мы ни поворачивали прибор Штерна – Герлаха. Сверх того у электрона никакого богатства нет, и показать ему нечего; вражда, связанная с вращением, в сочетании с малой степенью раскрутки оставляет скудный выбор. Электрон и откликается как умеет, одним из двух доступных ему способов, на вопрос о своем спине вдоль любого направления{33}.

Спин все-таки не настоящая стрелка: сам по себе он существует в малонаглядном состоянии, а как только мы беремся за прибор Штерна – Герлаха, чтобы на него «посмотреть», он упрямо укладывается «строго вдоль» или «строго против» установленного нами направления. Обычные стрелки, даже воображаемые, так себя не ведут. Но это удивительное поведение глубоко укоренено в математике и связано с тонкими свойствами поворотов в пространстве. (Да, «атрибуты вращения» хоть и квантовые и не описывают вращение в привычном смысле, все же состоят с ним в родстве.)

Математическое отступление почти на целую страницу о связи спина и поворотов, которое я хочу сделать, начинается с придуманного Дираком фокуса с ремнем. Возьмите ремень средней ширины и книгу, желательно толстую (содержание большого значения не имеет, важнее формат и масса). Раскройте ее примерно посередине, вложите между страницами конец ремня без пряжки, закройте и положите на край стола. Тяжестью своих страниц книга должна удерживать конец ремня. Держась за пряжку, растяните ремень как ленту (натягивать сильно ни к чему, да и невозможно, потому что ремень выскочит из книги). Теперь поверните пряжку на два полных оборота (на 720°); ремень при этом скрутится. А далее ваша задача – избавиться от этой скрученности, ничего больше не вращая. Зажмите пряжку в одной руке и не отпускайте! Другой рукой вам понадобится взять книгу, не давая ремню из нее выскочить. Вы увидите, что, не вращая книгу – сохраняя ее ориентацию в пространстве, – вы можете обнести ремень вокруг нее так, чтобы он полностью раскрутился. Скручивание на два полных оборота удается «открутить», не прибегая к вращению (ни пряжки, ни книги), а только обнося ремень вокруг книги.

Но если первоначально вы скрутили ремень не на два, а на один полный оборот, «открутить» его обратно таким способом не получится.

В одном полном повороте есть что-то, чего уже нет в двух полных поворотах – что вообще-то может показаться несколько странным, потому что, закрыв глаза, повернувшись на 360° вокруг любой оси и снова открыв глаза, вы увидите мир прежним: он возвращается в исходное состояние уже после одного полного поворота. И тем не менее имеется класс математических объектов, несколько более абстрактных, чем ремень и книга, которые остаются неизменными при повторении полного поворота дважды, т. е. при повороте на 720°, но изменяются при повороте на 360°. Эти объекты живут в специальных математических пространствах, но, обитая там, умеют откликаться на повороты в обычном пространстве. Назвали их спинорами – из-за их связи со спином. Математические команды они получают от «волшебной стрелки»: когда она поворачивается в нашем обычном пространстве, спиноры «там у себя» изменяются по определенным правилам. И они не остаются прежними после одного полного поворота «стрелки» в нашем пространстве; чтобы прийти в себя, они ждут второго такого же поворота. Нам тоже придется немного подождать следующего появления спиноров на этих страницах, но ожидание окупится: в конце концов они приведут нас в антимир, открытый только что упомянутым Дираком (вклад которого в картину мироздания выходит далеко за пределы фокуса с ремнем){34}.

Возвращаясь к упрямству «волшебных стрелок» самих по себе: оно ставит перед нами несколько вопросов о природе квантовой реальности. Следует ли полагать, что измеренное значение спина вдоль выбранного направления возникает в момент его измерения? И «происходит» ли что-нибудь между измерениями, когда спином электрона никто не интересуется? Мы не можем (по фундаментальным, как мы говорили, причинам) видеть квантовые объекты так, как видим обычные вещи или даже разглядываем мелкие, но вполне определенные подробности в микроскоп. Квантовые объекты «этим и пользуются», ведя лишенное наглядности существование, а информация от них доходит до нас при посредстве тех или иных устройств или агентов, которые вмешиваются в происходящее на квантовом уровне. По мере погружения в подробности квантового устройства вещей мы все острее осознаем проблему: в какой степени можно говорить о том, что представляют собой квантовые объекты «сами по себе»?

Чтобы рассуждать об этом, как минимум необходим какой-нибудь способ описания возможных состояний обитателей квантового мира: как вообще может быть устроена их «жизнь в себе» и какие средства позволят нам описывать ее настолько полно, насколько возможно? Из-за вражды, запрещающей определенные комбинации свойств, здесь далеко не все заранее ясно.

Время от времени – и не так уж редко – нам случается переживать несколько различных эмоций сразу. Испытывая комбинации эмоций типа «грустно и легко одновременно», мы находимся во власти обеих, но и каждая не теряет своей индивидуальности. В привычном физическом мире, в отличие от психического, индивидуальности вещей не смешиваются. Камни, стулья и тигры существуют сами по себе, каждый является чем-то одним. Электрон, однако, способен одновременно «переживать» состояние со спином вверх и состояние со спином вниз, а равным образом – свое нахождение в множестве точек пространства, притом что находиться в любой конкретной ему со всей возможной строгостью запрещено. Сосуществование различных возможностей описывается в рамках специальной математической схемы – ключевого элемента всей квантовой механики.

Успех всеобщей шрёдингеризации неотделим от способа описания квантовых систем, при котором различные «возможности» комбинируются в нечто единое, существуют вместе, но не растворяются друг в друге. Это определяющий момент в построении квантовой механики, ее внутренний механизм, работающий по своим особым законам. Из предыдущих глав должно быть ясно, что практически ничего «обычного» электрон и его собратья делать не могут: не могут, для начала, двигаться по определенным траекториям. На их долю остаются «переживания» (разумеется, в кавычках) в специальных математических пространствах. Там свои правила, и туда, довольно удивительным образом, переносятся основные события: там все и происходит.

Вообще для описания любой системы требуются средства, позволяющие перечислить все, что с ней в принципе может случиться – перечислить все ее возможные состояния. Не побоюсь тавтологии: «состояние» как теоретическая конструкция – например, для использования в уравнении – должно максимально полно описывать состояние интересующей нас системы. В нашем привычном мире эту роль выполняют положение в пространстве и скорость (с учетом направления, конечно) для каждой «самостоятельной» части системы, которая нас интересует. Камни могут лежать рядом друг с другом, а могут быстро разлетаться в разные стороны.

В квантовом же мире в абстрактную конструкцию состояния, какой бы она ни была, можно включить только по одному элементу из каждой враждующей пары «положение – скорость»: если положение в пространстве, то не скорость. Но куда же годится такое неполное описание с использованием только половины величин? В случае «камней» этой половины определенно было бы недостаточно. Кажется, что мы теряем возможность описывать, что происходит с квантовыми системами.

Здесь интрига усложняется. С одной стороны, я проявил пресловутую недисциплинированность мышления, перенеся на квантовый случай понятие «происходит», которое нагружено смыслами из окружающего мира, почти наверняка неприменимыми в мире квантовом; там не следует предполагать ничего из «очевидного», а рассуждать надо более формально. А с другой стороны – как раз в рамках более формальных рассуждений – оказывается, что хоть мы и ограничены «бедным» описанием на основе только половины величин, мы получаем за это неожиданную компенсацию: состояния наделяются особым свойством – возможностью комбинироваться колоссальным числом способов. Ради такой возможности им и приходится жить в математических пространствах.

Если квантовая система в принципе может находиться в состоянии А, а также может находиться в состоянии Б, то она может находиться и в произвольной комбинации этих состояний. Характерный пример «из жизни» мы уже встречали в главе 4: мы говорили там, что у электрона в атоме нет свойства занимать какое-либо положение в пространстве. К этому сейчас можно добавить, что причина – именно в комбинации (по официальной терминологии, суперпозиции) состояний. Электрон в атоме находится в комбинации состояний, каждое из которых отвечает определенному положению, но именно наличие комбинации не позволяет электрону занимать какое бы то ни было положение в пространстве. Если вам не вполне ясно, как представить себе такой способ существования электрона, то это нормально. Не оглядывайтесь по сторонам в надежде увидеть квантовое состояние! Их здесь нет, они населяют свое собственное пространство.

Комбинирование состояний не назвать наглядным именно потому, что прямого классического аналога у этого явления нет: оно определенно находится по ту сторону границы между классическим и квантовым. Чтобы не погружаться в психологию, которую я имел неосторожность затронуть в самом начале главы (и которая к квантовой теории прямого отношения не имеет), я предлагаю метафору квантовых состояний, в которой отсылаю всего лишь к волшебству. Ни одна метафора не совершенна, и никакую не следует заводить слишком далеко, чтобы не дойти до абсурда; эта моя метафора тоже не идеальна, но я надеюсь продержаться с ней некоторое время.

Представьте себе, что вы в казино и у вас на руках волшебная, «квантовая» карта – одна карта, содержащая в себе комбинацию нескольких: скажем, тройки треф, семерки треф и туза пик. Речь идет не о «комбинации» из нескольких карт, как «стрит» или «каре» в покере, а о (волшебной, как было сказано) комбинации из нескольких значений внутри одной карты.

Для учета таких комбинаций в этом казино – буквально повторяя то, как это делается в квантовой механике, – предлагается использовать арифметические действия. Например, содержанием вашей карты может быть «тройка треф плюс семерка треф» (туз пик в этот раз оказался исключенным). Этот плюс не означает, что у вас на руках десятка треф – нет, значения не складываются, значение каждой карты «защищено» тем, что это не число само по себе, а значение карты. Другой вариант комбинации – «семерка треф минус две тройки пик». Здесь тоже не надо производить арифметические действия: значения карт не участвуют в математических операциях. К числу «минус два», сопровождающему значение карты, надо относиться терпеливо, смысл таких чисел прояснится позже. (Кстати, эти числа могут быть абсолютно любыми, а целые я обычно использую только для простоты.)

Может наступить момент, когда казино попросит вас предъявить карту. Первое, что вам надлежит знать, – отказаться тут нельзя (к этому центральному обстоятельству в настоящей, не-метафорической квантовой механике мы еще будем возвращаться; в казино же это не проблема, там найдутся люди, которым трудно отказать). А кроме того, в тот момент, когда казино обязывает вас выложить карту, эта ваша карта перестает быть волшебной: она превращается в одну из обычных карт – но только в одну из тех, которые участвовали в комбинации. Если комбинация, которая составляла содержание вашей волшебной карты, – это «двойка червей минус две тройки пик плюс одна треть дамы треф», то предъявленная вами карта может оказаться или двойкой червей, или тройкой пик, или дамой треф (уже без всяких сопровождающих чисел). Но не какой-либо другой картой. Правда, решить, какой именно из перечисленных, вы не можете: волшебная карта, расколдовываясь в обычную при предъявлении, решает это за вас.

Мы начинаем подозревать, что комбинации внутри волшебных карт – это что-то вроде списка возможностей. И, честно говоря, называются они не комбинациями, а суперпозицией, а «волшебная карта» в квантовой механике называется волновой функцией. Волновая функция, описывающая состояние, скажем, электрона, может, например, быть комбинацией возможностей, каждая из которых – нахождение электрона в какой-то точке пространства; но пока там присутствует более одной возможности, электрон не находится ни в одной из этих точек. Различные волновые функции содержат много или мало возможностей и различаются теми числами, которые сопровождают каждую возможность{35}.

Полезным будет одно терминологическое упрощение: поскольку волновая функция – это все, что мы можем сказать о состоянии электрона, про нее можно думать и говорить, что она и есть состояние электрона. Собственно говоря, термины «волновая функция» и «состояние» указывают на одно и то же, но я употребляю то одно, то другое название, исходя из каких-то личных предубеждений: волновая функция просится на язык в более общем контексте («волновая функция электрона»), а состояние, как правило, относится к чему-то более конкретному («состояние с наименьшей энергией»); впрочем, четкой границы здесь нет.

Волновые функции/состояния населяют математическое пространство, которым я пугал читателя уже в главе 3. Математическое оно именно потому, что загруженным туда возможностям разрешается комбинироваться друг с другом путем сложения – с помощью знака плюс, используемого в том же слегка ускользающем смысле, что и в волшебных картах (кроме того, как мы видели, различные возможности могут умножаться на числа, например, минус два и одна треть). С нашим обычным пространством оно напрямую никак не связано.

Согласно принципам квантовой механики, нет никакого другого способа говорить о том, что «происходит с электроном», кроме как обсуждать его волновую функцию (она же – состояние). Все вопросы о том, «что делает» электрон, надо задавать волновой функции, и мы регулярно будем так поступать.

И если вы успели перевести дух после преодоления классическо-квантового водораздела, то вот следующий важный вопрос. Позади остались классические состояния, выражающие положения и скорости. Сейчас же перед нами волновая функция электрона в виде комбинации состояний, отвечающих различным положениям. Да, если этих положений хотя бы два (а их, как правило, бесконечно много), то электрон лишается свойства находиться в какой бы то ни было точке пространства. Но что со скоростью? «Приделать» дополнительную информацию о скорости к имеющейся волновой функции нельзя из-за вражды. Мы столкнулись лицом к лицу с вопросом, который, пусть робко, уже звучал раньше: не приводит ли вражда между величинами к неполному описанию мира?

Нет, квантовая механика не так проста. Польза от того, что основной ареной стало пространство, населенное волновыми функциями, оказывается немалой: там обнаруживается необходимое количество математических фокусов для «восстановления полноты бытия». Вспомним, что мы говорили в главе 3: в недрах квантовой механики физические величины принимают вид операций, воздействующих на математические объекты. Эти последние и есть волновые функции! Скорость тоже становится средством воздействия на них: из одних волновых функций она производит некоторые другие по четко установленным математическим правилам. В колоссальном большинстве случаев (можно сказать, почти всегда) в результате получается «совсем другая» волновая функция; этот математический факт означает, что у электрона в рассматриваемом состоянии нет никакого определенного значения скорости. Имеются тем не менее такие специальные волновые функции, что действие на них скорости-как-операции приводит всего лишь к умножению их на число. Это число в таком случае и является точным значением скорости электрона в данном состоянии. Построить такие состояния можно, если весьма специальным образом комбинировать вообще все положения в пространстве; «вражда» оборачивается таким образом своеобразной кооперацией в самой глубине математического формализма. Другое дело, что состояния электронов в атоме не представляют собой ни одну из этих специальных волновых функций, и у этих электронов нет ни определенного положения в пространстве, ни определенной скорости (хотя вне атома могло бы быть одно или другое; в атоме же, как мы помним, вместо этого имеются определенные значения энергии и атрибутов вращения).

Волновая функция вносит дополнительный поворот в сюжет, когда перед нами больше одного электрона (или чего угодно еще). Если в системе имеется несколько самостоятельных частей, то волновая функция как «перечисление возможностей» имеет дело со всеми этими частями сразу – она просто не умеет снисходить до каждой в отдельности. Это необычное свойство с последствиями, которые еще будут нас преследовать. Для простоты ограничимся тройкой электронов: в волновой функции тогда в качестве возможностей перечислены тройки точек; каждая тройка представляет возможную конфигурацию трех электронов. Но в волновой функции совсем ничего не сообщается о каком-либо одном электроне безотносительно к другим.

Вместо электронов попробуем на минуту представить себе сумасшедшее квантовое турагентство, которое планирует отпуск для Павла, Юрия и Александры, но почему-то делает это не совсем обычным образом, а построив аналог волновой функции. А именно, обсуждаются тройки, и только тройки, возможностей: скажем, Павел в Гондурасе, Юрий в Таиланде, Александра в Швеции; Павел в Аргентине, Юрий в Индии, Александра в Нидерландах; Павел в Ботсване, Юрий в Омане, Александра в Марокко; и так далее{36}. Каждая тройка возможностей сопровождается своим числом, и каждая сосуществует в «волновой функции» со всеми остальными. Но эти числа не относятся к странам по отдельности: разложив на столе карту мира, нельзя подписать на ней что-то вроде «коэффициента пребывания» для каждой страны – это можно сделать только для троек стран.

А в метафоре карт у вас на руках тогда три карты, которые не просто волшебные, но еще и согласованным образом волшебные. Впрочем, чтобы мои примеры оставались не особенно громоздкими, пусть, пожалуй, карт будет все-таки две; тогда они могут быть такой, например, комбинацией: «(валет треф и двойка пик) минус (пятерка бубен и десятка треф) плюс (дама червей и туз пик)». Поскольку мы уже находимся в опасной близости к математике, стоит воспользоваться удобным обозначением – скобками – для более ясной расстановки смыслов. Внутри каждой скобки – то, чем может оказаться пара волшебных карт, когда казино попросит их предъявить. Выложив ваши две карты, вы можете тогда обнаружить, что это дама червей и туз пик. Или одна из двух других возможностей – но никогда не перекрестные комбинации, скажем, валет треф и туз пик. Тем, кого математикой не испугать, в качестве домашнего задания остается расставить знаки вместо слов «плюс» и «минус». Получится, если не считать игорной тематики, практически «настоящая» волновая функция.

Картина, основанная на сложении/комбинировании возможностей, выглядит не совсем обычной, и не зря: она лежит в основе большинства «необычностей» квантового мира. Я не перестаю удивляться, что основанная на ней схема, во-первых, вообще была придумана, а во-вторых, привела к беспрецедентным успехам в описании природы (среди прочего, именно эта абстрактная волновая функция «выращивается» в квантовом компьютере так, чтобы привести к совсем не абстрактному ответу). Чтобы увидеть, как она работает, нужны кое-какие дополнительные средства; им посвящены следующие главы, а сейчас я еще раз прошу читателя отнестись ко всей идее «комбинирования» максимально внимательно.

Комбинирование возможностей в волновой функции в сочетании с изящной математикой объясняет «выкрутасы» с повторными измерениями спина, которые мы наблюдали в главе 7. Мы брали там электроны в состоянии «спин вверх» и измеряли их спин в приборе Штерна – Герлаха, который лежит на боку и поэтому может выдавать только результат «спин влево» или «спин вправо». Положить измерительный прибор на бок означает выполнить поворот на 90º. В небольшом математическом отступлении о поворотах в предыдущей главе появились спиноры – обитатели абстрактного пространства, математически чувствительные к поворотам, выполняемым в нашем физическом пространстве: когда «волшебная стрелка» поворачивается здесь у нас, они откликаются на это, изменяясь по определенным правилам.

Волновая функция, сама будучи абстрактной и математической, легко справляется со спинорами: она включает их в себя в качестве возможностей, таких как «спин вправо», «спин вверх» или «спин вниз». А поскольку волновая функция – это «контейнер» для комбинации возможностей, в ней могут появляться и комбинации вроде «спин вверх плюс спин вниз». Вертикальное направление, выбранное в последнем примере, ничем, конечно, не выделено; стоит, пожалуй, еще раз сказать, что то или иное направление выбирается в нашем физическом пространстве, но все состояния вида «спин вперед» и «спин назад» обитают в своем математическом пространстве; это абстракции – причем абстракции, снабженные правилами, по которым они меняются в ответ на повороты в нашем пространстве.

Из этих правил следует нечто замечательное: состояние «спин вверх» с математической точностью можно переписать в виде комбинации «спин влево плюс спин вправо» – т. е. как комбинацию тех состояний, которые только и способен детектировать «лежащий» (повернутый на 90º) прибор Штерна – Герлаха. Факт этот вовсе не очевиден, но таковы правила поведения спиноров в ответ на повороты в нашем пространстве (в данном случае на 90º). Лежащий на боку прибор Штерна – Герлаха при попадании в него электрона в состоянии «спин вверх» поэтому способен измерить или спин влево, или спин вправо. Кстати, состояние «спин вниз» – это математически то же самое, что состояние «спин влево минус спин вправо».

Необычная для нас возможность комбинировать возможности в одном состоянии физической системы достигает нового уровня необычности, когда две системы взаимодействуют, создавая тем самым одну составную систему. Благодаря взаимодействию из комбинации возможностей вырастают запутанные состояния, уже нам встречавшиеся.

В подробности того, что вообще представляет собой взаимодействие (например, между электроном и протоном), можно погружаться довольно глубоко, но не самое плохое описание сводится к тому, что взаимодействие – это согласованное изменение своих состояний различными участниками, которых чаще всего двое. Сейчас мы применим это к волновой функции. Еще раз на секунду заглянем в волшебное казино: там взаимодействия из физического мира становятся видом игры, в простейшем случае для двоих.

В качестве примера я предлагаю дурацкую игру с максимально простыми правилами (волнует меня не «реалистичность» взаимодействия, а точное выражение идеи запутанности). Карты двух участников «взаимодействуют» и в результате изменяются. Если у вас карта красной масти, то любая карта вашего партнера превращается в короля. А если у вас черная карта, то карта вашего партнера превращается в даму; масть в данном случае не важна, и при желании можно считать, что она не изменяется{37}. В игре с обычными картами – если «превращается» понимать как «заменяется на» – благодаря предельной глупости правил, происходящее не вызывает никаких вопросов. Если, скажем, у вас пятерка червей, то две карты на столе – ваша и вашего партнера – становятся парой «(пятерка червей и король)».

Но что, если ваша волшебная карта представляет собой комбинацию разных цветов, скажем, «пятерка червей плюс пятерка пик» – чем тогда станет карта вашего партнера: королем или дамой?

Основное правило, которое я всерьез переношу в игру из квантовой механики, состоит в том, что эти пятерка-червей-как-возможность и пятерка-пик-как-возможность играют каждая сама по себе{38}. В результате ваша карта и чужая оказываются вот в каком состоянии:

Значение вашей карты здесь каждый раз названо первым, а скобки снова расставлены для удобства восприятия. Карта вашего партнера вовлеклась в волшебство: теперь это король по отношению к пятерке червей и дама по отношению к пятерке пик, а «просто» сказать, король это или дама, невозможно.

Такое «вовлечение в волшебство» в квантовой механике называется запутанностью, а получающиеся «неясные» состояния – запутанными. Неясные они в отношении отдельных частей системы, хотя система в целом описана максимально полным образом!

А если опираться не на волшебство, а на физические явления, то вот мысленный эксперимент, в котором взаимодействие создает запутанность. Электрон, отклонившийся влево или вправо в лежащем на боку приборе Штерна – Герлаха, пролетает мимо одинокого протона. Электрон в состоянии «спин влево» отклонился влево, а значит, протон под действием электрического притяжения к электрону смещается влево. А электрон в состоянии «спин вправо» отклонился вправо, и туда же смещается протон. А вот при попадании в прибор электрона в том самом состоянии «спин влево плюс спин вправо» возникает запутанное состояние «(спин влево, отклонился влево, сместился влево) плюс (спин вправо, отклонился вправо, сместился вправо)». Если для краткости следить только за спином электрона и положением протона, то это состояние

Запутавшись со спином электрона, протон уже не имеет свойства находиться определенно левее или определенно правее той области, где он обитал перед началом опыта.

В приборе, однако, есть множество других протонов и электронов, которые, в свою очередь, вовлекаются во взаимодействие с уже запутавшимся протоном. С ними-то что происходит?

Прервемся здесь – на самом интересном месте, тем более что мы уже немного заступили в следующую главу, потому что от момента, предшествовавшего взаимодействию, до момента после взаимодействия проходит некоторое время. Отношения квантовой механики с временем регулируются ее главным уравнением – уравнением Шрёдингера.

Время, чем бы оно ни было, вызывает желание узнавать, что будет и что было. Прошлое нас тоже интересует, но будущее, как правило, волнует больше. Классическая механика – инструмент в первую очередь для предсказания движения: если известны все действующие факторы, теоретически можно точно сказать, что будет происходить в последующие моменты времени. Для сколько-нибудь сложных систем, правда, и уравнения решить нереально, и все факторы учесть невозможно: возникают проблемы точности и предсказательная сила не всегда оказывается очень впечатляющей. Но это не отменяет того факта, что развитие событий во времени управляется имеющимися воздействиями (силами).

Происходящее вокруг нас почти всегда сопровождается движением. Планеты, частички пыли, воздух и вода, кровь в сосудах и огромное множество разнообразного другого участвуют в движении того или иного вида. Полезное попутное наблюдение состоит в том, что эти изменения связаны с превращением энергии из одних форм в другие.

А как обстоит дело с развитием во времени в квантовом мире? Объекты там не наглядны, и «движение» – категория непростая, потому что положение и скорость одного и того же объекта не существуют одновременно. Но если нельзя говорить о том, как, что и где движется, то как тогда описывать развитие любой системы во времени?

Вопросы о том, что и как в квантовом мире меняется со временем, надо задавать главному фигуранту – волновой функции. Это она меняется. А управляет ее изменениями энергия. Это понятие оказалось глубокой вещью; исходно мы узнали о свойствах энергии, изучая классический мир, где она берет на себя обязанности одного из главных регуляторов (не бывает вечного двигателя, а заодно и некоторых других вещей). В квантовой области она поднялась на новую высоту: Шрёдингер написал уравнение, содержание которого в том, что энергия говорит волновой функции, как ей изменяться во времени.

Энергия участвует в уравнении Шрёдингера, приняв специальный математический вид, который позволяет ей преобразовывать состояния (волновые функции), – вид «свирепого преобразователя», если выражаться, как в главе 3. Она становится операцией, воздействующей на волновые функции.

Каждой физической величине, как мы уже говорили, в «глубине» квантовой механики соответствует своя операция; ее смысл и содержание, как мы теперь в состоянии уточнить, – воздействие на волновые функции. Каждая такая операция каким-то образом изменяет любую подвернувшуюся ей волновую функцию; то, как именно изменяет, составляет часть ее математического определения. Из всех мыслимых операций особенную роль играет одна, соответствующая энергии: она отвечает за эволюцию во времени. То, как она «толкает» волновую функцию, определяет, какой станет волновая функция в следующий момент времени.

Имеющееся состояние/волновая функция «сейчас» – очень сложная или, наоборот, совсем простая комбинация возможностей – в следующий момент времени получит добавку, определяемую тем, как именно «свирепая» энергия его, это состояние, «толкнула». Добавка приобщается к имевшемуся состоянию с помощью тех самых знаков плюс, которые появляются у нас при составлении комбинаций. В результате возникает новое состояние, которое, в свою очередь, получает новую добавку от толчка со стороны энергии, и так далее.

Это, между прочим, означает, что развивается во времени именно комбинация возможностей, которые могут совместно присутствовать там в очень большом числе (что в приложении к квантовому компьютеру иногда не совсем строго выражают словами, что он «анализирует все случаи одновременно»).

Если вы находитесь в волшебном казино из предыдущей главы, а на руках у вас всего одна волшебная карта (аналог одного электрона), то с течением времени она могла бы эволюционировать, например, от комбинации «трамвайных билетов» (мелких карт) черных мастей к комбинации, содержащей много картинок красных мастей. Роль энергии в казино могли бы, наверное, каким-то образом исполнять деньги, но разумная часть моей метафоры тут заканчивается, не доходя до закона эволюции в подражание Шрёдингеру. А вот для физической системы, состоящей из электрона и протона, ее волновая функция – это комбинация всех мыслимых конфигураций этой пары, т. е. положений электрона и протона. Энергия-как-операция «толкает» волновую функцию, изменяя числа, сопровождающие различные конфигурации, в зависимости от того, какое значение энергии было бы у электрона и протона, окажись они в данной конфигурации. А если объектов, например, три, то каждая конфигурация содержит три указания: «первый объект в точке А, второй в точке Б, третий в точке В»; в волновой функции, как мы помним, комбинируются эти конфигурации целиком, а не возможные положения отдельных объектов.

В привычном нам мире классической механики все совсем не так: летают, скажем, три планеты, притягивая друг друга, и развитие этой системы во времени описывается тремя траекториями; каждая траектория «соткана» из точек в пространстве, поэтому всегда можно сказать, насколько близко и когда какая-то из планет подходит к интересующей нас пространственной точке X. Уравнение же Шрёдингера устроено довольно высокомерно по отношению к пространству, в котором мы живем: информация, которую из этого уравнения можно извлечь, не дает ответа на вопрос о том, что происходит в выбранной одной точке X.

После того как все происходящее перенесено в математическое пространство, где обитают волновые функции, мы решаем уравнение Шрёдингера, чтобы узнать, какая комбинация возможностей возникнет в последующие моменты времени, если известно, как именно (с какими числами) скомбинированы возможности в состоянии «сейчас», и также известна энергия для каждой мыслимой конфигурации. (Для систем, выходящих за рамки самых простых, решение уравнения Шрёдингера обычно нельзя записать на бумаге в виде одной формулы, но это «наши проблемы» – чисто техническое, а не принципиальное усложнение.) Фундаментальные уравнения почему-то редко вслух называют законами природы, но уравнение Шрёдингера – один из них{39}.

Отдельный интерес среди волновых функций представляют стационарные – те, которые описывают постоянно существующие объекты; в первую очередь это, конечно, атомы и молекулы. Если что-то существует в «неизменном виде», то можно подумать, что и волновая функция такого образования совсем не меняется с течением времени. Но в квантовой механике достичь этого «совсем» не удается: энергия в своей «свирепой» форме слишком свирепа для этого. Волновым функциям стационарных образований приходится зависеть от времени, но удается при этом обзавестись специальной, «минимальной» зависимостью. Ее можно представлять себе как нескончаемый бег по кругу, но не в обычном, а в том математическом пространстве, где живет волновая функция. Бег этот сам по себе недоступен для наблюдения, но контакт с наблюдаемыми величинами обеспечивается тем, что частота обхода окружности определяет некоторое значение энергии – именно то, при котором и существует интересующий нас «постоянный» объект. Стационарные состояния – это состояния с постоянным значением энергии.

Для состояний с постоянным значением энергии эволюционное уравнение Шрёдингера принимает более специальный вид и становится уравнением, решая которое, следует найти две вещи: при каких именно значениях энергии вообще существуют волновые функции с этой специальной минимальной («круговой») зависимостью от времени, а также какой, собственно, вид эти волновые функции имеют. Трудно переоценить, насколько важным для существования нашего мира оказывается один математический факт: такие волновые функции представляют собой штучный товар – они существуют крайне «редко», можно даже сказать, «почти никогда», за исключением тех случаев, когда значение энергии в точности совпадает с одним из специальных дискретных значений («из списка», как мы говорили в начальных главах). В каждом таком случае свирепая энергия отчасти умиротворяется. Она изменяет такую специальную волновую функцию лишь минимальным образом: просто умножая ее на число. Это число и оказывается численным значением энергии. Весь список разрешенных значений энергии составляется таким способом.

Мы уже говорили, что атомы каждого элемента существуют только со вполне конкретными конфигурациями своих электронов. Теперь мы видим математическую подоплеку: уравнение Шрёдингера для атома в стационарном состоянии допускает только вполне конкретный набор решений. В частности, решение для состояния с минимальной (первой в списке) энергией единственно{40}.

Сформулировав свое уравнение и поняв, как оно решается для простой стационарной системы – атома водорода, Шрёдингер сумел теоретически пройти путь от волновых функций, в которых ничего дискретного нет, к дискретности, которая играет определяющую роль в устройстве мира. (При этом он уложился в рождественские каникулы в горах, куда отправлялся в конце 1925 г., видимо, без ярко выраженного намерения произвести переворот в науке; однако уже в начале пребывания там он сетовал в письмах на свое «недостаточное знание математики».) Абстрактный формализм и выполняемые на бумаге математические преобразования позволили объяснить весь список разрешенных значений энергии для атома водорода – что было важнейшим первым достижением в последовавшей затем череде успешных применений уравнения Шрёдингера.

Правда, сам автор уравнения первое время после его создания и триумфальной проверки рассчитывал на большее: он надеялся описать вообще все квантовые объекты, начиная с электрона, как «сгустки» волновой функции. Этот план полностью провалился, как мы уже кратко упомянули в главе 3, а теперь можем рассказать с большей точностью. Причин было несколько. В первую очередь, волновая функция не может описывать квантовые объекты в системе по одному, а может – только всю систему целиком и поэтому не позволяет ответить на вопрос о том, что происходит (или даже «может произойти») в какой-то одной точке пространства. Если объектов в системе больше одного, то волновая функция – это не описание бегающих по пространству волн, отвечающих отдельным квантовым объектам.

К этому стоит добавить, что волновая функция еще и ненаблюдаема: нет физической процедуры, позволяющей, даже теоретически, точно ее измерить. Принципиально ненаблюдаем, в частности, тот самый «бег по кругу» в воображаемом пространстве. (И однако же, попытки избавиться от него в теоретическом описании немедленно разрушают всю квантовую теорию! Без него просто ничего не работает.)

Еще одна причина, по которой не удался план Шрёдингера описывать материю как «сгустки» волновой функции, носит более технический характер и, собственно говоря, представляет собой препятствие в попытке «выкрутиться» – произвести с волновой функцией математические действия, каким-то разумным образом оставляющие зависимость только от одной точки (правда, так получается уже не волновая функция, а математически совсем другой объект). После этого появляется надежда сказать: «Вот, если получилось что-то, отличное от нуля вблизи точки X, но равное нулю вдали от нее, то, значит, в точке X и находится квантовый объект, и он построен из волновой функции». Идея не сработала, потому что в силу самого уравнения Шрёдингера пространственный размер области, где «что-то», построенное таким способом, отлично от нуля, непрерывно увеличивается. Объекты, описываемые подобным образом, должны со временем широко расползаться по пространству – достаточно широко, чтобы вступить в явное противоречие с опытными данными.

Тем не менее уравнение Шрёдингера стало универсальным инструментом квантовой механики. Ключевая догадка, воплощенная в нем, – в том, что управляющая роль принадлежит энергии. А энергия – очень универсальное понятие, и в различных ситуациях надо просто правильно учесть все имеющиеся в задаче виды энергии и превратить каждый в преобразователь волновой функции.

Правда, это последнее может потребовать изобретательности, как это было в случае спина. Из-за наличия спина электрон становится магнитом; а всякий магнит получает добавку к своей энергии, когда находится в магнитном поле. В случае электрона разговаривает с магнитным полем «упрямая стрелка» из главы 7; используя ее, несложно записать выражение для энергии, практически копируя то, которое работает для обычных магнитов. Но далее необходимо понять, каким же способом ее вклад в энергию дополнительно «толкает» волновую функцию. Как это организовать, придумал Паули в 1927 г. Он использовал спиноры, включив их в волновую функцию. В свете нашего знакомства со спинорами в предыдущих главах это самый короткий способ сказать, в чем состояло изобретение Паули, но говорить так не очень хорошо, потому что сам Паули не просто «использовал», но, для начала, придумал математические объекты, которые впоследствии получили название «спиноры».

Спиноры несут в себе две опорные возможности: «спин вперед» и «спин назад» вдоль любого выбранного направления в пространстве. Технически Паули разрешил волновой функции стать «двойной»: вместо одной волновой функции для (несуществующего) электрона без спина нужны две, чтобы описывать электрон со спином; они соответствуют этим двум опорным возможностям (и могут, конечно, комбинироваться). Их называют компонентами волновой функции, а сам термин «волновая функция» закрепляют за ними, взятыми вместе. Две компоненты волновой функции определенным образом изменяются в ответ на повороты «волшебной стрелки», а энергия электрона в магнитном поле зависит от того, в какую сторону смотрит эта стрелка. В результате добавка к энергии электрона за счет взаимодействия его спина с магнитным полем и получает возможность «толкать» волновую функцию.

Две компоненты волновой функции не повторяют друг друга – они определяются из двух взаимозависимых уравнений, вовлекающих их обеих, но несколько по-разному. Иногда эти два уравнения называют уравнениями Паули, но часто – все равно уравнением Шрёдингера, потому, надо полагать, что принцип там остается тем же: энергия говорит волновой функции, как ей меняться во времени. Таким образом удалось описать все основные эффекты, связанные со спином. Не только строение атома, но и взаимодействие атомов, т. е. содержание всей химии, – это в основе своей квантовое явление. Заведомо лучший (но, увы, практически нереализуемый) способ узнать все о химических реакциях – решать уравнение Шрёдингера для участников каждой реакции, как минимум для всех «задействованных» электронов (с учетом, разумеется, их спинов) и атомных «остовов» (того, что остается в атоме, когда эти электроны его покинули){41}.

При всех достижениях уравнения Шрёдингера с учетом спина электронов, одно обстоятельство оставалось некоторое время загадочным. Для электрона в магнитном поле вклад спина в энергию в два раза весомее, чем вклад в энергию «атрибутов вращения», которые электрон может брать себе, находясь в атоме. Другими словами: атрибуты вращения, связанные со спином, в два раза эффективнее в производстве магнитных свойств, чем атрибуты вращения, связанные с пребыванием электрона в атоме. Это удвоение поначалу никак не объяснялось, но только с ним получалось правильное уравнение Шрёдингера со спином. Окончательное понимание пришло из более глубокой теории, до которой мы доберемся ближе к концу книги.

Отвлекаясь от спина: некоторых современников создания квантовой механики беспокоила (а иных и раздражала) «математичность» уравнения Шрёдингера – не в смысле его сложной формы (концептуально уравнение простое), а в смысле оторванности от физического пространства. Описываемые им «события» разворачиваются в математическом пространстве, а обитающая там и изменяющаяся со временем волновая функция, во-первых, не подлежит наблюдению, а во-вторых, не содержит в себе готового ответа на вопрос, что происходит «здесь у нас». Да, мы говорим об электронах и всем остальном, но затем делаем логический скачок, переходя к волновой функции. А если мы без пояснений получим в подарок волновую функцию какой-либо относительно сложной системы, то как мы узнаем, что именно отвечает ей в нашем пространстве?

И кроме того, уравнение Шрёдингера детерминистское! При заданной «сейчас» волновой функции оно позволяет однозначно определить волновую функцию в любой момент времени. В нем, другими словами, нет совсем ничего случайного, оно ничего не знает о вероятностях – хотя из опыта твердо известно, что в квантовый мир встроена случайность и предсказывать можно только вероятности. Не удивительно ли, что уравнение Шрёдингера тем не менее – основное средство для описания квантового мира?

Подружиться с вероятностями и стать главным уравнением квантовой механики уравнению Шрёдингера помогло важное дополнение, которое придумал уже не Шрёдингер. Союз получился отчасти противоестественным (этому посвящены несколько последующих глав), но при этом на удивление эффективно работающим (собственно говоря, охватывающим все практические приложения квантовой механики).

Недостающий пока элемент всей схемы – правило Борна.

Открытие правила, которое задает вероятности, было еще одним ключевым вкладом в квантовую механику. Уравнение Шрёдингера, управляющее развитием волновой функции во времени, совсем недолго просуществовало без ясной связи с квантовой случайностью; Борн (который еще до написания Шрёдингером его уравнения внес значительный вклад в развитие квантовой механики в варианте от Гайзенберга) вскоре догадался, где она там прячется.

Вероятности заключены в самой волновой функции – в числах, которые участвуют в составлении комбинаций. Одна из волшебных карт в предыдущих главах выглядела как «семерка треф минус две тройки пик». Семерка здесь указана один раз, а тройка – минус два раза. Эти числа – еще не вероятности, но до них остался всего один шаг: возведем каждое число в квадрат, т. е. умножим само на себя. В этом и состоит правило Борна для получения вероятностей. Единица в квадрате дает единицу, а минус два в квадрате – это четыре, и это уже практически вероятности: если вы будете приходить в казино с одной и той же волшебной картой «семерка треф минус две тройки пик» каждый вечер, то за несколько месяцев убедитесь, что при «предъявлении» ваша волшебная карта расколдовывается в тройку в четыре раза чаще, чем в семерку{42}.

Пользуясь правилом Борна, мы предсказываем максимум того, что в квантовой механике можно предсказывать, – вероятности. Именно их мы проверяем в наблюдениях, неизменно убеждаясь, что схема «уравнение Шрёдингера плюс правило Борна» превосходно работает. Все практические выводы из квантовой механики делаются с применением правила Борна. И тем не менее с ним связана тайна, причем тайна высшего разряда, если у тайн бывают разряды.

Когда мы говорим, что волновая функция эволюционирует, это означает, что с течением времени изменяются числа, сопровождающие каждую возможность в их комбинации. Теперь мы знаем, что тем самым изменяются и вероятности. Одни возможности вообще перестают быть актуальными, а какие-то другие, отсутствовавшие ранее, появляются.

Но к чему тогда относятся вероятности? Ведь волновая функция могла бы эволюционировать и эволюционировать под управлением уравнения Шрёдингера. В метафорическом казино это означало бы, что вы проводите практически бесконечный вечер с волшебными картами на руках. Числа, сопровождающие различные возможности, перечисленные в волновой функции, каким-то образом меняются, и меняются, и меняются… – что совсем не похоже на ситуацию, когда работают вероятности, т. е. когда случается одна из возможностей. Эволюция в согласии с уравнением Шрёдингера не предполагает никаких «случается одно из».

Мы приближаемся к неожиданному выводу, что для применения правила Борна необходимо каким-то образом прервать эту эволюцию. В волшебном казино это означало бы, что заведение просит вас предъявить карту, вы выкладываете ее на стол, и она при этом расколдовывается. В ней больше нет нескольких значений сразу, и она становится обычной картой – принимает одно из тех значений, которые участвовали в волшебной комбинации.

В реальном мире правило Борна говорит, что происходит, когда квантовая система встречается с измерительным прибором. Подробности устройства прибора не важны, а важно только, чтобы он был макроскопическим и мы поэтому могли достаточно непосредственно различать его показания. Это может быть сигнал на дисплее, пятно на экране, положение указателя и т. п. Следуя традиции, я буду говорить о положении ручки («указателя») прибора.

В результате измерения случается (оказывается реализованной) какая-то одна из возможностей, содержавшихся в комбинации, – о чем и свидетельствует результат измерения, выраженный в положении ручки. А воспроизводя квантовую систему в одном и том же состоянии и выполняя одно и то же измерение снова и снова, мы убеждаемся, что вероятности различных исходов действительно определяются правилом Борна (равны возведенному в квадрат сопровождающему числу). В каждом опыте при этом «пропадает волшебство»: как только измерение выявило какую-то одну конкретную возможность из всех, содержавшихся в волновой функции, все остальные оказались нереализованными. Они просто не случились и исчезают из волновой функции. Волновая функция перестает быть комбинацией возможностей, а вместо этого принимает вид, выражающий всего одну возможность – ту самую, разумеется, которая и реализовалась в соответствии с измерением.

Здесь, однако, есть проблема, которая не бросается в глаза в моем казино. Там заведение просило меня предъявить карту, и в силу общей организации волшебно-игорного бизнеса получалось так, что карта «расколдовывалась» и становилась обычной. Но в природе никакого «казино» нет. Любой прибор, выполняющий измерение, собран из электронов, протонов и нейтронов, которые, разумеется, подчиняются квантовой механике, и уравнение Шрёдингера для них никто не отменял.

А уравнение Шрёдингера решительно не умеет массово уничтожать возможности в волновой функции. Наоборот, оно делает нечто прямо противоположное: плодит запутанность. Действительно, в самом конце главы 8 мы провели мысленный эксперимент, где частью прибора Штерна – Герлаха был одинокий протон, и увидели, как в результате взаимодействия спин электрона запутывается с положением протона: электрон и протон попадают в запутанное состояние

где в каждой скобке указан сначала спин, а затем область нахождения протона по сравнению с той, где он был первоначально.

Этот протон взаимодействует с другими протонами и электронами внутри прибора, и каждый из них, один за одним, совершенно аналогичным образом «впутывается» в запутанное состояние. Ручка прибора, по положению которой мы судим о результате измерения, состоит из электронов, протонов и нейтронов, которые все должны запутаться в соответствии с уравнением Шрёдингера. В результате электрон и прибор должны прийти в запутанное состояние

«(спин вверх и ручка вверх) плюс (спин вниз и ручка вниз)».

Как обычно в запутанных состояниях, вариант «ручка вверх» здесь – это реакция прибора на часть «спин вверх» в состоянии электрона, а вариант «ручка вниз» – реакция на «спин вниз». Присутствуют оба варианта.

Так говорит фундаментальное уравнение Шрёдингера – и тем самым вызывающе противоречит нашему опыту! Приборов в таких «неясных» состояниях решительно не наблюдается. Ручка сообщает о результате измерения тем, что занимает вполне определенное положение – скажем, положение вверх. Наблюдаемая картина решительно не соответствует предсказанию на основе уравнения Шрёдингера – что вообще-то следует считать проблемой, если мы рассматриваем уравнение Шрёдингера в качестве фундаментального.

Сам Шрёдингер – в развитие идей, которые он обсуждал в переписке с Эйнштейном, – добавил сюда эмоций, использовав кошку. Снабдим прибор Штерна – Герлаха дополнительным устройством, приобретаемым за отдельную плату. Если в прибор влетает электрон в состоянии «спин вверх», то прибор, измерив это значение спина, посылает сигнал в коробку, где сидит кошка. Там распыляется яд практически мгновенного действия и кошка умирает. Если же в прибор влетает электрон в состоянии «спин вниз», то ничего не происходит и кошка благоденствует. А когда электрон попадает в прибор в состоянии, выражаемом комбинацией «спин вверх плюс спин вниз», согласно уравнению Шрёдингера не только прибор запутывается с этими двумя возможностями, но и адское устройство вовлекается в запутанность, после чего, разумеется, запутывается и кошка. Система электрон плюс прибор плюс кошка оказывается в запутанном состоянии

Здесь совсем ничего нельзя сказать про благополучие кошки в бинарных терминах: она зависла в вызывающе «неясном» запутанном состоянии.

Наблюдаемые кошки не таковы. И не только кошки. Все начинается с прибора, который просто показывает, что измерен или спин вверх, или спин вниз. Более того, прибор еще каким-то образом влияет на волновую функцию электрона, заставляя ее схлопнуться: из всей комбинации возможностей в волновой функции остается одна – та, которая отвечает случившемуся, т. е. измеренному, результату. Если, например, прибор измерил спин вверх, то в волновой функции электрона остается единственная возможность – отвечающая спину вверх.

В окружающем нас мире, практически в насмешку над уравнением Шрёдингера, происходит прямо противоположное тому, что оно предписывает: не электрон, состояние которого представляло собой комбинацию возможностей, вовлекает прибор в запутанность, а, наоборот, прибор вносит «ясность» в состояние электрона, заставляя его выбрать одну из возможностей, имевшихся в его волновой функции. В случае спина исходных возможностей всего две, но в других ситуациях комбинация может содержать огромное число возможностей, и когда при измерении актуальной оказывается какая-то одна из них, про все остальные следует забыть: все они пропадают из волновой функции, и та поэтому радикально изменяется. Математически это значит, что все числа, которые сопровождали другие возможности, как по команде становятся равными нулю.

Схлопывание волновой функции, ведущее от комбинации возможностей к какой-то одной, называют еще коллапсом. Здесь – главная недосказанность квантовой механики, поскольку коллапс волновой функции не может описываться уравнением Шрёдингера. Это математически невозможно. Мы вынуждены заключить, что из-за взаимодействия с прибором происходит нечто особенное: электрон (и вообще любой квантовый объект) выходит из подчинения уравнению Шрёдингера. Таким образом, фундаментальное эволюционное уравнение оказывается пораженным в правах. Но чем именно управляется сам коллапс, остается неясным{43}.

В связи с тем, что волновая функция электрона схлопывается, уместно поинтересоваться, как же электрон узнал, что ему следует забыть про уравнение Шрёдингера и вместо этого временно руководствоваться каким-то другим правилом? Ведь он видит перед собой другие электроны и протоны – про которые только экспериментатор знает, что они представляют собой часть прибора. Ответа здесь нет. Трудно ведь всерьез полагать, что обычное взаимодействие между выбранным электроном и какими-то другими квантовыми объектами внезапно начинает управляться особыми законами, стоит нам только решить, что мы собираемся что-то измерить.

И почему, собственно, сам прибор не подчиняется квантовой механике и не втягивается в запутанное состояние? Наверное, думаем мы, причину надо искать в том, что прибор такой большой; в силу неизвестного пока механизма его состояния не могут образовывать комбинации, поэтому он и не переходит в запутанные состояния. Но один, два или пять протонов и электронов, содержащихся в этом приборе, без сомнения, могут. А сто? Тысяча? Половина?! Где именно – на каком масштабе – надо декларативно отменить квантовую механику?

Подведем промежуточный итог, пусть даже вопросов пока больше, чем ответов. И уравнение Шрёдингера, и правило Борна подтверждены десятилетиями успешного применения. Первое определяет эволюцию волновой функции во времени, а второе сообщает, как извлечь из волновой функции вероятности исходов. Уравнение Шрёдингера по замыслу имеет универсальную применимость, а правило Борна применимо только при наличии измерительного прибора, который показывает однозначный результат измерения. Однако использование прибора каким-то образом нарушает уравнение Шрёдингера; дело выглядит так, как будто прибор не подчиняется правилам квантовой механики: его состояния не комбинируются, а потому и не запутываются. Взаимодействие с прибором, кроме того, вызывает временную отмену уравнения Шрёдингера и для измеряемой квантовой системы («электрона»): ее волновая функция претерпевает коллапс, т. е. схлопывается к одной возможности; чем управляется это схлопывание, неизвестно.

Такой взгляд на квантовую механику часто называют ее «копенгагенской интерпретацией». Понятие это не слишком определенное. Сюда относят идеи, высказывавшиеся Бором, Гайзенбергом, фон Нейманом, Паули и другими, хотя они говорили не одно и то же. Сам термин появился только в конце 1950-х гг., когда Гайзенберг – отчасти в поисках нового единства после Второй мировой войны – стал подчеркивать общность взглядов, разделявшихся им и его коллегами из разных стран в довоенные времена. Сейчас он (термин) в первую очередь ассоциируется с постулированием неквантовости измерительных приборов, а также с коллапсом волновой функции (хотя живший и работавший в Копенгагене Бор никогда о коллапсе не говорил!). Чтобы не застревать в исторических изысканиях и разъяснениях, в последнее время часто говорят о «квантовой механике из учебника» (textbook quantum mechanics), что по-русски звучит немного многословно, но вполне заменяется оборотом «стандартная квантовая механика».

Интерпретация, как в словосочетании «копенгагенская интерпретация», – слово тоже отчасти историческое и означает в данном случае пояснения или/и дополнения к формальной математической схеме. Схема эта – волновая функция плюс уравнение Шрёдингера плюс правило Борна, – несмотря на свой практический успех, оставляет белые пятна в объяснении происходящего.

В копенгагенской интерпретации совершенно особая роль отведена измерительным приборам. А поскольку узнавать хоть что-то о ненаблюдаемых квантовых объектах мы можем только с помощью привычных нам макроскопических приборов, требуется отдельно оговаривать независимое существование классических, т. е. не квантовых, объектов (игнорируя при этом, что они сложены из квантовых составных частей). Иногда говорят о «разделе Гайзенберга» – границе применимости квантовой механики, проходящей где-то внутри вещей. По эту сторону – привычный нам классический мир, а по другую все квантовое. Такая граница, однако, никак не определена физически и носит достаточно декларативный характер; проводить ее можно на различных масштабах по пути от квантового мира до нашего макроскопического, что делает ее в немалой степени умозрительной – но тем не менее необходимой, коль скоро постулируется одновременное существование и квантовых, и классических объектов. Так или иначе, получается, что для придания смысла квантовому миру в «копенгагене» требуется независимый от него классический мир. Такое построение объяснимо заслужило характеристику «философского уродства» (от Эверетта, альтернативному предложению которого посвящена следующая глава). В стандартной квантовой механике не предлагается пояснений насчет того, какие виды взаимодействия считаются измерением и вызывают коллапс, а какие нет – и вообще отсутствует даже определение того, что такое измерение. По выражению фон Вайцзеккера (долгие годы работавшего вместе с Гайзенбергом над различными проблемами), копенгагенская интерпретация сама нуждается в интерпретации.

Для дальнейшего нам потребуется одно уточняющее замечание об измерении и коллапсе. Всегда ли измерение портит волновую функцию, заставляя ее сколлапсировать? Не всегда-всегда; это не происходит в специальных случаях, когда результат измерения не отвергает никакую часть возможностей, содержащихся в волновой функции. Например, при измерении спина вдоль вертикального направления никак не портится волновая функция, имеющая просто вид «спин вверх» (как и волновая функция вида «спин вниз»). Несколько более тонкая ситуация имеет место с волновой функцией «спин вверх плюс спин вниз»: измерение специального вида может различать между такой волновой функцией и другой, вида «спин вверх минус спин вниз»; ни та ни другая от такого измерения не испортятся, потому что волновая функция «подтверждается» или «отвергается» в измерении целиком. В целом, однако, случаи, когда измерение не вызывает коллапса волновой функции, редки, потому что требуют сонастройки измерительной процедуры с видом волновой функции (уже известным, скажем, из предыдущего измерения).

Как бы то ни было, математическая схема квантовой механики так хорошо работала (и работает) в практических задачах, что «философские» вопросы и неясности интерпретации многим представлялись глубоко вторичными – а об использовании запутанности для квантовой криптографии и квантовых вычислений в течение долгого времени никто даже не задумывался. И совсем робко поначалу звучал вопрос об очень ранней фазе развития Вселенной: там, без сомнения, квантовая механика должна была действовать во всей полноте, но имевшиеся условия делали невозможным существование каких бы то ни было макроскопических приборов; а без них, вы говорите, квантовой механике и смысл придать нельзя?

Вполне обоснованным выглядит желание найти более прозрачное объяснение тому, как работает квантовая механика и что стоит за ее математической схемой.

А если все-таки главное уравнение квантовой механики – уравнение Шрёдингера – фундаментально по-настоящему и никогда не нарушается, а схлопывание (коллапс) волновой функции – что-то вроде иллюзии?! На первый взгляд, этого не может быть: ведь в каждом опыте ясно видно, что в результате измерения реализуется какая-то одна возможность из всех, содержавшихся в волновой функции; остальные в этот раз не случились и, значит, больше не актуальны, и, следовательно, состояние квантовой системы – уже не комбинация возможностей, а «данность» в виде одной-единственной. Все и правда выглядит так, как будто волновая функция схлопнулась – из многих возможностей осталась одна.

Однако проявим настойчивость: не будем отказываться от фундаментального характера уравнения Шрёдингера. Фундаментальные уравнения просто так не нарушаются, а раз так, то никакого исчезновения возможностей случиться просто не может – ведь математика запрещает коллапс, если выполнено уравнение Шрёдингера. А если мы видим, что реализовалась какая-то одна, то, значит, нам это только кажется; на самом деле возможности, присутствующие в волновой функции, никуда не исчезают, эволюция волновой функции под руководством уравнения Шрёдингера продолжается, и продолжается, и продолжается. Остается только понять, как согласовать подобное упрямство с опытными фактами.

Радикальное предложение на этот счет и сопутствующее ему неординарное объяснение мироздания восходит к Эверетту (середина 1950-х гг.). Два его лозунга можно, пожалуй, сформулировать так: «Уравнение Шрёдингера – навсегда» и «Волновая функция – наше всё». Волновая функция, согласно этим идеям, – самое главное, что есть в мире. Предлагается принять точку зрения, что она дает «полностью полное» описание квантовых систем: чего нет в волновой функции, того нет и в природе. Это вполне содержательное высказывание, особенно в оппозиции к восходящим к Эйнштейну предположениям, что где-то в глубине вещей могут прятаться «скрытые параметры». Но тут же делается и второе мощное заявление, что природа платит волновой функции взаимностью: все, что есть в волновой функции, есть и в природе. И конечно, развитие во времени этого «всего» управляется уравнением Шрёдингера.

Как следствие, все в мире имеет квантовую природу; квантовое поведение универсально «от мала до велика». Нет никаких декларативно классических приборов, беспричинно ускользающих из-под действия квантовых законов. И конечно, приборы вовлекаются в запутанность способом, который мы обсуждали в главе 10. Шрёдингеровские кошки?! – разумеется, и они. А если вы хотите возразить на это, что, мол, такие приборы и кошки не наблюдаются, то задайте себе ключевой вопрос: кем не наблюдаются?

Не только приборы и кошки, но и хозяева кошек (и вообще все наблюдатели) сложены из квантовых объектов, и нет никаких причин, освобождающих их от квантовых законов. Поэтому взаимодействие наблюдателя с уже запутанным прибором приводит к тому, что он, наблюдатель, «впутывается» в имеющиеся ветви, а заодно «ветвится» и его способность к наблюдению. Вот как это работает, когда наш друг электрон влетает в прибор Штерна – Герлаха в состоянии «спин вверх плюс спин вниз». Взаимодействие с прибором, как мы обсуждали в предыдущей главе, приводит к развитию запутанности с участием этого прибора: электрон и прибор, согласно уравнению Шрёдингера, оказываются в запутанном состоянии

Выше мы остановились на этом самом месте, заметив, что таких приборов мы вокруг себя не видим. Но не надо было останавливаться! Логика, основанная на бескомпромиссности уравнения Шрёдингера, говорит, что в запутанность вовлекается и наблюдатель: он становится участником состояния

Относящееся к наблюдателю здесь выделено курсивом. Приложите это к себе, только сначала решите, за кого вы будете говорить: за того, кто видит ручку прибора повернутой вверх, или за того, кто видит ее повернутой вниз?

Возможность смотреть на все ветви волновой функции сразу, как в приведенном выше примере, – вещь умозрительная. Это привилегия лишь интеллектуального созерцания математического пространства, где живут волновые функции. Реальным наблюдателям, занятым реальными наблюдениями, такая точка зрения недоступна. Наблюдателя, который видел бы ручку «распределенной по нескольким различным положениям», не существует по той простой причине, что различные версии наблюдателя воспринимают происходящее только в рамках своей ветви. Восприятие расходится по различным ветвям, и в каждой – отдельный мир.

Пока мы разглядываем запись волновой функции, содержащую различные ветви, мы похожи на зрителей у очень старого телевизора, принимающего сигнал с плохой антенны: на экране могут возникнуть две программы одновременно, создавая там порядочную неразбериху{44}. Однако герои каждой из этих программ о такой неразберихе и не подозревают, взаимодействуя только с «реалиями» из своей программы. Аналогичным образом, каждая версия наблюдателя – в частности, хозяйки шрёдингеризованной кошки – находится внутри своего мира, а эти миры, очевидно, различаются. Хозяйка кошки чувствует себя по-разному в двух ветвях волновой функции

В той ветви, где кошка умерла, день испорчен, а в той, где кошка в полном порядке, хозяйка спокойно отправляется по своим делам. Каждый вариант хозяйки воспринимает только свою ветвь событий, пребывая в полном убеждении, что реализовалась только одна возможность. Все другие для нее недостижимы и в этом смысле являются параллельными мирами, другими вселенными.

Кстати, совершенно неважно, одушевленный или неодушевленный наблюдатель распределяется по ветвям волновой функции; веселее иметь дело с одушевленным, но это не принципиально. Обсуждаемая сейчас многомировая интерпретация квантовой механики не требует живого и тем более сознательного наблюдателя. Каждый из них – часть физического мира, различные ветви которого теряют взаимодействие друг с другом. Но имеющиеся сознательные наблюдатели могут начать привыкать к идее, что каждого из них стало несколько, или даже много, – или, как можно подозревать, чрезвычайно много, в чем-то вроде постоянно делящихся параллельных вселенных.

«Я» сейчас – это кто? В таком вопросе не очень много смысла, потому что каждый «я» – каждая копия меня в череде делений, возникающих при очередном квантовом запутывании, – воспринимает себя как единственное «я». Вполне возможно, что в какой-то другой ветви всех этих делений я начал писать эту книгу, но (в силу какой-то квантовой причины) не закончил ее. Варианты читателей, которые туда попали, ее, понятно, и не читают. А читает эти строки тот вариант каждого читателя, который оказался в той ветви, где книга вышла. И это, честно говоря, довольно тавтологические рассуждения{45}.

А когда, собственно говоря, вселенные расходятся? Здесь имеются некоторые различия между исходной трактовкой Эверетта и более поздними воззрениями. Эти последние тоже развились в несколько групп родственных идей, слегка различающихся подробностями. Правильнее поэтому говорить о многомировых интерпретациях во множественном числе, но следить за разницей в оттенках мы не будем. (Сам Эверетт, кстати, не использовал термин «многомировая интерпретация», но это не отменяет его авторства идеи.) Так или иначе, деления вселенных привязаны к возникновению запутанных состояний, но должного масштаба они достигают, когда запутанность распространяется «вширь» – на все большее число участников. Участников этих доставляет среда, которая понимается здесь в самом общем значении.

Молекулы воздуха, например, сталкиваются с ручкой прибора, на положении которой завязан сюжет шрёдингеровской драмы, и делают это по-разному в зависимости от положения ручки вверх или вниз. Они тут же испытывают столкновения с другими молекулами, те несут информацию о том или ином положении ручки дальше, и различия между двумя ветвями нарастают – как показывают оценки для типичных кошек в типичной среде, чрезвычайно быстро. Постоянное взаимодействие шрёдингеровской кошки с воздухом, магнитным полем, солнечным светом, радиоволнами, реликтовым излучением, космическими лучами, нейтрино солнечного, галактического и внегалактического происхождения, гравитационным полем Земли, Луны и Солнца и т. д. распространяет запутанность, создавая два варианта среды для двух только-только наметившихся вариантов кошки.

К тому моменту, когда хозяйка кошки констатировала ее состояние, влияние среды уже отправило каждый вариант «своей дорогой». И, понятно, как только фотоны, отраженные от кошки в одном или другом ее состоянии, «дотронулись» до хозяйки, она также оказалась «впутанной» в каждую из ветвей. Телефонный разговор хозяйки со своей мамой с рассказом о том, как прошло утро, запутывает и маму. Две ветви вселенной расходятся, различий между ними делается так много, что каждая существует сама по себе.

Происходит ли при этом «возникновение дополнительных кошек из ниоткуда» (и вообще-то не только кошек, а и всего окружающего мира)? Нет, если верно наше начальное предположение, что мир в точности отвечает волновой функции. Основной объект во всех многомировых интерпретациях – волновая функция «всего на свете», если угодно, Всемирная Волновая Функция. От начала времен она развивается во времени согласно уравнению Шрёдингера, и в ней, в общем, «все запутано со всем» – во всяком случае очень многое с очень многим. Создания миров из ничего не происходит: просто материя из одной, единой вселенной, описываемой Всемирной Волновой Функцией, разбредается по различным ветвям. При этом, как не устают подчеркивать сторонники многомировых интерпретаций, конечно выполнен закон сохранения массы-энергии.

Не самый простой вопрос – как согласовать многомировую картину со случайностью, т. е. индетерминизмом, который как-никак является данностью в наших наблюдениях над миром. Весь корпус наблюдений подтверждает правило Борна, которое определяет вероятности различных исходов в этой индетерминистской картине. Чтобы быть эмпирически адекватной, многомировая интерпретация должна как-то объяснить правило Борна. Но теперь требуется вывести его из картины эволюционирующей Всемирной Волновой Функции: просто постулировать его решительно не годится, потому что в многомировой картине не «случается» какой-то один исход из нескольких возможных, с той или иной вероятностью, а наоборот, полностью предсказуемая эволюция в согласии с уравнением Шрёдингера делает все исходы одинаково реальными. В каком смысле тогда предлагается пользоваться правилом Борна, да и вообще почему следует задумываться о вероятностях?

Вот показательный мысленный эксперимент. Вы оказались в непростой жизненной ситуации: вам предлагают посадить вашего любимого кота в коробку № 1 или в коробку № 2, в каждой из которых приготовлен, но пока не распылен яд. Коробки подключены к прибору для измерения спина электрона таким образом, что измеренный спин вверх вызывает распыление яда в коробке № 1, а измеренный спин вниз – в коробке № 2. Но состояние электрона, влетающего в прибор, – это комбинация состояния «спин вверх» и дважды состояния «спин вниз», а именно, «(спин вверх) + 2(спин вниз)» (похожие волшебные карты мы встречали в волшебном казино).

Если вы, ничего не подозревая о параллельных вселенных, просто применяете правило Борна, чтобы посчитать вероятности, то вы заключаете, что вероятность измерения спина вниз в четыре (два в квадрате) раза больше, чем вероятность измерения спина вверх. Исходя из этого, вы, конечно, посадите кота в коробку № 1, где вероятность фатального исхода составляет 20 % против 80 % в коробке № 2. Да, может так получиться, что и это кота не спасет, но вы по крайней мере будете утешать себя тем, что сделали для благополучия своего питомца все возможное.

Но если вы руководствуетесь многомировыми идеями, то вам, можно сказать, мешает «бремя лишнего знания» о ветвящихся мирах: вы ведь знаете, что в результате опыта непременно возникнут и живой, и мертвый кот. Как в таком случае обосновать (вроде бы довольно очевидный) выбор коробки № 1?

Задачей доказать правило Борна, т. е. логически вывести его из картины ветвления вселенных, озаботился уже Эверетт. Он действительно привел такой вывод, но в его рассуждениях впоследствии обнаружился логический круг: он пользовался допущениями, которые в скрытой форме уже содержали в себе то, что требовалось установить. А далее история не раз повторялась, каждый раз на новом уровне: очередные доказательства правила Борна в рамках многомировой интерпретации начинаются с замечания, что в предыдущих доказательствах обнаружились некоторые проблемы и поэтому сейчас будет приведено новое доказательство, где таких проблем нет. Через некоторое время тщательный анализ выявляет не слишком хорошо обоснованное предположение, закравшееся и в новое доказательство, и так далее.

В современном понимании цель всех этих усилий – в том, чтобы обосновать следующий тезис: «Рационально действующий наблюдатель, убежденный в многомировой интерпретации квантовой механики, должен (дабы оставаться рациональным) действовать так, как если бы квадраты чисел, сопровождающих различные ветви волновой функции, были вероятностями». Правило Борна, таким образом, становится до некоторой степени нормативным, неотделимым от суждения о том, как должны вести себя наблюдатели, убежденные в многомировой концепции и одновременно удовлетворяющие некоторым условиям «рациональности». По этому поводу можно, наверное, испытывать легкую неудовлетворенность (и заодно затеять полемику по поводу того, что означает «рациональность»), однако более прямых соображений о выводе вероятностей из многомировой картины не находится. Да и как, действительно, «втащить» вероятности в концепцию, где каждый исход гарантирован со стопроцентной вероятностью?

Критики многомировых идей задают и более фундаментальный вопрос: о вероятности чего именно, собственно, идет речь? Ведь вероятность предполагает наличие хотя бы некоторой неопределенности, но где же ее взять в полностью детерминистском уравнении Шрёдингера? В ответ иногда обсуждается неопределенность самолокализации (самонахождения, если угодно). Из-за быстрого распространения различий по окружающей среде вселенные расходятся по различным ветвям за чрезвычайно короткое время. Наблюдателю же требуется существенно больший промежуток времени (минимум десятки миллисекунд), чтобы сообразить, какой результат измерения он или она наблюдает. Поэтому в течение короткого, но отчетливо существующего периода времени после того, как «уже случилось», наблюдатель находится в неопределенности относительно того, в какой вселенной ему или ей случилось оказаться. Эта неопределенность и должна делать здесь уместным разговор о вероятностях. Исходя из идей, основанных на неопределенности самолокализации, был предложен даже вывод правила Борна, за которым, впрочем, последовали наблюдения, что он далек от безупречности.

Первоначально – задолго до того, как появились мотивы погружаться в тонкости, – высказанные Эвереттом идеи воспринимались со значительным скептицизмом, в том числе из-за несоответствия доминировавшему тогда «копенгагену». Посреднические усилия Уилера, который был научным руководителем Эверетта, а прежде, в свою очередь, был учеником Бора, ни к чему не привели. Хотя Уилер и выдвигал на первый план декларировавшуюся полноту описания в терминах волновой функции, Бор воспринял идеи Эверетта в штыки. Вслед за тем, в течение достаточно долгого времени эти идеи серьезного внимания к себе не привлекали, но постепенно набрали популярность, особенно среди квантовых космологов. Действительно, копенгагенское утверждение, что для соответствия между квантовой механикой и наблюдаемой реальностью требуется коллапс волновой функции, к тому же вызываемый измерительным прибором, который сам квантовой механике не подчиняется, выглядит малоприменимым к очень ранней Вселенной, где никаких «приборов» быть не могло, а мир тем не менее эволюционировал во времени.

Развитие многомировых идей способствует лучшему пониманию различных аспектов квантового устройства мира. Многомировые интерпретации вызвали к жизни оригинальные соображения о роли среды в «расхождении» ветвей волновой функции; из этого выросло самостоятельное направление с глубокими идеями (к которым мы вернемся в главе 22). Один из гуру теории квантовых вычислений, Дойч, известен высказыванием, что квантовый компьютер потому такой мощный, что ведет вычисления сразу в нескольких параллельных вселенных (оспаривание этого тезиса другими исследователями ничуть не мешает Дойчу оставаться убежденным сторонником идеи многих миров). Есть и другие аспекты, требующие изучения. Приняв, что мир – это в точности волновая функция и уравнение Шрёдингера, сторонники многомировых идей стараются ответить на вопрос, как же «добраться» от общей для всех волновой функции до конкретных, индивидуальных квантовых объектов и систем; каким образом, другими словами, «мир» (большая система) делится на отдельные подсистемы. Здесь предлагается смотреть на устройство энергии, ведь именно она отвечает за поведение волновой функции во времени. Структура энергии может указать на наличие таких частей системы, которые ведут относительно автономное существование: хотя они и изменяются вследствие обмена энергией с другими частями, эти изменения не разрушают их «идентичность». Всеми ими при этом управляет уравнение Шрёдингера, и только оно, а значит, они живут в ветвящейся вселенной; сама идея ветвления, кстати, в немалой степени связана с наличием подсистем (вспомним хотя бы кошку и ее хозяйку).

Важнейшим вкладом в понимание внутренней логики всей схемы был бы вывод правила Борна для наблюдателей в ветвящихся вселенных из каких-то других положений, не содержащих это же правило в скрытой форме. Правда, при всем уважении к оригинальным идеям, которые возникают в ходе непрекращающихся усилий по доказательству правила Борна в рамках многомировых идей, мне трудно отделаться от впечатления, что по крайней мере в этой вселенной вероятностный аспект многомировых интерпретаций остается точкой напряжения.

При этом притягательность многомировых интерпретаций – в их концептуальной простоте и отсутствии каких бы то ни было подпорок для придания им смысла: нет никакого разделения мира на квантовые системы и классические приборы, никакого коллапса, никакой, само собой, проблемы измерения. Зато есть бескомпромиссная логика: мир в точности отвечает волновой функции, подчиненной фундаментальному уравнению. Эту идею можно было бы назвать минималистской в том смысле, что, приняв ее, не нужно придумывать дополнительные правила, постулировать существование классических приборов, проводить раздел Гайзенберга и изобретать какие-то объяснения коллапса – не нужно плодить сущности сверх меры. Однако «сущности» в виде неограниченного изобилия параллельных миров – это сверх меры или нет?

Идея многих миров, которой посвящена глава 11, возникла из предположения, что «склад возможностей» в виде волновой функции – самое главное, что есть в мире, да собственно, и является миром в полном смысле слова. Никакие возможности не пропадают, и «все, что записано» в волновой функции, реализуется (где-то). Таким образом удается снять проблему измерения и коллапса волновой функции – не изобретая для этого ничего сверх уже придуманного, т. е. самой волновой функции и уравнения Шрёдингера. Другое дело, что потребовалось немалое число вселенных.

Есть и иной вариант, тоже позволяющий обойтись без изобретения лишних сущностей. Для этого надо направить мысль в диаметрально противоположном направлении – как можно дальше от полноценной реальности волновой функции. Кто вообще сказал, что надо относиться к ней так серьезно? Что, если она описывает не физический мир, а только наши представления о нем?

Эта школа мысли до некоторой степени восходит к Бору, чей философский натиск сопровождал развитие квантовой механики с самых первых лет. Правда, задним числом его рассуждения не всегда выглядят безупречными логически. В споре с Эйнштейном, который говорил, что волновая функция дает неполное описание природы, Бор твердо заявлял, что полное; но если так, то не является ли волновая функция объективной? Однако одновременно Бор полагал, что за ней не стоит какая-либо реальность. Во всей схеме квантовой механики он был склонен видеть в первую очередь символическое, а вовсе не наглядное представление о мире. Эти его идеи шли даже дальше собственно квантовой механики: на всю физику Бор предлагал смотреть не как на изучение чего-то априорно заданного, а только как на развитие методов для упорядочения и систематизации человеческого опыта.

С этим последним полностью согласны современные разработчики комплекса идей, известных под названием кьюбизм – не кубизм, и даже не «квантовый кубизм», а именно QBism, где первая буква указывает на квантовость, а вторую принято тоже писать заглавной. В ранних версиях она обозначала байесианизм – группу методов в теории вероятностей; исходно кьюбизм воспринимался как расширение теории вероятностей, но потом перерос эти рамки, и сейчас считается, что лучше всего никакого значения букве B не придавать. Кьюбисты, однако, идут сильно дальше Бора, декларируя при этом свою верность раз провозглашенным принципам и избегая логических ловушек, в которые так огорчительно часто попадает «квантовая механика из учебника» (согласно которой, например, классический мир оказывается необходим для придания смысла квантовому).

Вместо этого кьюбисты последовательно полагают, что все в мире квантовое (с одним только важным замечанием, к которому мы вернемся совсем скоро). Но при этом квантовая механика описывает не объективный мир, а личный жизненный опыт агента в его взаимодействии с миром. Да, «агента» – раньше мы называли его наблюдателем, но сейчас так говорить неловко, потому что это слово указывает на пассивную роль, тогда как в действительности наблюдатель (агент!) взаимодействует с миром. А поскольку каждое взаимодействие в той или иной мере взаимно, агент по мере накопления опыта влияет на те системы, которые он «наблюдал».

В центре кьюбизма лежит именно приобретаемый во взаимодействиях опыт агента. Волновая функция для кьюбиста – что-то вроде записной книжки агента, которая нужна, чтобы упорядочивать этот опыт для более успешного взаимодействия с миром: она помогает ему делать предсказания, управлять происходящим и разбираться в нем. Волновая функция – в голове, а потому, понятно, у каждого агента она своя собственная, субъективная. В таком случае, разумеется, волновые функции не реальны и не описывают реальные физические системы. Это вообще что-то личное – почти как содержимое вашего смартфона, имеющее отношение только к вам. Более формально, волновая функция очень близка к информации – а информация может быть очень разной у разных агентов.

Физический мир – даром, что ли, на квантовом уровне он не подлежит непосредственному наблюдению – отодвигается подальше от агента, за слой того, что агент зафиксировал как свой опыт. При этом агент знает, что все, с чем он взаимодействует и благодаря чему и приобретает опыт, – квантовое, и там правит случайность. Не может утверждать такое он только про себя самого, ведь он не наблюдает сам себя. Итак, весь мир квантовый за исключением самого агента. Для вас (в смелом, но не невозможном предположении, что вы кьюбист) весь мир, включая всех остальных людей, подчиняется квантовым правилам, а для любого другого «агента мирового кьюбизма» вы – объект в числе прочих квантовых объектов в квантовом мире.

В этом-то квантовом мире, исполненном случайности, каждый агент и желает ориентироваться как можно лучше. Здорово, что нашлось средство, обеспечивающее это «как можно лучше»: аппарат квантовой механики и, прежде всего, волновая функция. На ее основе предлагается делать предсказания, руководствуясь правилом Борна. Оно, как мы помним, сообщает, как извлечь из волновой функции вероятности различных исходов, наступающих, когда квантовая система подвергается какому-либо измерению. Мы думали, что это закон природы (пусть и с противоречивым предписанием по поводу того, что такое измерение), но в кьюбизме это невозможно: в законе природы не может быть задействована волновая функция, которая сама – всего лишь конструкция в голове у агента!

Правило Борна поэтому – не закон природы, а эмпирически мотивированный (т. е. достаточно успешный на практике) способ рассуждений, которому мудрый агент должен следовать ради своего же блага. Не надо искать законов природы, каким-то образом определяющих «объективные» вероятности тех или иных исходов; развитие мира во времени вообще не определяется каким-либо механизмом. Правило Борна становится нормативным: если агент действительно хочет успешно ориентироваться в мире, то вместе с волновой функцией ему следует пользоваться этим правилом для нахождения вероятностей. (Аспект «успешности» подчеркивается, в частности, в заглавии одной из программных кьюбических статей: «QBism: квантовая теория как настольная книга героя»{46}.)

Но если вероятности, на практике извлекаемые по правилу Борна, не могут относиться к природе, то что же они тогда выражают? А что вообще такое вероятность? Здесь открывается поле для обсуждений. Желая проверить то или иное утверждение о вероятности события X среди возможных событий A, B, …, X, Y, Z, мы производим серию испытаний, из которой узнаем частоту появления этого X – например, 0,00493 или 0,00509 от общего числа испытаний. Равна ли эта частота вероятности? Конечно нет, отвечают кьюбисты, потому что в любой конкретной серии испытаний мы можем случайно обнаружить больше или меньше – или даже аномально много или аномально мало – событий X; а попытка объявить «аномальные» серии маловероятными оборачивается хождением по логическому кругу{47}.

Что же представляют собой борновские вероятности для кьюбиста, если это не проявление законов природы, да и вообще не частоты выпадения событий? Вот что: степень личной убежденности агента. Другими словами – готовность агента держать пари, т. е. ставить свои деньги. Здесь момент истины для кьюбистов: такой взгляд на вероятность возвращает ее к истокам, к ее первоначальному значению! Основы теории вероятностей разработал Паскаль, а мотивировкой и заодно первым полем приложения его изысканий были азартные игры, где осознанная решимость поставить деньги играет не последнюю роль.

Кьюбисты признают, что представления об «объективности» квантовых вероятностей глубоко укоренились в нетренированных умах – по той удручающей причине, что выводы из предшествующих наблюдений начинают невольно восприниматься как законы природы. Поэтому для всякого обратившегося в кьюбизм тем более важно «субъективно-азартное» осознание вероятностей: это не предметы или вещи вроде камней или деревьев, о которые агент может удариться, а, по сути, ощущения, внутренние оценки.

Этот субъективный взгляд на вероятности распространяется даже на события, вероятность которых равна единице (т. е. 100 % в чуть другой номенклатуре); их, вообще-то, многие склонны считать «объективными». Но кьюбизм здесь только заостряет свой вызов в отношении реалистической школы мысли в физике, явно или неявно полемизируя с высказыванием из статьи Эйнштейна, Подольского и Розена (см. главу 6). Вопросу о том, что следует считать физической реальностью, там было уделено отдельное внимание. Три автора пишут:

Логика здесь в том, что мы «ничего не делаем», т. е. совсем не влияем на какой-либо объект, но при этом нам известно значение некоторой величины, относящейся к этому объекту. Наше знание гарантированно (в 100 % случаев) подтверждается, а значит, эта величина представляет собой свойство самого объекта, не зависящее от «нас».

Ничего подобного! Стопроцентная вероятность согласно кьюбизму – это просто полная уверенность агента в наступлении какого-либо события или в истинности какого-либо утверждения. Она субъективна, она не сообщает ничего о том, что делается в мире. Стопроцентная вероятность не имеет отношения к реальности уже по той, например, причине, что какой-нибудь иначе информированный агент может, в принципе, присвоить тому же событию меньшую вероятность. Все вероятности – личное дело агента.

Нет сомнений, что кьюбизм огорчил бы Эйнштейна: тот систематически подчеркивал, что физика как наука описывает объективный физический мир, существующий независимо от нас. Кьюбизм же переносит науку ближе к человеческим мыслям и ощущениям. На первый план выходит не то, как физический мир устроен, а то, как мы его воспринимаем. По мнению кьюбистов, такой подход может оказаться плодотворнее, чем голый материализм, при разрешении загадки сознания и «извечной» психофизиологической проблемы соотношения тела и психики человека (впрочем, насколько я могу видеть, конкретно эта тема заметного развития не получила).

И в рамках кьюбизма ничего не стоит объяснить коллапс волновой функции – ее «таинственное» схлопывание в результате измерения. Получив новую информацию, агент просто-напросто учитывает ее в своих прогнозах и приводит волновую функцию в соответствие с новыми данными (вносит изменения в свою записную книжку – или смартфон, если угодно). Волновая функция не реальна, ее коллапс – это перемена в знаниях агента (в информации, которой он оперирует) и поэтому не требует никаких внешних физических процессов для своего осуществления.

Заодно мы понимаем, почему никто никогда не ощущает себя в запутанном состоянии типа того, в котором должна находиться хозяйка кошки, подвергаемой «эксперименту Шрёдингера». Агент не может сам себя поместить в запутанное состояние, потому что он, агент, – центр построения волновой функции, описывающей весь остальной мир. Ну а если кто-то другой, руководствуясь своим опытом и убеждениями, решит описывать вас в запутанном состоянии, то вам решительно нет дела до его представлений, предпочтений и предрассудков; пусть смотрит на вас и думает что хочет.

Осталось выяснить, какой смысл должно приобрести уравнение Шрёдингера, чтобы вся кьюбическая схема была самосогласованной; оно же теперь не может быть законом природы. Вот какой: основное уравнение квантовой механики не выражает развитие свойств системы во времени. Это всего лишь способ, которым пользуется агент, чтобы получить наилучшее представление о своем опыте в будущие моменты времени – опыте, который состоится, если не делать измерение сейчас, а отложить его на потом.

И у кьюбистов очень четкая позиция по поводу измерений: любое измерение – это, разумеется, взаимодействие, а потому вмешательство в систему, которая подвергается «измерению». Вмешательство, конечно, не выявляет предсуществующего положения дел; наоборот, оно создает результат. Все измеряемые свойства возникают во взаимодействии. А если взаимодействия нет, то и говорить не о чем: у непроведенных экспериментов нет и результатов{48}.

Эти идеи распространяются более-менее на всё. Все свойства – результат взаимодействия одних систем с другими, и без/до взаимодействия никаких свойств нет. А взаимодействие чего угодно с чем угодно, собственно, и создает свойства. Способом, не до конца еще проговоренным самими кьюбистами, каждая квантовая система представляется средоточием творческих возможностей, которые готовы проявить себя при взаимодействии системы с внешним миром. Человеческое сознание само по себе здесь не требуется, но каждый одушевленный наблюдатель – а такие как-никак тоже есть, – если он вооружен кьюбизмом, имеет причины гордо смотреть на себя как на агента, совершающего измерения: любое взаимодействие рождает что-то в мире, там возникает некоторое новое качество. В одних случаях агент бывает в высокой степени склонен ожидать определенный результат, в других не имеет конкретных ожиданий, но, так или иначе, квантовые измерения – акты творения{49}. От неопределенности понятия «измерения» в системе копенгагенских взглядов фокус сдвигается в сторону действий агента и накопления его опыта, т. е. получения им информации; квантовая теория в таком случае – это прежде всего интеллектуальное средство, помогающее разбираться в этом приобретаемом опыте.

Зловредные вопросы «квантовой механики из учебника» про коллапс и измерение полностью решены, но при этом кьюбистам оказывается не так просто ответить на некоторые другие. Яркий пример, приводимый в полемике с кьюбизмом, – вопрос, почему горит Солнце{50}. Обычный ответ, в интересующем нас сейчас аспекте, звучит примерно так:

Но для кьюбиста все вероятности – субъективные, они относятся не к тому, что объективно может произойти, а только к возможному будущему опыту агента исходя из его предыдущего опыта и убеждений. Поэтому для кьюбиста квантовое туннелирование, происходящее случайным образом с некоторой вероятностью, – не объективное явление, а степень убежденности! Исходя из этого, оппоненты вкладывают в уста кьюбиста примерно такой ответ:

Кьюбисты, разумеется, отвечают на критику, но это ничуть не мешает оппонентам возобновлять свои нападки с некоторыми модификациями. Поговорить тут есть о чем: наблюдения за миром свидетельствуют, что различные его части в соответствии со своими текущими состояниями развиваются во времени, вступают в обмен (зарядом, энергией и т. п.) и объединяются в структуры; но как же понимать все это, если все состояния – содержимое головы агента?

Кьюбизм сводит применение квантовой теории к прогнозированию личного опыта агента, ничего не заявляя о связи накопленной им информации с опытом кого бы то ни было еще. Но одновременно с этим он исходит из того, что существует независимый от агентов внешний мир. Однако на основе чего можно утверждать, что этот мир – один и тот же для разных агентов? Что два агента вообще говорят об одном и том же? Если квантовая теория сводится к «руководству пользователя», нужному для принятия решений в мире неустранимой случайности, то чем поддерживается единство мира для различных пользователей? Хорошо, пусть даже руководство пользователя; но пользователя чем?

В ответ на упреки в раздробленности картины мира кьюбисты замечают, что цель науки как раз и состоит в том, чтобы организовывать сотрудничество разных людей, которые не только воздействуют на мир каждый сам по себе, но еще и общаются друг с другом, чтобы найти модель, выражающую все общее, что есть в их индивидуальных представлениях о внешнем мире. Но как вообще появляется личный опыт? Он возникает благодаря взаимодействиям агента (или его продолжения в виде приборов) с внешней вселенной; однако, если состояние этой вселенной существует только в голове агента, очень непросто ответить на вопрос, каковы же правила и механизм их взаимного воздействия друг на друга. Личный опыт – это, конечно, важно, но хочется узнать что-то про внешний физический мир.

Для сторонников делящихся вселенных волновая функция – полное описание мира, а мир полностью соответствует волновой функции, из-за чего вселенные и возникают во множестве. Для кьюбистов волновая функция – это информация для личного пользования. И там и там, несмотря на все различия, кроме волновой функции, ничего больше нет; но и там и там остается не очень ясным, как от волновой функции добраться до индивидуальных объектов, живущих в трехмерном физическом пространстве. Уже Бор, кстати, не упускал случая сказать, что квантовые явления нельзя понять в терминах пространства-времени. Желание найти такое понимание, однако, не проходит.

Квантовая механика, надо сказать, сначала попыталась появиться на свет в менее абстрактной форме и в привязке к тому, что происходит в физическом пространстве. За пару лет до ключевых событий 1925–1926 гг. де Бройль пред(по)ложил двойственную природу всех обитателей квантового мира – их склонность проявлять то свойства волн, то свойства частиц. Это сочетание несочетаемого восходит к гипотезе световых квантов Эйнштейна (1905) – идее, которая вообще-то не «взорвала интернет» того времени, хотя позднее и принесла ее автору Нобелевскую премию (1922). Неожиданным выглядел постулат, что свет (электромагнитная волна) делится на дискретные порции, имеющие свойства частиц. Де Бройль увидел в этом проявление общего принципа и провозгласил, что электроны (и вообще все «частицы»), в свою очередь, могут проявлять волновые свойства (например, характерную для волн способность к дифракции).

Обладатель аристократического титула де Бройль размышлял об устройстве мира в относительном уединении, да и Франция, где он жил, не была центром теоретической физики того времени. Он пришел к оригинальной мысли, что квантовые частицы требуют для своего описания особой механики – что в природе существуют и частицы, и волны, причем волны берут на себя управление частицами, заменяя тем самым законы Ньютона. Волна, другими словами, играет роль лоцмана, говорящего каждой частице, какую скорость, включая направление, ей надлежит иметь{51}.

Это не похоже на то, как силы управляют движением тел вокруг нас: главный закон обычной, ньютоновской механики состоит в том, что сила говорит скорости (точнее – импульсу), как ей (ему) изменяться{52}. Когда мы желаем узнать, какую скорость приобретет тело или частица под действием тех или иных сил, мы суммируем накапливающиеся изменения скорости и таким образом находим скорость в каждый момент времени. Но волна де Бройля наделяет частицу скоростью сразу, без возни с накапливающимися изменениями. Для электрона, свободно летящего в пустом пространстве, отсюда получается связь между длиной волны-лоцмана и импульсом электрона: эти две величины обратно пропорциональны друг другу: чем меньше одна, тем больше другая (в таком случае частота волны, наоборот, прямо пропорциональна энергии электрона){53}.

Пользуясь образом волны-лоцмана, де Бройль проанализировал ключевые квантовые эффекты – уровни энергии электрона в атоме водорода и эффект наложения (интерференции) волн, возникающий при испускании фотонов по одному, когда им вроде бы не с чем интерферировать, – и предсказал волновые явления для электронов. (Эти идеи принесли ему Нобелевскую премию уже в 1929 г.; как сформулировал председатель Нобелевского комитета, «в то время, когда ни один известный факт не подтверждал эту теорию, Луи де Бройль утверждал, что поток электронов, проходящий через небольшое отверстие в непрозрачном экране, должен демонстрировать те же явления, что и луч света при аналогичных условиях».) Но при рассмотрении конкретных систем де Бройлю приходилось привлекать какие-то дополнительные соображения, чтобы определить конфигурацию самой волны. В схеме поначалу отсутствовал критически важный элемент – систематический способ находить эту волну, исходя из некоторых общих принципов. Принципы особенно хорошо проявляют себя в уравнениях; требовалось уравнение!

В ноябре 1925 г. идеями де Бройля впечатлился Шрёдингер, который и сформулировал подходящее уравнение, использовав для этого наступившие вскоре рождественские каникулы{54}. В соединении с уравнением для волны-лоцмана теория де Бройля получала шанс стать полноценной версией квантовой механики. В таком виде де Бройль и развивал ее дальше; в программе Сольвеевской конференции 1927 г. его большой доклад стоял в одном ряду с докладами о матричной (Гайзенберг) и волновой (Шрёдингер) механике.

Магистральные направления мысли сливались и разделялись. Волновая механика Шрёдингера потому была в первую очередь волновой, что Шрёдингер убрал из нее дебройлевские частицы. Там осталась только волна; освобожденная от заботы приглядывать за частицами, она и стала волновой функцией; само собой получилось, что для системы из хотя бы двух частей это уже не волна в пространстве; заодно выяснилось, что она ненаблюдаема сама по себе; Шрёдингер затратил значительные силы на попытки «слепить» из нее относительно локализованные образования на замену «выброшенным» частицам, но это, как мы видели, оказалось невозможно. Тем не менее в соединении с идеей о вероятностях (правилом Борна) уравнение для волновой функции приобрело несравненную мощь; Паули добавил туда спин; матричная механика Гайзенберга тоже по существу поместилась в этом уравнении… – в общем, мотор квантовой механики в виде уравнения Шрёдингера заработал на полную мощность. Издержки в виде проблемы измерения и коллапса не слишком смущали.

Де Бройль же, надо сказать, вообще рассматривал свою теорию, даже после появления в ней уравнения Шрёдингера, только как предварительный вариант какой-то более развитой будущей теории. А по итогам дискуссий (в том числе и на Сольвеевской конференции) у многих, в том числе у самого де Бройля, сложилось впечатление, что его частицы становятся препятствием, т. е. не позволяют получить правильный ответ в нескольких сложных ситуациях (изобретенных для этой цели Паули и другими). Не обошлось и без атаки на дебройлевские частицы со стороны Бора в его программной речи, произнесенной на другой конференции, проходившей в сентябре 1927 г. на озере Комо. Де Бройль от своей теории в конце концов отказался.

Про частицы де Бройля забыли. Стандартная квантовая механика осталась, разумеется, с уравнением Шрёдингера, но без частиц, ведомых волновой функцией. Правда, от дебройлевской схемы сохранилось общее правило, универсально применимое к квантовым явлениям: большие импульсы отвечают малым расстояниям, и наоборот, малые – большим. Мы уже встречались с его проявлениями: свет малой длины волны состоит из фотонов с высокой энергией (которая для фотонов пропорциональна их импульсу), а для прощупывания свойств материи на все более малых расстояниях требуются все более мощные ускорители.

Частицы, управляемые волной-лоцманом, в 1952 г. переоткрыл Бом (на этих страницах он мелькнул в самом начале главы 7) – как средство решить проблемы измерения и коллапса на основе происходящего не в абстрактном математическом, а в нашем физическом пространстве. Квантовая механика к этому времени достигла зрелости, было полностью осознано значение принципа неопределенности, и идея добавить в существующую теорию частицы, обладающие вполне определенными положениями и скоростями – другими словами, движущиеся по траекториям, – должна была выглядеть по меньшей мере необычно. Бом же установил, что квантовая механика с добавленными в нее частицами дает те же самые предсказания, что и стандартная квантовая механика; все ее ответы правильные (как выяснилось позже, былые сомнения де Бройля на этот счет были вызваны неточностями и недостаточной развитостью аргументации). А в отличие от стандартной квантовой механики теория Бома предлагала картину того, что происходит в пространстве. С высоты современности, кстати, правильное название – механика де Бройля – Бома, но чаще она фигурирует под именем бомовской механики, отчасти из-за того, что именно Бом показал ее эквивалентность утвердившейся к тому времени стандартной квантовой механике.

Бом, вероятно, рассчитывал на взрывную реакцию квантово-механического сообщества на предложенное им «развитие и внятное объяснение» квантовой механики. Правда, его идеи и сами развивались в непростых условиях. Бома подозревали в симпатиях к коммунизму и арестовали за отказ давать показания Комиссии по расследованию антиамериканской деятельности. Когда он вышел из-под ареста, ему не продлили контракт с Принстонским университетом, из-за чего не состоялось его планировавшееся сотрудничество с Эйнштейном, а вскоре ему пришлось даже уехать из США (для начала в Бразилию), а затем и вовсе отказаться от американского гражданства.

В дебройлевско-бомовской механике, помимо детерминистского уравнения Шрёдингера, движение точечных частиц тоже детерминистское; где же тогда, спрашивается, нашла там приют квантовая случайность, проявляющая себя в измерениях? Вот где. Хотя каждая частица («электрон») находится в определенной точке пространства, неизвестно, тем не менее, где именно. Ключевой постулат состоит в том, что в пространственных конфигурациях имеется «неустранимый люфт»: положения частиц случайны. А именно, если мы воспроизводим одно и то же состояние системы снова и снова, то эти частицы каждый раз начинают с различных положений. Волновая функция одна и та же, но начальная расстановка частиц – нет. А далее дорогу каждой частице показывает волновая функция, и различия на старте ведут к различиям и в последующие моменты времени.

Исходная конфигурация вне нашего контроля, причем различные конфигурации реализуются с некоторыми вероятностями. С какими именно? Здесь никаких сюрпризов: с теми, которые определяются из имеющейся волновой функции по правилу Борна{55}. Не надо только при этом пугать себя и окружающих появлением измерительного прибора, которым сопровождается применение правила Борна в стандартной квантовой механике: на правило Борна предлагается теперь смотреть просто как на математическое предписание, которое извлекает вероятности из волновой функции. Эти вероятности не имеют отношения к измерению; они просто регулируют неустранимый «люфт» в положениях всех частиц при заданной волновой функции.

А далее все складывается в стройную картину. Исходя из вероятностей начальных положений, можно вычислить вероятности, с которыми электрон позднее окажется в той или иной точке; с этими вероятностями, разумеется, его и обнаружит там измерительный прибор, если или когда мы пожелаем сделать измерение. И тут чудесно срабатывает математика: вероятности эти получаются такими же, как если бы мы применяли правило Борна, взяв для этого волновую функцию в момент измерения. От измерительного прибора теперь не требуется никаких чудес вроде нарушения уравнения Шрёдингера: он просто обнаруживает электрон в той точке, куда тот и прибыл под управлением волновой функции; «разброс» по таким точкам регулируется правилом Борна независимо от наличия или отсутствия прибора.

Квантовая случайность получила, таким образом, объяснение как наше незнание о том, где на самом деле находятся частицы в каждом конкретном опыте. Правило Борна, кроме того, удалось отсоединить от измерительного прибора; теперь оно определяет только люфт в начальных конфигурациях частиц.

Заодно решается и проблема «классических приборов», которые в копенгагенское понимание квантовой механики приходится вводить декларативно. В механике де Бройля – Бома всё квантовое. Отсюда, разумеется, проистекает хорошо знакомая нам цепочка событий: если волновая функция электрона исходно выражает комбинацию возможностей, то согласно уравнению Шрёдингера с ней запутывается волновая функция прибора. Конечно, приборов, находящихся в запутанном состоянии, не наблюдается, и мы снова… нет, не наступаем снова на те же грабли, и именно потому, что сейчас кроме волновой функции имеются еще и ведомые ею частицы.

Результат измерения определяется исходя не из волновой функции, а из фактически случившегося актуального положения ручки. Оно определено эволюцией самого прибора из начального состояния; в этом начальном состоянии имелся люфт для конфигурации всех электронов, протонов и нейтронов, из которых состоит прибор. Последующая эволюция под командованием волновой функции привела к какому-то положению ручки в момент измерения. Это одно определенное положение, уж какое получилось, соответствует какой-то одной из ветвей волновой функции прибора{56}.

А другие ветви волновой функции практически исчезают, но не необъяснимым образом, как при пресловутом коллапсе, а по вполне понятной причине. Дело в том, что между различными конфигурациями прибора имеются макроскопические различия (роль прибора, собственно, и состоит в производстве и демонстрации таких различий); поэтому ветвь волновой функции, которая отвечает ручке в положении 1, ничтожно мала в пространственной области, которую занимает ручка в положении 2. Вообще все ветви волновой функции, кроме одной, которая отвечает случившемуся положению ручки, оказываются фактически неотличимы от нуля. Это выглядит как «коллапс» волновой функции, но происходит на основе уже заложенных в теорию механизмов – в зависимости от того, где фактически оказались частицы.

Как уже говорилось, Бом установил эквивалентность между этой теорией и «просто» квантовой механикой (небольшого дополнительного внимания в теории де Бройля – Бома требует спин, в отношении которого возникает зависимость от процедуры его определения, но и здесь теория последовательна и адекватно описывает наблюдаемые явления). Существенную роль при этом играет требование, что начальное распределение положений частиц подчинено правилу Борна. Получилась ли наконец наглядная картина квантового мира? Оказывается, есть «мелкий шрифт».

Для начала может показаться слегка «подозрительным», что бомовские частицы никак не взаимодействуют между собой. Действительно, они слушают только то, что говорит им волновая функция, а друг друга при этом «не замечают». Не оказывают они и обратного воздействия на волновую функцию: отношения с ней остаются односторонними. Заодно получается так, что возможные траектории движения электрона, стартующего из различных точек под управлением одной и той же волновой функции, никогда не пересекаются! Эти траектории можно при желании воспринимать как математически прочерченные «борозды» – независимо от того, следуют по ним электроны или нет. Хотя все борозды, кроме одной, оказываются пустыми при каждом конкретном воспроизведении одной и той же ситуации, все равно можно считать эти борозды (почти) реальными: по существу, они представляют различные варианты развития событий, а заполнение конкретной «борозды» частицей можно воспринимать просто как способ выделить один из вариантов. По этой причине от сторонников многих миров (возглавляемых в данном случае Дойчем) можно услышать, что бомовская механика – это многомировая интерпретация «в хроническом отказе», т. е. в состоянии отрицания очевидного, а именно того, что в глубине души она многомировая. Я не буду углубляться в доводы, которые «бомовцы» не просто приводят в ответ, чтобы показать, в чем «эвереттовцы» здесь неправы, но и используют для встречного иска к многомировым интерпретациям; есть более важная тема.

Наглядность бомовских частиц – только кажущаяся, они не подобны обычным частицам, которые нам легко себе представить. Это становится видно, если внимательнее посмотреть на результаты измерений, которые над ними можно проводить. С первого взгляда в бомовской механике вроде бы царит скрытый от глаз, но все-таки реализм: у частиц есть и положение, и скорость. Однако в действительности только измерения положения выявляют, где электрон находился до измерения. Этот параметр «виден извне» (не инкапсулирован, выражаясь программистским языком). Но для всех других величин – энергии, спина и даже скорости – результат измерения не совпадает со значением, приписанным бомовской частице; эти значения остаются «внутренней бухгалтерией», тогда как результат измерения зависит от того, каким образом измерение совершается – какая используется процедура или/и прибор{57}. В ряде ситуаций для той или иной величины (например, энергии) может вообще не быть значения до измерения. Здесь нет никакого надувательства и ничего таинственного: то, каким образом результат зависит от способа измерения, всегда следует из заявленных правил механики де Бройля – Бома. Именно в силу этих правил зависимость от процедуры (как говорят, контекста) непременно имеется.

Необычность квантового мира никто не отменял, и «бомовский» электрон совсем не похож на «обычный шарик, только очень маленький». Один из уроков интерпретации де Бройля – Бома – в том, что на квантовом уровне «локальные существователи» не могут копировать то, как существуют и что делают объекты в привычном нам мире, даже если они «очень стараются» и представляют собой локализованные точечные частицы.

Есть и другие уроки. Для «объяснения» квантовой механики на уровне происходящего в физическом пространстве, а не среди абстракций, потребовалось постулировать что-то (частицы со всеми их свойствами) в дополнение к волновой функции. Это – пример скрытых переменных, или, по установившейся терминологии, «скрытых параметров»: величин, которые предположительно заведуют тем, как устроен мир в дополнение к тому, что описывает волновая функция сама по себе. Их возможное существование обсуждалось, как мы упоминали, уже в дебатах Эйнштейна и Бора в первые годы построения квантовой теории. Эйнштейн неизменно считал, что какие-то скрытые параметры в глубине мира найдутся (а пока они нам неизвестны, имеющаяся квантовая теория неполна), большинство с ним не соглашалось.

Как в эпоху зрелости квантовой механики, в 1950-е гг., участники прошлых дебатов отреагировали на наглядную демонстрацию того, что ее свойства можно объяснить через скрытые параметры?

Еще в 1932 г., едва квантовая механика набрала обороты, проблему скрытых параметров затронул фон Нейман. Вопрос о возможном существовании скрытых параметров «где-то в самой глубине мира» маячил в повестке дня, потому что квантовая механика работает в некотором роде как не слишком дружелюбный оракул: дает предсказания (в отношении вероятностей, естественно) на основе волновой функции – абстрактной конструкции, живущей в математическом пространстве, – но не сообщает, каким образом предсказания сбудутся за счет чего-то, происходящего в обычном пространстве, где живем мы.

Никаких средств экспериментально обнаружить существование скрытых параметров или установить их отсутствие не предвиделось; поэтому фон Нейман взялся за этот вопрос теоретически.

Об интеллекте фон Неймана в неизменно превосходной степени отзывались люди, которые сами были далеко не рядового уровня; говорят о его IQ на уровне 200. Свидетельства трех нобелевских лауреатов: «Джонни способен делать вычисления в уме в десять раз быстрее меня. А я могу их выполнять в десять раз быстрее вас, так что сами судите, насколько Джонни крут» (Ферми); «Создавалось впечатление, что перед вами идеальный инструмент, все передаточные механизмы в котором подогнаны так, чтобы соответствовать один другому с точностью до тысячной доли дюйма» (Вигнер); «Я иногда задавался вопросом, не указывает ли такой ум, как у фон Неймана, на высший вид по сравнению с видом людей» (Бете). Скончавшийся в возрасте 53 лет фон Нейман внес существенный вклад в теорию множеств, теорию игр, теорию операторов, эргодическую теорию, геометрию и, само собой, квантовую механику, а кроме того, участвовал в Манхэттенском проекте и сыграл ключевую роль в создании первой цифровой вычислительной машины (ваш компьютер по-прежнему основан на «архитектуре фон Неймана»). При этом «вечеринки дома у фон Неймана устраивались часто, имели известность и продолжались долго» (Халмош){58}.

В 1932 г. фон Нейман опубликовал книгу, посвященную тому, какая в точности математика лежит в основе квантово-механического «оракула». Собственно говоря, приобретший значительное влияние труд фон Неймана и стал воплощением этого оракула: содержание квантовой механики во многом сводилось в книге к происходящему в абстрактных математических пространствах. Исходя из действующих там «правил игры», в которые фон Нейман глубоко вник, и предлагалось понимать все, что подлежало пониманию. Показательна аннотация к русскому переводу книги (1964), где сказано, что она

Среди прочего фон Нейман задался там вопросом, в какой мере математическая схема квантовой механики допускает внесение в нее дополнительных подробностей, выраженных дополнительными величинами – «скрытыми» с точки зрения имеющейся теории. Вопрос был не праздным, потому что в развитую теоретическую схему бывает совсем не просто внести существенные добавления, не нарушив ее логической структуры.

Не самую главную теорему, доказанную в книге фон Неймана, многие восприняли как утверждение, что скрытых параметров не бывает: что к имеющейся математической схеме квантовой механики просто нельзя добавить никаких уточняющих подробностей{59}. Сочетание слов «фон Нейман» и «доказал» производило магический эффект, и общественное мнение сочло вопрос о скрытых параметрах закрытым. Невозможность скрытых параметров воспринималась еще и как дополнительный аргумент в поддержку стандартной формулировки квантовой механики, как окончательная точка в споре с Эйнштейном (см. здесь). На этом фоне в 1935 г. статья Эйнштейна, Подольского и Розена о все-таки существующих указаниях на неполноту квантовой механики (см. здесь) прозвучала не слишком громко и была воспринята в основном как «еще одна» попытка Эйнштейна вернуться к «уже решенному» вопросу.

А затем последовала Вторая мировая война, и почти сразу оказалось, что попытки отдельных любопытствующих энтузиастов разобраться в устройстве материи на фундаментальном уровне – больше не удел этих энтузиастов, а дело государственной важности, потому что в их руках оказалась ядерная энергия и проектирование ядерного оружия. Количество людей, изучавших квантовую механику, возросло на порядки, и каждому было чем заняться. Они и занимались, не без успеха применяя «оракул»; задавать попутные вопросы о смысле было и некогда и, согласно господствовавшему умонастроению, контрпродуктивно: ответ на них (если использовать формулировку, отчеканенную несколько позднее) подразумевался в виде, близком к «заткнись и вычисляй». На этом фоне представление о (ненужности и) полной невозможности скрытых параметров оставалось общим местом.

Но, как мы видели в предыдущей главе, в 1952 г. «невозможное» сделал возможным Бом. Он показал, что квантовая механика с частицами, получающими команды от волновой функции, в точности воспроизводит предсказания «оракула». Причем это была теория со скрытыми параметрами: наличие случайности объясняется в ней нашим незнанием о том, где в точности находятся локализованные частицы.

Действительно ли обнаружился контрпример к теореме фон Неймана, т. е. конструкция, опровергающая теорему? В каждой теореме есть посылки – положения, из которых исходит ее доказательство. Если они не выполняются в какой-либо ситуации, то теорема к этой ситуации просто неприменима. В доказательстве фон Неймана ошибок не нашлось, но с условиями он, пожалуй, перегнул палку – потребовал, чтобы скрытые параметры удовлетворяли очень жесткому ограничению. Дебройлевско-бомовская механика и не думала ему соответствовать и поэтому не попала под запрет, налагаемый теоремой.

Этот последний факт сразу же осознали лидирующие фигуры, такие как Гайзенберг, Паули, да и сам фон Нейман, – но, странно или нет, энтузиазма по поводу бомовской механики не выразили. Высказывались претензии двух основных типов: эстетически-философские и технические. Первые касались непроверяемости существования бомовских частиц: если все построения с ними дают те же результаты, что и без них, то к чему лишние нагромождения? Предлагаемые на их основе решения проблем измерения и коллапса не выглядели ценными в рамках взглядов, которые позднее обозначили как копенгагенские; перманентная нерешенность этих проблем не считалась там проблемой.

«Технические» же претензии парадоксальным образом концентрировались вокруг того, что бомовская механика нарушает условия теоремы фон Неймана – хотя из теоремы как раз и следует, что без нарушения этих условий скрытые параметры невозможны! Ключевое условие теоремы состоит в том, что значения скрытых параметров непосредственно выражают значения физических величин, получаемые при измерениях (измерение, следовательно, выявляет уже имевшееся значение этой величины); такие скрытые параметры и невозможны согласно теореме. Но бомовская механика именно это условие и нарушает. В ней значения скрытых параметров, относящихся, скажем, к скорости, не проявляют себя в измерениях – они представляют собой «внутренние» свойства, которые непосредственно в наблюдениях/измерениях недоступны! Только для положения в пространстве нет никакой «внутренней бухгалтерии»: измерение положения частицы всегда показывает значение этого параметра, уже приписанное частице. Но измерение и скорости, и энергии требует указания процедуры, и результат зависит от этой процедуры, а не считывается непосредственно со значений скрытых параметров. Неодобрение Паули и Гайзенберга вызывало еще и вытекавшее отсюда отсутствие симметрии между положением и скоростью (импульсом). Мне трудно полностью избавиться от ощущения, что такая реакция хотя бы отчасти была мотивирована их приверженностью стандартной (впоследствии названной «копенгагенской») квантовой механике.

Имелась, конечно, стоящая отдельно ото всех фигура, на которую Бом с самого начала не мог не рассчитывать. Еще в первые годы после создания квантовой механики Эйнштейн высказывался о желательности ее дополнения. Он, в частности, полагал, что проявления случайности в квантовом мире должны быть результатом взаимодействия каких-то неучтенных факторов, что в глубине природы все-таки властвует причинность, а индетерминизм просто отражает наше незнание о том, что там происходит.

Эйнштейн успел познакомиться с бомовским предложением – однако отозвался о нем как о «слишком легковесном». Не получив поддержки даже в виде «особого мнения» Эйнштейна, бомовская механика не только не произвела сенсацию, но и отошла на второй план, оттесненная копенгагенской интерпретацией. Основная масса физиков восприняла реакцию ведущих ученых как дополнительное свидетельство в пользу «копенгагена». И далеко не все были готовы вникать в математические детали на том уровне, на котором писал фон Нейман (тогда было и правда много других дел).

На этом фоне произошла странная метаморфоза: на уровне «фольклора» только укрепилось мнение, что, как бы там ни было, «фон Нейман доказал» запрет на скрытые параметры. Например, приведенная выше выдержка из аннотации к переводу его книги продолжается так:

Только в середине 1960-х гг. раздался возмущенный голос Белла. Он знал, в изложении других ученых, о теореме фон Неймана как о «запрете на скрытые параметры», но одновременно видел контрпример к ней в лице бомовской механики. Однако разобраться в теореме ему мешало незнание немецкого, на котором – в другой эпохе, на тридцать лет ранее – писал фон Нейман. В конце концов, после промедления в несколько лет, Белл попросил одного друга сделать для него перевод на английский. Поскольку Белл уже был немало раздражен логической несуразностью копенгагенской интерпретации, а теоремой фон Неймана часто сопровождали рассуждения в ее поддержку, Белл обрушился на теорему с обвинением в ошибке в одном из условий – том самом, которое требует, чтобы значения скрытых параметров, приписанных частицам, напрямую выражали бы результаты измерений, проводимых над этими частицами.

Мало кто в то время знал, что теорема фон Неймана подверглась критике с точки зрения ее посылок – причем критике, по-видимому, даже более точной, чем белловская, – уже через год после ее опубликования. Херманн, бывшая математиком по образованию и по предыдущим занятиям и одновременно профессионально интересовавшаяся философией, написала критическую статью, включающую анализ того самого условия теоремы, которое позднее подверг разгрому Белл. Херманн не стала публиковать статью, но отправила рукопись, в частности, фон Нейману и Дираку; ее читали также Гайзенберг, Бор и фон Вайцзеккер (который написал ответ от имени Бора). Саму Херманн в первую очередь интересовал индетерминизм и (не)возможность его «изгнания» с помощью скрытых параметров. Два года спустя (в 1935 г.) она вернулась к этой теме в двух публикациях. Первая вышла в малозаметном для физиков философском журнале и содержала немало специализированного философского материала. Во второй от критических утверждений в отношении теоремы фон Неймана осталось не так много. Надо сказать, что примерно в это время Херманн была деятельным участником семинаров Гайзенберга, который в своих мемуарах пишет о дискуссиях с ней с участием фон Вайцзеккера, но не упоминает обсуждения теоремы о скрытых параметрах. Насколько можно судить, оценка существенности критики теоремы фон Неймана существенно зависит от того, придавать ли ее условиям лишь техническое значение, в точности следуя развитию аргументации в его книге, или же понимать их в каком-то смысле расширительно и даже «мировоззренчески»{60}.

Как бы то ни было, Белл пошел сильно дальше Херманн и со временем стал называть теорему фон Неймана «даже не неверной, а просто глупой»; лучшее, что с ней, по его мнению, можно было сделать – навсегда о ней забыть. Кстати, статью Белла о бомовской механике и о том, как она «опровергает» теорему о скрытых параметрах, саму забыли – потеряли в редакции журнала, куда он отправил ее для опубликования. Она нашлась через два года, редакции удалось разыскать автора, хотя указанный обратный адрес перестал быть актуальным, и в конце концов статью напечатали. В результате эта «первая» статья Белла вышла в свет после его «второй» статьи, которая стала продолжением его размышлений о скрытых параметрах и которая, видимо, принесла бы ему Нобелевскую премию, проживи он достаточно долго.

Белл предъявлял бомовскую механику в качестве успешной «не-копенгагенской» альтернативы, дающей, более того, объяснение квантовых эффектов в терминах локальных объектов, существующих в физическом пространстве. Критика «глупой» теоремы фон Неймана стала частью его крестового похода против засилья копенгагенской интерпретации – засилья, определившего, по его мнению, отсутствие интереса к бомовским идеям.

Но ведь не «копенгагенскими» же соображениями еще в начале 1950-х гг. руководствовался Эйнштейн, также не впечатлившийся бомовским изобретением! По всей видимости, реакцию Эйнштейна определила нелокальность – действие на расстоянии. Для него принципиальным было положение специальной теории относительности о том, что имеется максимальная скорость распространения любого сигнала (она же, по совместительству, скорость света в пустоте). Наличие максимальной скорости запрещает мгновенное действие на расстоянии. Но оно несомненно в бомовской механике. Волновая функция, которая сообщает электрону, какую скорость ему надлежит иметь в такой-то точке, описывает не отдельный электрон в системе, а всю систему целиком; и стоит только обнаружить другой, удаленный электрон в той или иной конкретной точке, как учет этой информации в волновой функции может изменить указания, которые от нее получает выбранный электрон{61}. Для волновой функции передавать таким образом информацию на любое расстояние «легче легкого», потому что сама она не живет в нашем пространстве, но с точки зрения физики в пространстве-времени тут виделась проблема.

А можно ли действительно передавать таким способом «сверхсветовые СМС»? Все-таки нет, и причина довольно изящна. Хотя определение положения электрона в удаленной точке и правда вызывает изменение волновой функции, управлять этим положением экспериментатор не в силах – оно оказывается случайным. Поэтому у удаленного экспериментатора нет ничего похожего на телеграфный ключ, чтобы по желанию передать через волновую функцию информацию «электрон в области 501» или «электрон в области 502», в соответствии с которой «наш» электрон приобрел бы скорость, например, вверх или вниз, и мы, исходя из этого, получили бы один бит сверхсветовой информации. И более того, когда волновая функция изменяется, реагируя на то, где оказался удаленный электрон, точное положение «нашего» электрона по-прежнему неизвестно и продолжает регулироваться вероятностями, считываемыми с волновой функции. Это лишает нас средств оценить тот факт, что указания, получаемые бомовскими частицами со стороны волновой функции, внезапно изменились, откликаясь на удаленное событие.

Нелокальность в таком «деликатном» варианте, не допускающем сверхсветового обмена сигналами, вообще характерна для квантовой механики – это выяснилось в ходе дальнейшего развития, запущенного «второй» статьей Белла и в 2022 г. отмеченного Нобелевской премией. С нелокальностью, не бросающей прямой вызов специальной теории относительности в виде сверхсветовой передачи сигналов, приходится, в общем, смириться.

Но отношения бомовской механики с теорией относительности оказались испорчены «с самого начала» – из-за специфики того, что предлагал Бом. Каждый «электрон» получает значение скорости от волновой функции, зависящей от положения всех других электронов в тот же момент времени. Но в специальной теории относительности понятие одновременности и вообще временной порядок удаленных событий зависят от движения наблюдателя. Мы не замечаем этого эффекта по причине нашей тихоходности, но как только скорости движения становятся заметными по сравнению со скоростью света (или если на доступных нам скоростях выполнять сверхточные измерения), ничего не стоит предъявить наблюдателя А, с точки зрения которого сначала произошло событие 1, а потом (в другой точке) событие 2, и наблюдателя Б, с точки зрения которого сначала случилось 2, а потом 1. В специальной теории относительности это не вызывает никаких логических проблем, но в бомовской механике проблемы немедленно появляются в самой ее основе{62}.

Вообще-то мы не предъявляли требований от имени специальной теории относительности к другим интерпретациям квантовой механики; чем же провинилась бомовская? Действительно, само по себе уравнение Шрёдингера не удовлетворяет требованиям специальной теории относительности и применимо только при скоростях, много меньших скорости света. Но мы относились к этому спокойно, откладывая обобщение на случай больших скоростей на потом. Это не самый плохой образ действий: уточнения, возникающие при учете специальной теории относительности, можно при желании вносить постепенно – таким образом, чтобы после учета каждого следующего уточнения уравнение можно было применять в случае бо́льших скоростей, чем до того.

Но в бомовской механике принципиальные сложности возникают сразу: любое такое уточнение нарушает ее логическую согласованность. Для примирения со специальной теорией относительности бомовскую механику необходимо существенно модифицировать – что оказалось не очень просто, и предлагаемые для этого построения можно в лучшем случае назвать искусственными. «Врожденное» несогласие со специальной теорией относительности, а не нелокальность сама по себе, – видимо, главный дефект бомовской механики.

И тем не менее механика де Бройля – Бома оказалась важной вехой в понимании того, как вообще могут быть устроены скрытые параметры в квантовой теории. Главных урока два. Во-первых, скрытые параметры нелокальны. Во-вторых, они, как говорят, контекстуальны: квантовым величинам, значения которых определяются при измерениях, невозможно назначить эти значения «раз и навсегда» – способом, не зависящим от измерения. Измерение одной и той же величины, проводимое совместно с измерениями других (каждый раз дружественных) величин, может давать различные результаты в зависимости от того, как выбраны эти другие – несмотря на «крепкую дружбу».

Это последнее, надо сказать, – общее свойство квантовой механики, установленное как теорема, причем безотносительно к бомовской модификации. Разумеется, и эта теорема Кохена – Спеккера тоже имеет свои условия{63}. Утверждает же она невозможность «раз и навсегда раздать значения» набору дружественных величин. А именно, если волновая функция живет в пространстве размерности 3 или выше, то включение одного и того же измерения в различные наборы других измерений может приводить к различным результатам для выбранного измерения – и это при отсутствии вражды внутри набора! (В случае размерности 2, как для спина электрона, такого утверждения нет.) Доказательство Кохена и Спеккера было опубликовано в 1967 г., но Спеккер писал, что такая теорема есть, уже в 1960-м; мотивацией для него среди прочего был вопрос о том, распространяется ли всеведение Бога также и на события, которые произошли бы, если бы случилось что-то, чего не случилось.

Наши представления о реальности во всяком случае не распространяются на квантовый мир. Квантовая реальность прячется за результатами измерений, регулируемыми вероятностями. А в каких вообще терминах эту реальность можно было бы понимать? Теорема Кохена – Спеккера показывает, что она весьма необычна уже в силу самой логики квантовой механики. А вывод из дебройлевско-бомовской попытки дать относительно наглядную картину «реально происходящего» в нашем пространстве такой: «происходящее» неизбежно отличается от того, что доступно нам эмпирически.

Можно ли все-таки «подглядеть» в квантовую реальность? Отчасти да – причем благодаря запутанности.

Растянувшийся на десятилетия сериал «Скрытые параметры» в конце концов сценарно слился с запутанностью. Звездой при этом, как и было обещано в более ранних главах, стала запутанность по спину. На нее, как уже упоминалось, обратил внимание Бом в начале 1950-х гг., и поскольку в этом качестве обсуждать запутанность удобнее, все с тех пор так и делают, не говоря уже о том, что именно запутанность по спину стала позднее основным предметом экспериментов.

Вообще-то, как мы видели, спин электрона – «скудное» свойство: результат любого его измерения – всего один бит информации, значение «вперед» или «назад» вдоль какого-то направления в пространстве (глава 7). Но это после измерения; а что насчет спина до него? Здесь мы снова наталкиваемся на неотменяемое обстоятельство, что всякое измерение – это вмешательство. Упражнения с последовательными измерениями спина вдоль различных направлений показывают, что измеренное значение возникает в момент измерения: вылетая из одного прибора Штерна – Герлаха в состоянии «спин вверх», электрон направляется в следующий прибор, где его спин определяется, например, как «влево», а воспоминания о спине вдоль вертикального направления стираются.

А что можно сказать про спин электрона «самого по себе» в каком-то произвольном состоянии? Любое спиновое состояние одного электрона представляет собой комбинацию состояний «вперед» и «назад» вдоль некоторого направления, ничего иного электрон себе позволить не может. Такая комбинация включает в себя два числа: одно для «вперед» и другое для «назад». У нас нет способа извлечь эти числа из волновой функции, но тем не менее в каждом состоянии одного электрона они математически определены. Такие пары чисел, определенным образом зависящие от направления в пространстве, – это и есть спиноры, встречавшиеся нам в главах 7 и 8{64}. Главное в них – математические правила, по которым два числа (две компоненты спинора) изменяются в ответ на повороты в нашем трехмерном пространстве.

Из этих правил среди прочего видно, что всегда найдется такое направление в пространстве, что заданное спиновое состояние электрона с математической точностью перепишется как состояние «вперед» вдоль этого конкретного направления. Это позволяет нам думать, что у каждого электрона, пока его никто не трогает, есть какое-то определенное значение спина – вдоль неизвестного нам направления, но оно есть. Слишком больших проблем с наглядностью и интуитивными представлениями пока не возникает.

Однако все меняется, когда в дело вступает запутанность. Она настойчиво стучалась почти в каждую из предшествующих глав (отчасти вопреки первоначальному плану автора – тем самым еще раз подтверждая свою фундаментальную роль). Запутанность, как мы, в общем, уже видели, – это развитый вариант того «комбинирования» возможностей (суперпозиции в стандартной терминологии), которое лежит в самой основе квантовой механики, но вариант с вовлечением нескольких участников – частиц или просто частей/подсистем. В 1935 г., когда эта идея впервые появилась в статье Эйнштейна, Подольского и Розена (см. главу 6), она воспринималась как достаточно экзотическое свойство, указывавшее по их замыслу на неполноту квантовой механики. Не прошло и пятидесяти лет, как было осознано, что она представляет собой фундаментальное и повсеместное свойство природы.

Запутанность возникает в результате взаимодействия как минимум двух частей, а адекватный язык для описания всего, что с ней связано – волновые функции/состояния. Она выражает необычное взаимоотношение частей и целого: состояние системы в целом полностью определено, но про состояния ее частей ничего определенного сказать нельзя. От такого рода неопределенности и страдает кошка, честно следующая уравнению Шрёдингера в соседстве с адской машиной, запускаемой квантовым образом. Но чтобы не нагромождать лишнего и увидеть запутанность «как она есть», будем тренироваться все-таки не на кошках, а на электронах.

В практическом плане, кстати, намного более популярны не запутанные электроны, а запутанные (тоже по спину) фотоны. Со спином фотонов мы встречаемся в обычной жизни, потому что он проявляет себя как поляризация света; для нее есть две опорные возможности, например «горизонтальная» и «вертикальная» поляризации. Для управления поляризацией имеются разнообразные оптические устройства. Создаются же запутанные фотоны примерно по следующей схеме: в специально подобранном атоме электрон поглощает «затравочный» фотон с определенной энергией/длиной волны, в результате чего он (электрон) занимает состояние с более высокой энергией, но очень скоро отдает избыток энергии – снова в виде света, но только в виде не одного фотона, а двух! Сначала электрон переходит в состояние с промежуточной энергией, а уже оттуда быстро возвращается в свое исходное. Каждое изменение состояния сопровождается излучением фотона. В результате картина получается такой: вещество (обычно это кристалл) поглощает фотон определенной энергии и возвращает два фотона примерно «половинной» энергии каждый. Существенная дополнительная подробность состоит в том, каковы «вращательные» характеристики задействованных здесь состояний электрона в атоме. В главе 4 мы говорили, что в каждом состоянии электрон в атоме обзаводится определенными атрибутами вращения; сейчас важно, что спин излучаемых фотонов участвует в общем балансе сохранения связанных с вращением величин. Состояния выбраны так, что суммарный спин излученных фотонов равен нулю. По отдельности, однако, спины больше ничем не контролируются. Это и означает запутанность по спину.

Запутанное состояние двух электронов создать технически сложнее, но тоже возможно (например, интересным методом «переноса запутанности»: каждый из электронов излучает по фотону таким образом, что запутывается с этим фотоном, а далее специальная процедура измерения, которой подвергаются два фотона, реорганизует запутанность так, что она «высаживается» на электроны). Технологические усовершенствования продолжают появляться, и запутывать удается все более крупные молекулы, но в фокусе нашего внимания сейчас не технологии (которые могли бы стать предметом отдельного рассказа), а принципиальные моменты; мы будем в основном представлять себе электроны.

Запутанное (точнее, максимально запутанное) по спину состояние двух электронов – это комбинация двух частей:

В каждой скобке сначала указано спиновое состояние электрона № 1, а затем – электрона № 2. Минус, соединяющий две части волновой функции, можно при желании не отличать от плюса, который почти всегда появлялся в подобных выражениях в предыдущих главах, – различия есть (знак плюс приводит к некоторым математическим усложнениям), но совершенно вторичны с интересующей нас сейчас точки зрения; я продолжу использовать минус, чтобы волновая функция в моем пересказе ничем не отличалась от настоящей, математической.

Глядя на это состояние двух электронов, о спине электрона № 1 нельзя сказать, направлен ли он вверх или вниз; волновая функция содержит обе эти возможности. В точности то же верно и в отношении электрона № 2. Но при этом спины двух электронов коррелируют: в каждой из двух частей волновой функции их спины противоположны.

Это очень неклассическая ситуация: организовать что-либо подобное с обычными предметами невозможно. Развлеките гостей нехитрым фокусом: в двух коробках лежит по игральной кости; открывая коробки, они обнаружат, что две кости смотрят вверх противоположными гранями: если на одной 1, то на другой 6, если на одной 2, то на другой 5, а если на одной 3, то на другой 4. При подготовке «фокуса» вам придется выбрать какую-то из возможностей уже в момент помещения костей в коробки; значения, которые показывает каждая кость, будут определены. Они могут быть не известны никому, кроме вашей подруги, разложившей кости по коробкам; но даже если она об этом забыла (или оказалась вне зоны действия сети, не говоря уже о чем-нибудь еще), они все равно определены.

В квантовом же мире в действительности выполнено даже нечто намного более впечатляющее, чем с первого взгляда видно из приведенной выше записи запутанного состояния. Оттуда может показаться, что неопределенность в спинах включает только выбор между «вверх» и «вниз». Однако неопределенность в полной мере распространяется и на направление! Математика спиноров сообщает, что приведенное выше максимально запутанное состояние двух электронов можно эквивалентно выразить многими другими способами, для начала – как

Здесь записано математически то же самое состояние, что и выше, просто в качестве опорного направления выбрано горизонтальное слева направо. Но и это горизонтальное направление ничем не выделено. То же самое состояние можно записать в виде

относительно совершенно любого направления в пространстве. Про индивидуальные спины обоих электронов, другими словами, тут нельзя сказать совсем ничего – кроме того, что эти спины в точности противоположны друг другу.

Картина становится особенно интересной, когда эти два электрона удаляются друг от друга. В том, как выше записана совместная волновая функция двух электронов, нет никаких указаний на их пространственное расположение, но в том-то и дело, что запутанность по спину ничего не знает о положении в пространстве. Мы можем полагать что угодно, например, что два электрона разлетаются в противоположные стороны и уходят достаточно далеко для того, чтобы взаимодействие между ними отсутствовало. Здесь и начинается то самое, что изумляло Эйнштейна с соавторами, а затем и Шрёдингера: взаимодействия нет, но электроны откликаются на возможные измерения над ними согласованно!

Измерим спин, скажем, левого электрона. Мы получим результат «вперед» или «назад» вдоль выбранного направления (направление выбираем мы, как нам заблагорассудится, но какая из двух возможностей явит себя в измерении – вне нашего контроля). Если, для определенности, измерение дало результат «вперед», то, значит, реализовалась первая «половина» (ветвь) волновой функции. После измерения вся волновая функция стала равна этой своей первой половине, т. е. превратилась в «(спин вперед, спин назад)». (Если вы эвереттовец, то вы оказались во вселенной, определяемой этой ветвью волновой функции; если вы копенгагенец, произошел коллапс; и так далее, интерпретация значения не имеет.) Получившаяся волновая функция уже настолько проста, что определяет спиновое состояние каждого электрона по отдельности, и из нее видно, что правый электрон оказался в состоянии «назад» вдоль выбранного направления. Измерение его спина вдоль того же направления гарантированно даст результат «назад»! При этом электрон может быть уже на Луне, а приобретает он такое спиновое состояние мгновенно, как только измерение над первым электроном дало результат «вперед».

А если для левого электрона измерен спин «назад», то правый непременно окажется в состоянии «вперед». И такое согласие имеет место относительно произвольно выбранного направления. Как электронам это удается, если между ними нет коммуникации? Наверное, думаем мы, спины обоих электронов каким-то образом определены, подобно положению игральных костей в коробках, просто мы не знаем, как именно.

Так подсказывает наша неквантовая интуиция, но квантовая механика резко возражает. Чтобы показать, в чем дело, я совсем немного перефразирую пояснения Шрёдингера из статьи, которую он написал как отклик на статью Эйнштейна, Подольского и Розена. Перефразирую, потому что тогда, в 1935 г., обсуждалась запутанность не в отношении спина, а в отношении координаты и скорости (именно в таком виде Шрёдингер в этой самой статье и назвал запутанность запутанностью), а мы договорились обсуждать спин. Итак, Шрёдингер близко к тексту:

Проблема, однако, в том, что «знание двух ответов» запрещено: значения спина вдоль различных направлений враждуют между собой, и квантовая механика не позволяет электрону иметь определенный спин вдоль двух различных направлений одновременно{65}.

Чтобы усложнить для электронов задачу согласования их спинов в момент измерения, можно выбирать направление для измерения спинов, когда запутанные электроны уже в пути. Каким, спрашивается, образом они могут тогда добиться согласованности своих «ответов»? Вариантов два: или координируя свои свойства нелокально, т. е. невзирая на разделяющее их расстояние в пространстве, или же «имея на руках шпаргалку» – заранее зная, какие спины они продемонстрируют вдоль любого направления.

Аналогичную дилемму и обсуждали Эйнштейн, Подольский и Розен в статье, которую чаще всего называют просто ЭПР, по фамилиям авторов. Нелокальность ассоциировалась со сверхсветовой передачей информации, а на это автор теории относительности, с ее максимальной скоростью любых сигналов, готов был согласиться в последнюю очередь: о мгновенном обмене информацией между запутанными квантовыми объектами Эйнштейн говорил как о пугающем потустороннем действии на расстоянии. Тогда остается вариант «шпаргалки»: в момент создания запутанной пары каким-то образом определяются будущие ответы каждого электрона на вопросы о спине вдоль всех направлений. А поскольку в рамках квантовой механики это математически невозможно, приходится заключить, что квантовая механика описывает не все, что происходит, – что она, другими словами, неполна.

Неполнота квантовой механики и была главной темой статьи ЭПР. Ее появлению, как мы уже говорили в главе 6, предшествовал материал в газете The New York Times. Он вышел под хлестким заголовком «Эйнштейн критикует квантовую теорию», или даже, в зависимости от перевода, «Эйнштейн нападает на квантовую теорию». Подзаголовок, правда, гласил, что «ученый и двое его коллег считают, что квантовая механика неполна, даже если она правильна». Но, видимо, подзаголовки уже тогда читала не слишком значительная доля читателей. В массовом сознании запечатлелось, что «Эйнштейн не принимает», что временами, видимо для большей убедительности, превращается в «Эйнштейн не понимает» квантовой механики. Это последнее во всяком случае далеко от истины.

О том, каким мог бы быть механизм действия скрытых параметров и в каких вообще терминах могла выражаться «шпаргалка», не было решительно никаких подсказок. Все эксперименты с запутанностью в течение жизни Эйнштейна, да и Шрёдингера, были обречены оставаться мысленными – т. е. последовательностью рассуждений, опирающихся на теоретические принципы. Второй подзаголовок в The New York Times сообщал, что, по убеждению ученых, полное описание «физической реальности» будет когда-нибудь дано. Это точно отражало точку зрения Эйнштейна, но никакого движения к «полному» описанию физической реальности не происходило, а вопрос о скрытых параметрах оставался достаточно умозрительным; «когда-нибудь» отодвигалось в неопределенно далекое будущее.

Это будущее неожиданно наступило в середине 1960-х гг., хотя и в несколько непредвиденной конфигурации – в той статье Белла, которая не была потеряна. Там предлагалось задать природе такой вопрос, что в ответ она будет вынуждена сообщить что-то о квантовой реальности. Поскольку «разговор» все равно идет на единственно доступном языке измерений и их результатов, изобретение Белла было нетривиальным – и при этом простым по сути. В споре Эйнштейна с Бором о скрытых параметрах симпатии самого Белла изначально были на стороне Эйнштейна:

В своей «второй» статье (опубликованной раньше, чем временно потерянная «первая», см. главу 14) Белл предложил, как в принципе можно проверить, имеется ли у запутанных электронов «шпаргалка» в виде ответов на все вопросы об их спинах – проверить несмотря на то, что нам почти ничего не известно о том, как такая шпаргалка могла бы быть устроена. «Вопросы», как мы помним, задаются путем измерений. Новаторская идея Белла состояла в том, чтобы два электрона получали не одинаковые, а разные вопросы – о спинах вдоль несовпадающих направлений. Он понял, что стоит только запутанным электронам каким-нибудь (любым!) образом зафиксировать свои будущие ответы на вопросы о значениях спина вдоль всех направлений, как неизбежно возникнет ограничение на степень согласованности в их ответах. Ни Эйнштейну, ни Шрёдингеру, ни Бому ничего подобного в голову не приходило.

Как обычно, мы измеряем спины с помощью приборов Штерна – Герлаха (глава 7). Приборов сейчас два – для «правого» и для «левого» электронов (которые мы запутали по спину, а затем дали им разлететься на достаточное расстояние; как всегда, подразумевается, что измерения многократно повторяются на запутанных парах, приготовляемых совершенно одинаково). Если оба прибора ориентированы вдоль одного и того же направления, то их показания будут согласованы (а именно, противоположны) в 100 % случаев. Но если ориентации приборов различаются, то степень согласованности будет меньше: измерению «вперед» в левом приборе относительно выбранного там направления не всегда будет отвечать «назад» в правом приборе относительно выбранного там направления, и наоборот. По мере увеличения угла между ориентациями приборов степень согласованности падает. Если угол равен 90º, то она будет нулевой: когда левый прибор фиксирует «вперед» вдоль своего направления, правый примерно в половине случаев покажет «назад», а в половине «вперед» вдоль своего.

Квантовая механика («оракул» в виде уравнения Шрёдингера и правила Борна) дает определенные предсказания о средней степени согласованности в таких экспериментах. Оракул, как ему и полагается, не затрудняет себя объяснениями, каким же образом электрон узнает о результате измерения над своим собратом по запутанности. Желая, вслед за Эйнштейном, дать такое объяснение, мы и предполагаем наличие шпаргалки – заранее согласованных значений спина вдоль любых направлений. Да, это скрытые параметры, лежащие за пределами квантовой механики, но предположение об их существовании буквально напрашивается и, как кажется, ничему не противоречит.

Предложение Белла, восхищающее своей простотой и эффективностью, состояло в том, чтобы выполнить несколько серий измерений, от серии к серии изменяя ориентацию измерительных приборов. Тогда, оказывается, «шпаргалка», что бы в ней ни было написано, не всегда сможет поддержать ту степень согласованности, которую предсказывает квантовая механика.

Чтобы увидеть, как это получается, прежде всего нужно решить, как в точности определять «степень согласованности». В самом простом случае Белл предлагает посмотреть на вероятности, с которыми измерение спинов дает результат «спин вперед для левого электрона и спин вперед для правого», и, главное, сделать это в трех сериях опытов. При этом используются три направления, которые я на секунду обозначу как a, b, c. В первой серии опытов левый прибор измеряет спин вдоль направления a, а правый вдоль направления c; во второй серии – левый прибор вдоль a, а правый вдоль b; и в третьей серии – левый прибор вдоль b, а правый вдоль c. Вероятность в каждой серии оценивается как частота, с которой случается интересующий нас исход, поэтому серии измерений должны быть достаточно длинными.

Выясняется, что если электроны руководствуются шпаргалкой, то между вероятностями исхода «вперед слева и вперед справа» в этих трех сериях имеется математическая связь вне зависимости от того, чему равны сами эти вероятности! Дело в том, что если спины вдоль различных направлений каждый раз определены с момента создания запутанной пары, то разнообразие возможностей для трех выбранных направлений a, b, c оказывается довольно ограниченным. Имеется всего 8 вариантов, как распределить спины в каждом отдельном опыте{66}. От опыта к опыту электроны могут чередовать эти варианты случайным образом, с некоторыми вероятностями, которые нам тоже неизвестны как часть скрытых параметров – но это и неважно!

В любом случае вероятность исхода «вперед слева и вперед справа» для первой серии не может быть больше, чем сумма вероятностей таких же исходов во второй и третьей сериях. Происходит это потому, что эти вероятности складываются из вероятностей, с которыми электроны выбирают каждый из восьми вариантов. Одни из этих восьми дают, а другие не дают вклад в исход «вперед слева и вперед справа» в той или иной серии, из-за чего между вероятностями, получаемыми в трех сериях, и возникают связи в виде неравенств{67}.

Эти неравенства и называются неравенствами Белла. Они выполнены, если с момента запутывания электроны несут определенные значения спинов вдоль всех направлений (подобно игральным, определенным образом уложенным в коробки костям из главы 15). И выполнены эти неравенства независимо от того, каким изощренным способом электроны раз за разом эти значения спинов выбирают.

Чаще, впрочем, используются неравенства, в которых участвуют не вероятности, а близкая по духу, но другая мера согласованности – так называемый коэффициент корреляции. В таком случае тоже требуется выполнить несколько серий измерений при различных ориентациях приборов и для каждой серии вычислить свой коэффициент корреляции между измеренными спинами двух электронов. Эти коэффициенты корреляции тоже оказываются связанными неравенствами; они известны под именами ученых, которые их придумали, развивая первоначальные идеи Белла, но нередко все их просто зачисляют в класс «неравенств Белла».

Общий смысл неравенств Белла состоит в том, что «степень согласованности» между результатами, опирающимися на изначальные договоренности, не может быть «слишком большой».

А что с «оракулом»? Что говорит квантовая механика как таковая, где электроны описываются только в терминах волновой функции и спин каждого из них в запутанном состоянии, до измерения, не определен? Все те же вероятности и коэффициенты корреляции можно вычислить по правилу Борна и увидеть, выполнены ли для них неравенства. Эти величины, конечно, зависят от углов между направлениями, вдоль которых измеряются спины. И из этих зависимостей видно, что всегда имеются интервалы углов, для которых неравенства Белла не выполняются.

Предсказания квантовой механики, другими словами, нарушают неравенства Белла. Фигурально выражаясь, «оракул» и не думает связывать себя тем, что можно записать в какой бы то ни было шпаргалке; в квантовой механике возможна бо́льшая степень согласованности, чем при «честной изначальной договоренности», выраженной в скрытых параметрах{68}.

Итак, две теоретические схемы – квантовая механика, представленная уравнением Шрёдингера и правилом Борна, с одной стороны, и схема с «честной раздачей свойств», выражаемых скрытыми параметрами, с другой, – дают разные количественные предсказания. Это обнадеживающая ситуация, потому что, измеряя этот количественный показатель в реальном эксперименте, мы получаем шанс узнать, какая из двух схем имеет отношение к природе – если, конечно, такое измерение технологически реализуемо.

Время реальных (а не мысленных) экспериментов настало не сразу. Оно, собственно, наставало постепенно: эксперименты по проверке неравенств Белла выполнялись со все возрастающей точностью и строгостью на протяжении нескольких десятилетий. В основном проверялись неравенства Белла, в которых фигурируют коэффициенты корреляции, т. е. статистика по сериям измерений. Итог этим, уже прошедшим десятилетиям подвела Нобелевская премия 2022 г.

Неравенства Белла в природе нарушаются, причем как раз в такой степени, в какой это предсказывает квантовая механика. Следовательно, происходящее в природе нельзя объяснить локальными скрытыми параметрами – раздачей запутанным электронам значений их спинов вдоль всех направлений в момент создания запутанной пары. Примечательна реакция на это самого Белла, который продолжил приведенное в конце предыдущей главы высказывание такими словами:

Правда, чтобы утверждать такое с уверенностью, надо было «закрыть лазейки» – исключить в принципе возможные физические явления, которые могли бы обеспечить нужное нарушение неравенств Белла при использовании локальных скрытых параметров.

Во-первых, следовало полностью закрыть «коммуникационную» лазейку – передачу сигнала от электрона, первым подвергшегося измерению, ко второму. Для этого требуется, чтобы измерения, производимые над левым и правым электронами, были разделены в пространстве (подальше друг от друга) и во времени (поближе друг к другу) так, чтобы скорости света было недостаточно для передачи информации между измерениями. Это удалось сделать.

Реальные опыты, как уже упоминалось, намного чаще ставились на фотонах, чем на электронах. Для измерений там нужны уже не приборы Штерна – Герлаха, а полярометры, но теоретические различия в устройстве запутанных состояний минимальны, и я продолжу как ни в чем не бывало говорить об электронах. (Опыты с электронами тоже ставили, там имелись свои технологические сложности, но были и преимущества, в первую очередь – надежное детектирование, что было важно для закрытия одной из лазеек; в 2015 г. несколько лазеек были впечатляющим образом одновременно закрыты в эксперименте, где расстояние между запутанными электронами составило 1300 м.)

У коммуникационной лазейки есть и более тонкий вариант – «создание шпаргалки на ходу». Как мы видели, неравенства Белла относятся к ситуации, где используется несколько различных направлений ориентации приборов. В принципе, можно представить себе, что в момент выбора этих направлений какой-то сигнал о сделанном выборе доходит до устройства, создающего запутанную пару, и полученная информация отражается в скрытых параметрах. Эту лазейку тоже закрыли (установки приборов менялись после того, как запутанная пара была создана).

Еще более изощренная лазейка основана вот на каком рассуждении: что, если экспериментатор не свободен в выборе ориентации приборов? В ранних экспериментах переключения между различными ориентациями выполнялись упорядоченно и могли поэтому дать повод для подозрений. В более поздних опытах они управлялись квантовыми генераторами случайных чисел, что по идее гарантирует настоящую случайность. Но если мир управляется скрытыми параметрами, то это же верно и для самих квантовых генераторов случайных чисел – а тогда можно представить себе какую-то общую причину, которая действовала в прошлом и повлияла как на скрытые параметры в момент создания запутанной пары, так и на производство квантово-случайных величин, определяющих ориентацию приборов. Достаточно лишь некоторой степени такого влияния, чтобы скрытые параметры позволили сымитировать квантовую механику, т. е. обеспечить требуемое нарушение неравенств Белла.

30 ноября 2016 г. более ста тысяч добровольцев по всему миру играли в специальную компьютерную игру с целью произвести «как можно более случайный» набор данных, которые затем использовались для выбора установок в приборах. Неравенства Белла нарушались в эксперименте и на этот раз. Если продолжать отстаивать наличие скрытых параметров и управляющей ими общей причины, то следует восхититься тем, как ловко она поселяется в головах нужных людей и каким весьма специальным способом руководит их действиями.

В опытах другого типа для выбора ориентации в измерительных приборах использовался свет от далеких космических объектов, в окончательном варианте – от двух квазаров, находящихся на расстоянии 7,78 млрд и 12,21 млрд световых лет от нас. Ориентации, используемые при измерениях, переключались в зависимости от текущих характеристик света, приходящего от этих двух источников в два телескопа. Снова были установлены нарушения неравенств Белла. Если какая-то прошлая причина все же обеспечивает такое нарушение путем «подтасовки» скрытых параметров, то она должна была действовать в таком далеком прошлом, чтобы влиять на оба квазара. С учетом расстояния между квазарами (а также расширения Вселенной) это прошлое отодвинулось на 13,15 млрд лет назад. Пожалуй, о вселенском заговоре прошлых причин, согласованно действующих на скрытые параметры с целью обмануть экспериментатора, стоит все же забыть.

Все неэкзотические лазейки были постепенно закрыты. Пример экзотической – ретрокаузальность. Она сводится к предположению, что в момент измерения возникает сигнал, который распространяется назад во времени к моменту создания запутанной пары и сообщает об установках приборов, используемых при измерениях. Значения скрытых параметров (содержание «шпаргалки») тогда могли бы подстраиваться под эти установки таким образом, чтобы неравенства Белла нарушались именно так, как велит квантовая механика. Вообще-то передача сигнала назад во времени позволит вам сдать практически любой экзамен с минимальной затратой времени и сил: получите ретрокаузальный сигнал о том, какой билет вам достанется, и подготовьте ответ именно на него. Без колебаний поступайте так при каждой возможности.

Из экспериментов по проверке (нарушения) неравенств Белла, а также из связанных с этим рассуждений, большинство исследователей сделало вывод, что в природе нарушается локальный реализм. В самых общих терминах реализм означает, что объекты обладают свойствами до и независимо от наблюдений, в которых они проявляют эти свойства, а локальность – что любая коммуникация между ними ограничена конечной скоростью распространения сигнала в пространстве, и поэтому удаленные объекты не оказывают друг на друга немедленного воздействия{69}.

На очереди тогда следующая проблема: нарушается реализм или локальность (или и то и другое)? Различные интерпретации квантовой механики указывают здесь на разное, добавляя интриги в вопрос об устройстве квантовой реальности. Проще всего с бомовской механикой (глава 13): там очевидным образом нарушается локальность, но сохраняется реализм (пусть и с оговорками, которые мы обсуждали в конце главы 14; экспериментально установленное нарушение неравенств Белла, кстати, показывает, что нелокальность бомовской механики – не дефект, а необходимость). Забегая вперед: локальность нарушается и в оригинальном «допридумывании» квантовой механики, которое обсуждается в главе 20. Копенгагенскую интерпретацию, видимо, следует интерпретировать таким образом, что в ней нарушается реализм, и это же в общем верно для кьюбизма (глава 12), а кроме того, и для «игры в классики», которая ждет нас в главе 19. Насчет многомировых интерпретаций мнения расходятся: в доказательстве неравенств Белла используются стандартные представления о вероятностях, а там вероятности становятся сложным понятием, поскольку «со стопроцентной вероятностью случается каждый исход», так что сумма вероятностей в некотором роде превышает сто процентов; другое условие, используемое при доказательстве неравенств Белла, – однозначные показания каждого прибора, а с пониманием этого в условиях делящихся вселенных тоже не все просто.

Если высказываться более широко, не слишком погружаясь в детали, то можно сказать, что в определенных обстоятельствах квантовые объекты существуют без некоторых свойств, обзаводясь свойствами только в момент измерения. При этом они демонстрируют нелокальную согласованность этих свойств, обеспечение которой не-квантовыми средствами потребовало бы сверхсветовых сигналов.

Такая картина мира, разумеется, совсем не понравилась бы Эйнштейну. Квантовая механика тем не менее проявила к нему должное почтение, не вступив в прямой конфликт со специальной теорией относительности! Корреляции между запутанными частицами нельзя использовать для отправки сверхсветовых СМС. Причина близка к той, что обсуждалась в связи с бомовской механикой в главе 14: экспериментатор может выбирать только направление, вдоль которого измеряется спин, но не властен над тем, будет ли результатом измерения спин «вперед» или «назад» вдоль этого направления. У экспериментатора, другими словами, нет возможности «нажать на клавишу», которая обеспечила бы одному электрону спин «вперед», из-за чего его запутанный собрат приобрел бы спин «назад» и помощник экспериментатора в другом углу Вселенной моментально получил бы таким образом один бит информации.

Две запутанные частицы демонстрируют нелокальность таким заговорщическим способом, что мы не можем использовать ее для передачи информации. Нет, кроме того, и никакого переноса массы или энергии от одной запутанной частицы к другой. Но корреляция между ними есть!{70}

Относительно недавно стремление понять нелокальность квантовой механики в каких-то «осязаемых» терминах соединилось с теоретическими исследованиями черных дыр в концепцию, вовлекающую Эйнштейна по совсем другому поводу – в связи с мостом Эйнштейна – Розена (на другом языке это «червоточина»/«кротовая нора» в пространстве-времени). В том же 1935 г., когда появилась статья ЭПР, двое из трех ее авторов, вне всякой связи с квантовой механикой, показали, что может получиться из двух черных дыр, соединенных своими «внутренностями» – областями под горизонтом событий. Объект оказывается нелокальным, потому что независимо от того, как далеко друг от друга находятся внешние части черных дыр, наблюдатели, упавшие под горизонт из двух различных областей Вселенной, могут встретиться на этом «мосту». В этой теории немало интригующих подробностей (и сложностей), обсуждать которые сейчас невозможно. В основе идеи лежит мысленный эксперимент, в котором создается чрезвычайно много запутанных пар, после чего по одной частице из каждой пары улетает в одну сторону, а все их партнеры – в другую, и каждая компания под действием собственной гравитации образует черную дыру. Возникшие две запутанные черные дыры и должны представлять собой «червоточину».

В развитие этой идеи делается допущение, что и любая пара запутанных частиц тоже соединена мостом Эйнштейна – Розена, но только таким, который имеет предельно малый (так называемый планковский) масштаб. Нелокальность квантовой механики тем самым понимается буквально как нелокальность, реализуемая в рамках теории гравитации (общей теории относительности). Фактически здесь предлагается новый взгляд на пространство – которое должно быть тогда испещрено этими червоточинами. А следующий логический шаг состоит в том, чтобы рассматривать пространство не как «самостоятельное» явление, а как производный феномен, создаваемый запутанностью – которая, таким образом, приобретает новое фундаментальное значение. Предпринимались, например, усилия по выводу идеи расстояния в пространстве (близко/далеко) из меры запутанности (много/мало). В оптимистическом сценарии подобные идеи могут пролить свет на квантовые свойства черных дыр и даже на квантовую природу гравитации.

Нашлись и более непосредственные способы пустить в дело нелокальный ресурс запутанности. Два из них на слуху, хотя один – благодаря не столько квантовой механике, сколько фантастике, а второй – отчасти (но только отчасти) по причине современного хайпа. Это квантовая телепортация и квантовый компьютер.

Запутанность – своеобразная связь, отличающаяся от привычных взаимодействий посредством сил/полей. Силы, такие как гравитация, ослабевают с расстоянием, но свойство быть запутанным подобного ослабления не испытывает. Силы неизбирательны: притяжение Солнца сообщает одинаковое ускорение и мне, и стулу, на котором я сижу; притяжение Юпитера создает чрезвычайно малое, но тоже одинаковое ускорение для всех соседних предметов. Запутанность же максимально избирательна. Если два электрона запутаны друг с другом, то это касается только их, а не каких-то других электронов по соседству. Это, можно сказать, их личные отношения{71}.

Устанавливается же запутанность через локальный контакт. В самом простом варианте два запутанных объекта рождаются вместе. В более сложном случае так называемой перенесенной запутанности они рождаются по отдельности, но каждый – в запутанном состоянии со своим вспомогательным объектом; эти вспомогательные объекты потом встречаются друг с другом и совместно подвергаются специальному измерению, в результате которого запутанными оказываются два основных объекта.

При этом запутанность – нелокальный ресурс. Такой вывод из нарушения неравенств Белла делается в большинстве интерпретаций квантовой механики, если отбросить экстравагантные возможности типа сигнализации назад по времени. Запутанность представляет собой что-то вроде «моста» между удаленными участниками, хотя этот «мост» и наведен не в физическом пространстве. Однако нелокальность, связанная с запутанностью, не позволяет посылать СССМС – «сверхсветовые СМС», как мы видели в предыдущей главе. У квантовой механики нет априорных причин уважать специальную теорию относительности (согласно которой нельзя передавать сигналы, опережающие свет), но она умело избегает прямого противоречия с ней; в частности, от одного участника запутанной пары к другому не передается энергия.

Возможно, наилучшее приближение к СССМС с использованием запутанности – квантовая телепортация. Это – протокол, т. е. схема действий, приводящих к желаемому результату.

Квантовая телепортация не позволит капитану Кирку мгновенно перенестись вдоль специального луча с планеты, на которую он было высадился, но не нашел там разумной жизни, обратно на свой корабль. Она не позволит сделать это даже одному электрону. Точнее, не позволит сделать это мгновенно, но в остальном она работает не так плохо, если только «луч» – это набор запутанных пар, заранее разведенных между точками отправления и назначения.

Телепортировать на произвольное расстояние – из лаборатории А. в лабораторию Я. – мы будем спиновое состояние электрона. Оно, как всегда, представляет собой комбинацию двух возможностей, потому что спин ничего больше себе позволить не может. Чтобы говорить конкретнее, требуется выбрать какое-то опорное направление; если оно вертикальное, то спиновое состояние выражается как произвольная комбинация двух состояний: «спин вверх» и «спин вниз». Но комбинация состояний совершенно не обязательно означает, что они соединяются просто знаком плюс, как в большинстве примеров из других глав (где это часто вызвано соображениями простоты, а иногда отражает взаимоотношения спиновых состояний, определяемых по взаимно перпендикулярным направлениям). Сейчас в фокусе внимания как раз числа, сопровождающие каждую возможность – которых две, а потому и чисел два, и можно временно называть их ч₁ и ч₂. С математической точностью всякое спиновое состояние можно записать в виде

Передать такое состояние из А. в Я. означает передать точные значения чисел ч₁ и ч₂. Но сделать это прямым способом невозможно по двум причинам (из которых достаточно одной, причем неважно какой, но полезно представлять себе обе). Во-первых, такая передача потребовала бы, вообще говоря, бесконечно много бит информации, потому что эти числа могут записываться с помощью бесконечного количества десятичных знаков после запятой (что означает и бесконечное количество восьмеричных, двоичных – любых). А во-вторых, состояние квантовых объектов – это что-то «глубоко личное», чем они ни с кем не делятся: волновая функция ненаблюдаема, и эти два числа нельзя определить никаким измерением. Даже если откуда-то точно известны вероятности, построенные из этих чисел по правилу Борна (глава 10), восстановить сами числа по ним невозможно{72}; да и установить эти вероятности опытным путем можно только в бесконечной серии измерений, повторяемых с тем же самым спиновым состоянием, а возможности действовать таким образом не предполагается.

И тем не менее мы сейчас в точности перешлем любое спиновое состояние – не зная, каково оно, – используя всего два бита информации, передаваемых по обычному каналу связи (по почте, телефону, телеграфу или по лазерному лучу), а также запутанную пару. Два числа удается отобрать у электрона в лаборатории А. и с математической безупречностью воплотить в состоянии электрона в другой лаборатории Я.

Запутанную пару необходимо заранее создать, а затем отправить одного ее представителя в А., а другого – в Я. Подробности того, как держать запутанных партнеров в изоляции от остального мира, чтобы запутанность не разбежалась по другим объектам, – ключевой практический вопрос для квантовых каналов связи, но мы сейчас сконцентрируемся на принципиальной части. В реальности используют запутанные фотоны, но мы будем по-прежнему иметь дело с электронами; теоретические различия в механизме телепортации с помощью запутанных электронов и запутанных фотонов минимальны (а в отсутствие точных формул и вообще незаметны).

Приготовленная запутанная пара сама по себе никакой информации не несет, точно так же, как не несет ее телефонный провод; информация появится, когда с одного конца «позвонят». Все начинается с того, что в лаборатории А. появляется еще один электрон в каком-то спиновом состоянии – которое хозяйка лаборатории Аня берется передать в лабораторию Я., следуя плану, заранее согласованному с работающим там Яшей.

План наших героев основан на том, что измерение над одним из запутанных партнеров приводит к коллапсу их совместной волновой функции, из-за чего тем или иным образом определяется состояние другого запутанного партнера. Чтобы воспользоваться этим, Аня сначала запутывает электрон-сообщение с имеющимся в ее лаборатории электроном из запутанной пары. Для этого она применяет к этим двум электронам преобразование, позаимствованное из компьютерных наук и называемое «контролируемое отрицание», CNOT. Работает CNOT так: если первый электрон находится в состоянии «спин вверх», то со вторым ничего не происходит, но если первый – в состоянии «спин вниз», то второй переворачивается, его «спин вверх» заменяется на «спин вниз», а «спин вниз» на «спин вверх». Это – определенный вид взаимодействия, вполне в духе «дурацкой игры» в карты из главы 8. Как и там, все самое интересное начинается, когда состояние первого электрона – это комбинация состояний «спин вверх» и «спин вниз»; тогда второй электрон вовлекается в запутанность, и возникает их общая волновая функция, в которую из той комбинации проникают числа ч₁ и ч₂. Это начало их «пути» из А. в Я.

Кроме того, Аня выполняет и некоторую вспомогательную операцию с состоянием одного только электрона-сообщения{73}. Все ее действия не требуют знания того, какие числа фигурируют в конкретных состояниях, потому что осуществляются только с абстрактными состояниями «спин вверх» и «спин вниз»; реализуются они в рамках детерминистской эволюции, происходящей согласно уравнению Шрёдингера.

Запутанное состояние, в котором в итоге оказываются все три электрона, устроено не как «соединение» двух максимально запутанных состояний первого электрона со вторым и второго с третьим из главы 15; в общей волновой функции (она же – состояние) трех электронов восемь частей, каждая со своим числом. Эти числа очень просто связаны с исходными ч₁ и ч₂ (а никаким другим произвольным числам там взяться неоткуда); на этом и основан план наших друзей.

Аня наконец делает измерение над двумя электронами в своей лаборатории, чтобы вызвать коллапс общей волновой функции трех электронов. Электрон в лаборатории у Яши из-за этого тоже вынужден «определиться» со своим состоянием. Совсем простая математика говорит, какие числа могут попасть в состояние Яшиного электрона. Самая радужная надежда наших героев состоит в том, чтобы там появились в точности те же числа, что исходно фигурировали в состоянии электрона-сообщения. Это им почти удается сделать. Неустранимая проблема, однако, в том, что измерение, которое делает Аня, может иметь один из четырех исходов: оба спина вверх, первый вверх и второй вниз, первый вниз и второй вверх, оба вниз.

Если результат измерения у Ани – оба спина вверх, то два числа в волновой функции электрона у Яши будут действительно такие, как были у электрона-сообщения, а это и означает, что Яшиному электрону «передалось» сообщение; его состояние имеет указанный выше вид с точно теми же числами ч₁ и ч₂. Но для трех других результатов проведенного Аней измерения получается так, что в состоянии Яшиного электрона эти два числа или переставлены местами по сравнению с тем, что было в исходном сообщении, или присутствуют с лишними знаками минус. В этих случаях Яша должен выполнить определенную «поправочную» операцию со своим электроном. Каждый раз это снова операция с самими состояниями «спин вверх» и «спин вниз» – не зависящая от сопровождающих чисел. Действительно, если в волновой функции «ч₂ (спин вверх) плюс ч₁ (спин вниз)» переставить местами состояния «спин вверх» и «спин вниз», то результат будет таким же, как если поменять местами два (неизвестных) числа ч₁ и ч₂. Аналогично и с изменением знака: неправильный знак можно поправить, заменив, например, состояние «спин вниз» на минус то же состояние. Таким образом, путем несложных манипуляций с состояниями Яша может добиться, чтобы волновая функция его электрона стала такой же, какая была у электрона-сообщения. Спиновое состояние этого электрона будет тогда телепортировано. Два числа, скрытые в исходном состоянии, останутся неизвестными, но передадутся с абсолютной точностью.

Правда, чтобы «донастроить» состояние своего электрона, Яше надо знать, какой результат из четырех случился у Ани. Узнать об этом можно, только получив от нее отдельное сообщение – скажем, по радио или по телефону. Пока оно не пришло, телепортация не завершена. Электроны из исходно запутанной пары приобрели коррелированные состояния мгновенно, но сведений от Ани придется подождать: это обычный в нашей Вселенной сигнал, распространяющийся самое быстрое со скоростью света. Правда, этот сигнал несет всего два бита информации: он имеет вид 00, 01, 10 или 11 в зависимости от того, какой результат измерения получила Аня. Это всего в два раза длиннее, чем самое короткое возможное сообщение. Ресурс запутанной пары позволил в точности доставить несчитываемую информацию, отправив всего лишь двухбитный сигнал.

Конечно, в стоимость услуг по телепортации входит и работа с запутанной парой – ее предварительное создание и доставка к Ане и Яше. При этом запутанные пары – одноразовый ресурс во всей этой схеме: после измерения запутанность пропадает. В этом проявляют себя общие свойства квантовой механики. Сама по себе запутанность создается и продолжает существовать в согласии с уравнением Шрёдингера{74}. Измерение же нарушает уравнение Шрёдингера (настоящим или кажущимся образом), так что запутанные участники реагируют (коллапсируют) согласованно, но после этого от запутанности ничего не остается. Свои слова об ученике, готовом ответить на любой вопрос, Шрёдингер продолжает замечанием, что это может быть только один вопрос{75}.

Телепортация кошек едва ли предвидится: она потребует заготовки «запутанных чучел», составленных из стольких запутанных пар, сколько электронов (и атомных ядер) в кошке, а в действительности из большего числа, потому что дело не ограничивается спиновыми состояниями: требуется воспроизвести еще и пространственную часть волновой функции. Сообщение о результатах своих измерений, которое Аня отправит по радио, в таком случае должно нести зашкаливающий объем информации порядка 10²⁷ бит (на восемь порядков больше невообразимо большого объема информации в один эксабайт). Впрочем, чтобы дело дошло до формирования этого сообщения, Ане предстоит выполнить не самые простые действия, попарно выбирая по электрону из кошки и из заготовленного запутанного ресурса и запутывая их – и делая это примерно 10²⁷ раз. (Я мог ошибиться на два-три порядка, что совершенно не меняет дела.)

Поучительна при этом гибель кошки-оригинала – не из-за несовершенства технологий, а в силу законов природы. Имеется математически точное и само по себе простое утверждение, что квантовое состояние нельзя скопировать, оставив оригинал в целости и сохранности. Оно известно под выразительным названием «запрет клонирования» или «теорема о запрете клонирования». Копия и оригинал не могут существовать одновременно. Мы видели это на примере телепортации спинового состояния одного электрона. Измерение, которое выполняет Аня, разрушает исходное состояние электрона-сообщения – оно случайным образом заменяется на состояние «спин вверх» или «спин вниз». И кстати, пока сигнал от Ани в пути, Яша не может предъявить копию исходного сообщения; если сигнал пропадет по дороге (по естественным причинам или из-за действий плохих парней), «смерть» исходного состояния окажется напрасной: оно уже никогда не восстановится в другом месте.

Зато в области криптографии – науки о шифровании – законы несговорчивого квантового поведения гарантируют целый ряд «уникальных услуг». Надо только научиться тем или иным образом пересылать одиночные кванты{76}. Запрет клонирования во всяком случае означает, что кто-то третий не может обзавестись копией сообщения, оставив переговаривающиеся стороны в неведении о своем присутствии. Иметь такой запрет на уровне законов природы – уже неплохо, но требуется большее: часто возникающая задача сводится к тому, чтобы две стороны (Аня и Яша в нашем случае) дистанционно согласовали между собой ключ – некоторое достаточно большое число, которое можно использовать для шифровки и дешифровки их дальнейшей переписки по обычному классическому каналу. Как и любое число, его можно представить в виде последовательности нулей и единиц; их, в свою очередь, можно закодировать спиновыми состояниями, скажем «вперед» и «назад» вдоль некоторого направления. В реальности используются не электроны, а фотоны, где вместо спина фигурирует поляризация, но я как ни в чем не бывало буду продолжать говорить об электронах. Итак, как переслать последовательность спиновых состояний от Ани к Яше по открытому каналу связи таким образом, чтобы только они стали обладателями некоторого числа?

Для этого имеется целый ряд изобретений, как с использованием запутанности, так и без нее. Простая схема, заставляющая в очередной раз задуматься об особенностях квантового устройства, такова. Аня готовит электроны к отправке, используя два прибора Штерна – Герлаха: из одного вылетают электроны в спиновом состоянии «вверх» или «вниз», а из другого – в спиновом состоянии «влево» или «вправо». В каждом случае выбор между двумя возможностями квантово-случайный, а Аня, кроме того, случайным образом чередует приборы (т. е. выбирает одно или другое направление, вдоль которого определяется спин). Она выстреливает электронами один за одним, а Яша измеряет спин каждого пойманного электрона вдоль вертикального или горизонтального направления, причем тоже выбирает одно или другое случайным образом. Если Аня приготовила электрон, скажем, № 301 в спиновом состоянии «вверх», а Яша измеряет его спин вдоль вертикального направления, то он определит именно состояние «вверх». Но если он выбрал горизонтальное направление для измерения спина, то он случайным (квантово-случайным!) образом получит результат «влево» или «вправо».

Когда отправка всех электронов завершена, Аня по самому обычному (неквантовому и незащищенному) каналу сообщает Яше, какие электроны она готовила с использованием вертикального прибора Штерна – Герлаха, а какие, наоборот, горизонтального. Яша в ответ сообщает номера тех электронов, спин которых он, по совпадению, измерял вдоль того же направления, которое использовала Аня. Речь идет только о направлении, а не о конкретном результате «вперед» или «назад» вдоль него; но во всех случаях, когда направления совпали, Яша определил в точности то значение спина, в котором электрон приготовила Аня. А это значит, что у Ани и Яши появляется общее знание о спине этого электрона, и они одним и тем же образом выражают эту информацию в виде числа 1 или 0. Перечислив все такие случаи, Аня и Яша становятся обладателями одной и той же последовательности, составленной из нулей и единиц, и получают в результате желаемое число, никому, кроме них, не известное. И это несмотря на то, что они ни от кого не скрывали свой обмен данными об использованных направлениях. (Для передачи информации, а не для формирования ключа, этот метод сам по себе бесполезен именно потому, что производится случайное число.)

Имеется свой способ действий и на тот случай, если третья сторона перехватывает часть квантов, измеряет их спин (вдоль случайно выбранного направления), а затем, пытаясь замести следы своего присутствия, отправляет кванты Яше. Есть также вариант описанной схемы с использованием запутанных пар: Аня оставляет себе одного из запутанных партнеров, а другого отправляет Яше. Затем она случайно выбирает одно из двух возможных направлений для измерения спина своей частицы, а Яша действует, как и ранее.

Возвращаясь к точной передаче спиновых состояний с использованием запутанности, картина может показаться достаточно удивительной, если спросить себя, что именно и в какой момент передается. Стоит заметить, что вообще никакой проблемы не видят здесь герои главы 12 – кьюбисты. Ничего, говорят они, никуда не передается, поскольку сама волновая функция – не часть природы. Просто переадресуется информация: исходно она относилась к электрону в лаборатории А., а потом – к другому электрону в лаборатории Я. Здесь, конечно, можно задаться вопросом, почему для такой переадресации требуется конкретный, вполне определенный протокол, но мы не будем погружаться по этому поводу в кьюбизм. Квантовая телепортация, вне всякой зависимости от интерпретации квантовой механики, – экспериментальный факт.

Квантовый компьютер – не компьютер, а квантовая система специальной структуры, которую совсем просто описать в принципе, но очень непросто реализовать на практике.

«Вычисление» в квантовом компьютере – не вычисление, а эволюция волновой функции этой системы. Волновая функция живет своей внутренней квантовой жизнью под управлением уравнения Шрёдингера; она ненаблюдаема, но мы «подталкиваем» течение этой жизни в определенном направлении. Делать это следует «деликатно», избегая измерения, которое разрушает волновую функцию, заставляя ее сколлапсировать.

При этом требуется, чтобы такая эволюция откликалась на задачу, подлежащую решению: чтобы волновая функция пришла к виду, из которого мы могли бы извлечь правильный ответ. Для этого в самом конце мы все-таки выполняем измерение, чем «вычисление» и завершается. Способ «подталкивания» волновой функции в сторону правильного (и, разумеется, заранее неизвестного) ответа и составляет содержание квантового алгоритма. Его надо изобретать для каждой отдельной задачи так, чтобы погибающая при измерении волновая функция передавала нам ответ как часть накопившегося в ней знания (информации).

Все это должно звучать загадочно уже по причине индетерминизма: измерения над тождественными системами (с одной и той же волновой функцией) раз от разу дают различные результаты. Как же мы намереваемся считывать ответ? А кроме того, ответы мы почти всегда хотим иметь в виде чисел; как они здесь возникают?

«Ячейкой» квантового компьютера является кубит – квантовая система с двумя опорными состояниями. В принципе подошел бы электрон со своими спиновыми состояниями «вверх» и «вниз» – и, разумеется, бесконечным числом состояний, получаемых в виде комбинаций этих двух с произвольными числами: «a (вверх) плюс b (вниз)». Электроны, впрочем, надо как-то удерживать, что непросто; на практике применяется немало различных квантовых систем с как минимум двумя состояниями: захваченные ионы, фотоны, квантовые точки{77}, а также колебательные контуры в сверхпроводниках; единой и «общепринятой» технологии здесь нет (отдельно стоит отметить реализации кубитов за счет согласованного квантового поведения столь большого числа электронов, что эти объекты можно уже разглядеть в микроскоп; они представляют собой пример проявления квантовых свойств, включая запутанность, на мезоскопическом масштабе – промежуточном между «макро» и «микро»). Возможно даже, что «лучший кубит будущего» еще не изобретен; во всех же теоретических построениях кубиты остаются абстрактным понятием. Это одинаковые системы, каждая с двумя состояниями «А» и «Б». Такие обозначения никто, кроме меня, не использует, но они, конечно, ничем и не запрещены{78}.

Чем больше кубитов, тем мощнее квантовый компьютер.

Все, что происходит с состояниями/волновыми функциями кубитов, происходит в согласии с уравнением Шрёдингера – все, кроме финального измерения{79}. Схема вычислений состоит из последовательных преобразований, применяемых к состояниям одного или нескольких кубитов. Например, кубит, бывший в состоянии «А», может оказаться в комбинации состояний «А» и «Б» с какими-то числами, скажем «А плюс 2 Б».

Преобразования, выполняемые над двумя кубитами, реализуют тот или иной вид взаимодействия между ними. Они производят в том числе запутанные состояния. Например, из состояния двух кубитов «(А плюс 2 Б, А)» (где перед запятой указано состояние первого кубита, а после запятой – второго) можно сделать состояние «(А, А) плюс 2 (Б, Б)», используя уже встречавшееся нам (и вообще очень популярное) преобразование CNOT. Это вид взаимодействия, при котором состояние первого кубита влияет на состояние второго: если первый – в состоянии «А», то со вторым ничего не происходит, но если первый – в состоянии «Б», то второй меняет свое «А» на «Б», а свое «Б» на «А».

Как и в случае с телепортацией, основа успеха в том, что все преобразования кубитов выполняются с самими состояниями «А» и «Б», а не с сопровождающими их числами. Числа же, вроде появившейся выше двойки, изменяются в ходе эволюции и в момент финального измерения определяют вероятности различных исходов: в серии измерений, проводимых раз за разом над состоянием «(А, А) плюс 2 (Б, Б)» (которое надо каждый раз создавать заново), результат ББ обнаружится примерно в четыре раза чаще, чем результат АА; чем длиннее серия измерений, тем точнее будет соблюдаться это соотношение. Но никаким прямым способом присутствующую здесь двойку, как и все подобные числа внутри волновой функции, «увидеть» невозможно. На всякий случай я буду временно называть эти числа внутренними; они отвечают за вероятности, но не выражают ответа.

О числах, которые выражали бы интересующий нас ответ, необходимо позаботиться отдельно. Они кодируются тем, что может получиться в результате измерения, – значениями, связанными с опорными состояниями кубитов. Если кубитов всего два, то такому несложному квантовому компьютеру доступны числа 0, 1, 2, 3. Мы можем договориться, что 0 – это результат АА, 1 – результат АБ, 2 – результат БА и 3 – результат ББ. При наличии трех кубитов можно закодировать восемь чисел:

Десять кубитов позволяют закодировать числа от нуля до 1023, что все еще совсем не много, но сто кубитов – от нуля до числа, в котором уже 31 знак, и оно несколько больше тысячи миллиардов миллиардов миллиардов. Тысяча кубитов отвечает большому числу, в котором 302 знака.

Каждый кубит превращается в обычный бит (принимающий одно из двух значений А и Б) в результате финального измерения. Волновая функция со всеми ее внутренними числами тогда погибает, потому что каждый кубит вынужден «определиться», кем ему стать: состоянием «А» или «Б». «Возникновение чисел» в конце квантового вычисления, таким образом, – работа многократно нам уже встречавшегося коллапса волновой функции (который, как всегда, или постулируется без пояснений, или же объясняется тем или иным образом, как мы видим из других глав). Если угодно, коллапс превращает кубиты в биты.

Но что с индетерминизмом? Мы ведь не властны над результатами измерения: состояние «(А, А) плюс 2 (Б, Б)», например, может показать при измерении результат АА (число 0), а может и ББ (число 3). Заметим, впрочем, что в данном случае измерение заведомо не способно дать результаты АБ и БА (числа 1 и 2) – что уже может иметь некоторый смысл, если обсуждаемое состояние возникло как результат какого-то квантового вычисления. А неопределенность между ответом 0 и ответом 3 мы в состоянии разрешить, повторяя вычисление достаточное число раз, чтобы надежно увидеть, какой ответ возникает с большей вероятностью. В итоге мы бы заключили, что ответ – число 3.

Этот способ действий и применяется в настоящих квантовых вычислениях: нужно добиться, чтобы одно состояние – скажем, «Б, А, А, А, Б, А, Б, Б, Б, А, Б, А, А, А, А, Б, Б, А, А, А, Б, Б, Б, Б, А, А», если у вас 26 кубитов, – кодирующее правильный ответ (36 603 452 в данном случае), оказалось выделено среди всех остальных: выделено сопровождающим его внутренним числом, которое по правилу Борна определяло бы самую высокую вероятность коллапса к этому состоянию при финальном измерении. Другими словами, в ходе эволюции волновой функции при выполнении квантового алгоритма самое большое внутреннее число должно «накопиться» у правильного ответа{80}.

Изобрести последовательность преобразований, которая это обеспечивает, и означает придумать квантовый алгоритм для решения какой-либо задачи. Никаких готовых рецептов для создания квантовых алгоритмов нет, это скорее искусство; тем не менее некоторое количество квантовых алгоритмов придумать удалось, а главная причина внимания к ним в том, что при увеличении объема данных они ведут себя иначе, чем классические алгоритмы.

Вычисление в обычном компьютере, как правило, требует выполнения большого количества операций, и критический вопрос – как это количество операций растет по мере того, как увеличивается объем входных данных. В целом ряде задач оно растет так быстро, что скоро даже суперкомпьютеру требуются годы вычислений. Актуальным примером является задача разложения чисел на множители – актуальным потому, что на ее сложности для обычных компьютеров основаны распространенные схемы шифрования. Число 15 мы разлагаем на множители (3 и 5) в уме, разложение числа 323 потребует от вас небольших усилий, а машина сделает это шутя, но перед серьезными числами, в несколько сотен знаков, компьютер уже практически бессилен: ему придется перепробовать так много вариантов, что ответ появится только тогда, когда давно уже перестанет представлять интерес. Квантовый же алгоритм разложения на множители обходится без лавинообразного роста числа операций. Требуется только достаточное количество кубитов – а как мы видели, уже тысяча кубитов позволяет оперировать с очень значительными числами.

Причина, по которой квантовый компьютер исполняет некоторые избранные алгоритмы несравненно быстрее, чем обычный компьютер решает ту же задачу с помощью доступных ему методов, – как раз в том, что волновая функция всех кубитов вместе взятых, подчиняясь уравнению Шрёдингера, эволюционирует во времени как единое целое.

Дело даже не в том, что, как часто можно услышать, «каждый кубит является нулем и единицей одновременно» (эта фраза означает попросту, что состояние кубита может быть какой-то комбинацией «a А плюс b Б» с любыми числами a и b). Сила квантового компьютера происходит не столько отсюда, сколько из запутывания различных кубитов и комбинирования состояний, относящихся к группам кубитов. Например, волновая функция группы из четырех кубитов может выражаться как комбинация состояний «А, А, А, А», «Б, Б, Б, Б» и «А, Б, А, Б» (наугад выбранных мною для иллюстрации из 16 возможностей), каждое с каким-то сопровождающим его внутренним числом. Ни про один кубит из четырех при этом нельзя сказать, что он «представляет собой ноль и единицу одновременно». Эволюционирует же во времени, как всегда в квантовой механике, вся комбинация целиком, т. е. «a (А, А, А, А) плюс b (Б, Б, Б, Б) плюс c (А, Б, А, Б)». Собственно говоря, эволюционируют «внутренние» числа a, b, c и так далее – изменяются таким образом, чтобы к концу вычисления самое большое из них сопровождало правильный ответ (если правильный ответ – АБАБ, т. е. число 5, то больше других должно стать число c).

Конечно, эволюционируя в ходе выполнения алгоритма, волновая функция может представлять собой комбинацию всех состояний: всех 16 в только что приведенном примере четырех кубитов, всех 1024, если кубитов десять, или всех 126765060022822-9401496703205376, если кубитов сто. Перед каждым состоянием в результате исполнения квантовой схемы вычислений появится какое-то внутреннее число, определяющее вероятность при финальном измерении. При желании можно думать, что квантовый компьютер пробует все «ответы», правильный наряду со всеми неправильными, но для правильного алгоритм «выращивает» внутреннее число, дающее самую большую вероятность.

Все это неплохо в принципе, но на практике деликатные физические системы легко выходят из-под контроля. Теоретическая схема работы квантового компьютера исключает обмен информацией с окружающей средой в процессе исполнения алгоритма, но на практике полностью исключить взаимодействие с ней нельзя, и в результате среда так и норовит внести неконтролируемые изменения в состояния кубитов. Кроме того, какие-то из преобразований, составляющих схему квантовых вычислений (упомянутый выше CNOT и его друзья), могут выполняться неточно. У каждого физического устройства есть показатель надежности, и это никогда не сто процентов. Финальное измерение также может произойти с ошибкой. Наконец, кубит может втянуться в «разговор» (взаимодействие) с соседним кубитом, в результате чего возникнут непредусмотренные изменения в их состоянии.

При этом ошибки, случающиеся в квантовых компьютерах, более разнообразны, чем в обычных. Там сбой может состоять только в неконтролируемой замене 0 на 1 или наоборот. Средства борьбы с этим развиты чрезвычайно хорошо (в том числе, конечно, из-за необходимости постоянного использования в интернете) и сводятся тем или иным образом к передаче избыточной информации. Иллюстрацией может служить самая незамысловатая схема утроения: вместо 0 вы передаете 000, а вместо 1, понятно, 111. Если в таком случае принимающая сторона получила, скажем, сигнал 010, то в предположении, что произошла одна ошибка (а не две, что менее вероятно), его следует воспринимать как 000, т. е. попросту 0{81}.

Квантовый аналог этой единственной классической ошибки – случайная замена в кубите состояния «А» на состояние «Б» или наоборот. Но кроме этого с кубитом может случиться что-то совсем другое, не имеющее классического аналога: замена состояния «А плюс Б» на «А минус Б» (это два различных состояния, дальнейшая эволюция которых приведет к различным финальным волновым функциям всей системы){82}.

Мало того, что квантовых ошибок больше, исправление их на первый взгляд кажется невыполнимой задачей. Проблема возникает уже с избыточностью: нельзя создать копию квантового состояния, не разрушив оригинал (теорема о запрете клонирования, упоминавшаяся в предыдущей главе). Поэтому отправить три (да и два) одинаковых состояния вместо одного попросту невозможно. Если этого мало, то есть еще одно обстоятельство, тоже фундаментальное. Нельзя «подглядывать», как идут квантовые вычисления: измерение, выполняемое с целью «проверить, нет ли сбоя», разрушает волновую функцию, и из всех содержавшихся в ней возможностей остается одна – волновая функция коллапсирует, вычислению конец (преждевременный).

Борьба с квантовыми ошибками выглядит проигранной еще до того, как она началась. Поэтому неудивительно, что энтузиазм в отношении квантовых вычислений находился на крайне низком уровне до 1995 г., когда был открыт первый квантовый код для исправления ошибок. На помощь пришла запутанность.

Из состояния одного кубита «a А плюс b Б» (с любыми внутренними числами a и b) можно создать состояние трех кубитов «a (А, А, А) плюс b (Б, Б, Б)». Здесь, во-первых, сохранились те же внутренние числа a и b, во-вторых, видна избыточность, а в-третьих, запрета на создание такого состояния нет – оно не представляет собой трехкратное повторение одного и того же состояния первого кубита, избыточность встроена в него более тонким (если угодно, запутанным) образом.

Для этого, разумеется, нужны два дополнительных кубита – посторонних по отношению к тем, на которых в идеальной ситуации предлагается выполнять вычисление. Про них полезно знать, что их начальное состояние, скажем, «А». Применяя преобразования CNOT к основному кубиту и первому вспомогательному, а затем еще раз к основному и второму вспомогательному, мы из исходного «a А плюс b Б» создаем желаемое «избыточное» состояние «a (А, А, А) плюс b (Б, Б, Б)».

Контрольные измерения затем выполняются таким образом, чтобы отслеживать изменения в состоянии вспомогательных кубитов. Из этих измерений можно сделать заключение о характере случившейся ошибки или о ее отсутствии, и в первом случае определить преобразование (не измерение!), которое надо произвести над «основными» кубитами для ее исправления{83}.

Вопрос сегодняшнего дня – успеваем ли мы бежать впереди накапливающихся ошибок? Для коррекции неизбежных ошибок мы добавляем новые кубиты к тем, которые теоретически необходимы для вычисления, а также выполняем дополнительные преобразования. Они тоже работают не идеально, и требуются дополнительные кубиты для коррекции ошибок, возникающих при коррекции ошибок. Кто кого? Сколько физических кубитов потребуется, чтобы надежно выполнять квантовые вычисления на 1000 идеальных кубитов? Миллион?!

Квантовые вычисления – это остроумный способ использования квантовых законов. Тот факт, что в специальных задачах квантовые компьютеры могут быть радикально эффективнее обычных цифровых компьютеров, можно считать свидетельством глубины квантовых ресурсов. А тот факт, что запустить квантовый компьютер со значительным числом кубитов непросто, – свидетельством беспрецедентных сложностей, с которыми неизменно сталкиваемся макроскопические мы, когда желаем навязывать нужное нам поведение объектам, лежащим в основе вещей{84}.

Квантовые компьютеры как примеры управления эволюцией квантовых систем могут оказаться критически важными еще и для выяснения фундаментальных свойств квантового мира. Вспомним высказывание Дойча о том, что квантовый компьютер работает сразу в нескольких вселенных (которые, однако, не расходятся навсегда, а снова сливаются, если квантовый компьютер работает без сбоев и, в частности, не делится информацией о своем состоянии с окружающей средой). Воображение не может не будоражить вопрос об искусственном интеллекте высокого уровня, который, возможно, удастся когда-нибудь реализовать в квантовом компьютере: что он расскажет о своем существовании в качестве эволюционирующей волновой функции? Мы еще вернемся к этой теме в главе 21.

Индетерминистский квантовый мир и детерминистское уравнение Шрёдингера, взятые вместе, составляют проблему: как соединить одно с другим. Грубое (но, надо признать, удобное) решение – «копенгаген» – состоит в том, чтобы постулировать никак не объясняемый коллапс волновой функции, случающийся в результате (никак не определяемого) измерения; тогда-то и применимо правило Борна. Более изящные и логически состоятельные предложения (главы 11, 12, 13) тоже не лишены каждое своих недостатков.

Как оказалось, «копенгагену» можно «придать человеческое лицо» – избавить его от логических дыр – путем в некотором роде «дисциплины ума»: четко определив правила, следуя которым только и можно задавать вопросы о том, что «происходит» в квантовом мире. Идея является далеким развитием наблюдения, что целый ряд контрфактических вопросов (вопросов типа «а если бы) оказываются очень расплывчатыми и, по существу, некорректными. «Какая погода была бы в декабре в Санкт-Петербурге, если бы он был расположен на 1000 км южнее?» Но что значит «Санкт-Петербург расположен»? А Нева и Финский залив? А Ладожское озеро – тоже? А преобладающее направление ветра? А…?

Контрфактичность можно усмотреть и в рассуждении Шрёдингера об ученике, который, судя по всему, знает ответы на оба вопроса, раз может ответить на любой. Там говорится, что если мы захотим измерить спины вдоль вертикального направления, то получим ответ, строго согласованный с результатом другого, удаленного измерения; и такое же строгое согласование получится, если мы решим измерять спины вдоль какого-нибудь другого направления. Проблема же, как мы помним, в том, что волновая функция не может нести в себе информацию о спине вдоль двух направлений сразу.

Подобных проблем не возникает, если исключить из рассуждений все «а если». Исключить, оказывается, можно «раз и навсегда», если четко придерживаться правил относительно того, что можно, а что нельзя спрашивать – и даже, точнее, какие истории о жизни и приключениях квантовых систем можно рассказывать. При этом с самого начала предлагается признать, что в мире правит фундаментальная случайность, остающаяся без комментариев ввиду своей фундаментальности. Детерминистское же уравнение Шрёдингера превращается в техническое средство – инструмент, необходимый для формулирования «основательных», или «целостных» (consistent), историй. Такие истории – взгляд на квантовую эволюцию практически как на классики, которые рисуют на асфальте, чтобы прыгать из клетки в клетку. Вот как предлагается действовать.

Выберем интересующий нас отрезок времени, в течение которого каким-то образом развивается квантовая система. Изобразим начальный момент и отвечающую ему волновую функцию как клетку в классиках. Чтобы рассказать, как квантовая система развивается далее, следует выбрать какой-то более поздний (не обязательно очень близкий) момент времени и спросить себя: по какому свойству или свойствам мы желаем классифицировать возможные состояния системы в этот момент времени? Выберем набор значений для интересующих нас свойств и для каждого значения нарисуем свою клетку классиков. Все клетки, относящиеся к данному моменту времени, объединяются в полосу. Начальная клетка остается особенной – она одна-единственная в своей полосе.

Из этой начальной клетки система может «перепрыгнуть» в одну из клеток в следующей полосе. Для логической состоятельности требуется выполнение определенных условий, два из которых простые, а одно сложное. Первое условие гласит, что клетки, объединенные в каждую полосу, должны исчерпывать все возможности в отношении тех величин, которыми мы там интересуемся. Если, скажем, нас заботит энергия квантовой колебательной системы (а разрешенные значения энергии организованы там в список, как мы видели в главе 4), мы можем разбить все возможные значения энергии, например, так: к первой клетке относится энергия № 1, ко второй – энергия № 2 или № 3, а к третьей клетке – любая другая энергия. Ничто не обязывает нас быть слишком щепетильными и перебирать возможности по одной, но важна полнота: каждое возможное значение энергии должно куда-нибудь попасть. Второе условие запрещает клеткам в одной полосе «перекрываться». Например, нельзя про первую клетку сказать, что ей отвечает энергия № 1 или энергия № 2, а про вторую – что энергия № 2 или № 3. В общем случае для исключения перекрытий имеется строгий математический критерий.

А дальше выберем какой-то следующий момент времени и снова нарисуем полосу клеток, каждая из которых задает определенные значения каких-то свойств – вообще говоря, никак не связанных (хотя, может быть, и связанных) с теми, которые фигурировали в предыдущей полосе клеток. Если там была энергия, то сейчас может быть, например, положение: скажем, сверху или снизу от какой-нибудь плоскости, или же любой другой способ разбить все возможные положения в пространстве на несколько областей.

Мы продолжаем в том же духе произвольное количество раз (во всех известных мне примерах, впрочем, их едва ли больше четырех-пяти). Когда классики нарисованы, мы готовы рассказывать истории – как система могла «пропрыгать» по классикам, стартовав из начальной клетки и приземляясь сначала в одну из клеток первой полосы, затем в одну из клеток второй полосы и так далее. «Приземлиться» означает обладать в соответствующий момент времени свойством, которое связано с данной клеткой. Все истории – все такие способы пропрыгать классики, т. е. последовательно обладать такими свойствами.

Но истории принимаются к рассказыванию, только если они удовлетворяют третьему условию. Как уже было сказано, оно сложное, поэтому мы еще немного отложим его обсуждение. Если оно выполнено для всех историй, отвечающих нарисованным классикам, то такие истории называются основательными (или последовательными – в смысле без противоречий){85}. Если наряду с «хорошими» историями в наборе есть и «плохие», то весь набор следует отвергнуть, а классики, на которых он основан, стереть.

И вот главное: для каждой основательной истории можно вычислить ее вероятность! (Вычисление тесно связано с проверкой третьего условия, поэтому о нем будет сказано чуть позже.) А тогда лучший способ ответить на вопрос, что могло происходить с системой «по дороге» между начальным и конечным моментами времени, – это сообщить вероятности всех возможных таких историй. Если некоторые истории получают нулевую вероятность, это означает, что таким образом система развиваться не может.

Очень часто интерес представляют не вероятности самих историй, а только вероятности, что система в конце эволюции «приземлится» в какой-то из клеток последней полосы наших классиков, – вероятности, другими словами, с которыми она может иметь определенные свойства в финальный момент времени. С этим просто: для каждой клетки в последней полосе надо сложить вероятности всех историй, которые в эту клетку приводят.

Разные люди, конечно, могут нарисовать свои собственные классики с той же начальной клеткой и с теми же клетками в последней полосе – но с совершенно непохожей разметкой посередине и вообще с другим числом полос, т. е. промежуточных моментов времени. Они расскажут разные наборы историй, которые могли происходить с системой при ее эволюции от начального момента времени к конечному. Так что же «делала» система между начальным и конечным моментами времени? На этот вопрос одного ответа нет. Реальность зависит от того, как вы «нарисовали классики» – какие промежуточные возможности вы положили в основу ваших историй. Один способ «разметить реальность» ничем не лучше и не хуже любого другого. Все определяется соображениями удобства и вашим желанием получить ответы на те или иные вопросы{86}.

А с получением ответов все хорошо – они считываются из историй. Например, в связи с измерением спина электрона прибором Штерна – Герлаха вы можете задаться вопросом, имел ли электрон измеренное значение спина уже до измерения, или же оно появилось только в момент измерения? Ответ на любой вопрос нельзя дать «просто так», требуется сначала распределить возможные события по клеткам и составить основательные истории. В последней полосе рисуем две клетки, одна «измерен спин вверх», другая – «измерен спин вниз». А в предпоследней полосе – тоже две клетки: они относятся к электрону, которого никто еще не трогает, и это клетки «имеет спин вверх» и «имеет спин вниз» (и здесь никакого измерения не подразумевается). В принципе теперь возможны как истории, ведущие от спина вверх перед измерением и к измеренному спину вверх, и к измеренному спину вниз; и аналогично истории, которые от спина вниз перед измерением ведут как к измеренному спину вниз, так и к измеренному спину вверх. Но вычисление показывает, что вероятности тех историй, где спин меняется, равны нулю. Отсюда и предлагается сделать вывод, что прибор измеряет то значение спина, которое электрон уже имел до измерения. Обычно такое положение вещей называют реализмом, и сейчас, наверное, тоже можно так говорить, с той только небольшой оговоркой, что реальностей оказывается примерно столько же, сколько есть возможных способов нарисовать классики.

Похожее решение получает и зловредная проблема коллапса, причем без каких-либо дополнительных изобретений или нагромождений. Действительно ли волновая функция после измерения схлопывается – из всех возможностей, какие в ней содержались до измерения, исчезают все, кроме той, которая отвечает измеренному значению? Опять не забываем, что для ответа требуется нарисовать классики. Теоретически проще всего, как обычно, иметь дело со спином, потому что возможных значений всего два. Раз в рассуждениях участвует прибор, нужно учесть и его состояния. (Никакие, кстати, нелепые предположения о декларативно классических приборах не нужны – весь мир теперь считается последовательно квантовым; обещали ведь «копенгаген с человеческим лицом».) Пусть финальная полоса отвечает моменту времени сразу после измерения. На этот раз нарисуем в ней четыре клетки: одна из них – это прибор показал спин вверх, а электрон имеет спин вверх; другая – прибор показал спин вверх, а электрон имеет спин вниз; и есть еще две: прибор показал спин вниз и электрон имеет спин вверх, и прибор показал спин вниз и электрон имеет спин вниз. А для более раннего момента времени рисуем полосу всего из двух клеток: электрон имеет спин вверх и электрон имеет спин вниз. Расчерчиваем все истории; их восемь. Нулевые вероятности получаются у всех тех историй, где прибор показал одно, а электрон находился в другом состоянии. Вывод: возможны только такие истории, где волновая функция электрона сразу после измерения точно отвечает значению, которое показал прибор. Получается таким образом, что наблюдаемый «коллапс» – не столько физическое явление, сколько единственно возможный способ рассказывать «основательные» истории с участием прибора.

Пора наконец сказать, как вычисляются вероятности историй. Одновременно мы ответим на каверзный вопрос: каким же образом коллапс волновой функции, как будто бы сам собой наступающий в рамках основательных историй, совмещается с уравнением Шрёдингера, согласно которому коллапс происходить не может? Здесь – ключевое предписание для работы с историями и одновременно третье, сложное требование, предъявляемое к классикам в дополнение к двум простым (полнота клеток и отсутствие пересечений между ними в каждой полосе). Оно сводится к проверке историй на «основательность», и здесь-то и появляется уравнение Шрёдингера. В основе лежит идея, что развитие квантовой системы во времени – это случайный процесс, в котором уравнение Шрёдингера играет важную, но в некотором роде вспомогательную роль. Вот как выполняется проверка третьего условия.

Начинаем с исходной клетки, которой отвечает волновая функция, выражающая исходное состояние системы. Запуская эволюцию во времени согласно уравнению Шрёдингера, мы доводим ее до момента времени, отвечающего следующей полосе клеток: это означает, что у нас появилась новая волновая функция для этого момента времени. Она вообще-то ничего не знает про то, какие клетки мы решили нарисовать в этой полосе. Зато мы вспоминаем, какая история нас сейчас интересует; если это, например, история, проходящая через первую клетку в полосе, то мы «втискиваем» полученную волновую функцию в эту клетку. За этим стоит математическая процедура удаления из волновой функции всех тех ее частей, которые указывают на свойства, не лежащие в этой первой клетке. Получившуюся волновую функцию мы снова отдаем Шрёдингеру: используя его уравнение, доводим ее эволюцию до следующего момента времени (отвечающего следующей полосе клеток). Там снова втискиваем ее в ту конкретную клетку, через которую проходит выбранная история. Продолжаем так до последней полосы и записываем полученную волновую функцию.

Это надо повторить для всех историй. Для каждой получится какая-то волновая функция, построенная указанным сложным способом. Проверка на основательность состоит в том, что эти волновые функции не должны иметь между собой ничего общего, в определенном строгом математическом смысле. Если это не так, всю разметку классиков надо стереть: мы, значит, пожелали узнать какие-то вещи, которые не могут быть определенными одновременно (это, конечно, наследие вражды из глав 3 и 4). А если проверка пройдена, то, значит, мы получили набор основательных историй, и наградой за это является обобщение правила Борна: оно позволяет по каждой из полученных волновых функций определить вероятность соответствующей истории.

Здесь проявляет себя принципиальный момент всей схемы: в основе мира лежит случайность, а чтобы говорить о вероятностях, надо четко определить, разграничив их между собой, все возможные варианты развития событий. Для этого и нужны основательные истории; именно они получают вероятности по обобщенному правилу Борна. Обобщенное оно потому, что дает не вероятности исходов в конкретный момент времени, а вероятности целых историй. Как видно, его применение никак не связано с измерениями. Оно просто задает вероятностные расклады того, как могли бы развиваться события от состояния в начальный момент времени к каким-то состояниям в конечный момент времени. В обсуждаемой схеме – называемой «Основательной квантовой теорией» – измерение вообще не играет никакой специальной роли.

Фундаментальные проблемы копенгагенской интерпретации квантовой механики (тайна измерения и тайна коллапса) выглядят решенными – на первый взгляд, за счет «ментальной дисциплины»: задавайте вопросы только о том, что включается в набор основательных историй. Но есть тут и философская цена – признание наличия своей собственной реальности у каждого, кто сумел сформулировать свой набор основательных историй. Каждое «втискивание» волновой функции в выбранную клетку имеет ясное математическое определение, но происходит не в согласии с уравнением Шрёдингера; в этом смысле эволюция квантовой системы во времени перестает быть явлением объективным, а уравнение Шрёдингера превращается в средство для проверки основательности выбранных историй и вычисления их вероятностей.

Есть еще и техническая цена – объем вычислений. Чтобы ответить на единственный вопрос, его надо включить в полную схему основательных историй, проверив их при помощи довольно громоздкой процедуры с многократным использованием уравнения Шрёдингера, и только после этого определить вероятности этих историй. Поэтому, иногда добавляют последователи Основательной квантовой теории, практически намного более экономный способ действий состоит в том, чтобы пользоваться схемой, где волновая функция претерпевает коллапс; надо только помнить при этом, что коллапс – это не физическое явление, а техническое средство, сокращающее объем вычислений для основательных историй. И не более того.

Если в историях, которые вам позволяет рассказывать выбранная разметка, на ваш взгляд, недостаточно подробностей («а если бы электрон был в состоянии спин вправо?»), есть только один способ их добавить: нарисовать подходящие классики, где интересующее вас «если» представлено клетками, и проверить, получаются ли так основательные истории. Если с этим все хорошо, вы узнаете ответы на интересующие вас вопросы. Но, скажем, клетки «спин вправо» и «спин влево» не могут лежать в одной полосе с клетками «спин вверх» и «спин вниз» (потому что перекрываются, или, если вам так больше нравится, потому что враждуют), и если вы исходно исследовали истории, где в выбранный момент времени обсуждался спин вверх или спин вниз, вам придется забыть про все «а если бы» в отношении спина вдоль какого-то другого направления. В вашей власти, конечно, выбрать другой момент времени и нарисовать отвечающие ему клетки для спина направо и спина налево – но это будут уже совсем другие истории.

В том же духе – задавать можно только те вопросы, на которые возможны «основательные» ответы, – Основательная квантовая теория справляется и с запутанными состояниями. Основательными оказываются только те истории, где, начиная с любого момента после создания запутанной пары, каждый из электронов уже обладает тем свойством, которое обнаруживается в измерении, и поэтому никакой необходимости в нелокальном воздействии одного электрона на другой просто нет. «Парадоксальность» же, занимавшая и Эйнштейна с соавторами, и Шрёдингера, происходит просто из рассуждения, где путаются разные разметки классиков – из той самой контрфактичности, с которой мы начали («а если бы мы измерили спин вдоль горизонтального направления…» – но нет никаких «если бы, пока не появилась основательная разметка классиков, вмещающая все обсуждаемые возможности, а такая разметка в данном случае невозможна).

В Основательной квантовой теории предлагается еще и объяснение (как мне кажется, не вполне законченное), почему в квантовой механике нарушаются неравенства Белла: потому что в самом выводе этих неравенств тем или иным образом путаются различные разметки; из-за этого оказывается, что условия, с использованием которых математически доказываются неравенства Белла, выражают не локальный реализм, а классический реализм, попросту неприменимый к квантовой механике, так что нет решительно ничего удивительного, что эти неравенства нарушаются.

Различные взгляды на реальность – фактически различные сосуществующие реальности – можно, оказывается, вместить в одну вселенную, если только последовательно (и основательно) определять круг вопросов, которые можно задавать. «Наивный» же вопрос о том, что все-таки существует и что происходит в нашем физическом пространстве, отодвигается в таком случае неопределенно далеко.

Всенародная борьба с необъяснимостью коллапса волновой функции, по видимости происходящего при измерении, идет, как мы видели, на разных фронтах: коллапса нет, а если он вам чудится, то только потому, что вы застряли в одной вселенной (глава 11); коллапс происходит только в голове у агента, где тот волен распоряжаться, как ему заблагорассудится (глава 12); то, что воспринимается как коллапс, следует из того, где именно в пространстве оказались локализованные частицы (глава 13); коллапс – не более чем техническое средство, упрощающее вычисления с основательными историями (глава 19). При этом именно коллапс выполняет роль необходимого финального элемента в квантовой телепортации и квантовых вычислениях (главы 17 и 18).

В квантовой механике из учебника коллапс неразрывно связан с правилом Борна (глава 10) – которое само по себе должно работать независимо от выбранной интерпретации, поскольку именно оно обеспечивает связь теории с наблюдениями. Из-за этого идея коллапса необычайно удобна – настолько, что в глазах многих это удобство оправдывает не только «философское уродство» (по выражению Эверетта) стандартного понимания квантовой механики, но и ее очевидные логические дыры (при каких в точности условиях он случается?) и неясность с нарушением уравнения Шрёдингера (когда, на какое время и чем оно заменяется?). Так, может быть, когда придумывали квантовую механику, кое-что – подробности коллапса – просто недопридумали? Не успели, скорее всего: захлестнула волна практических приложений.

Сделаем же оставшийся шаг и предположим существование нового закона природы: волновая функция каждого электрона (а я продолжу говорить об электронах как представителях всего квантового) в самом деле время от времени претерпевает коллапс, причем делает это сама по себе, без внешнего воздействия и без загадочного влияния измерительного прибора.

Против такого соблазнительного предположения немедленно находятся возражения. Во-первых, в каком смысле коллапс? Ведь вся идея в том, что в результате коллапса волновая функция принимает специальный вид, в котором остается только та одна возможность, которую «измерил» прибор; что же имеется в виду, если прибора нет? Во-вторых, вспомним об атомах: если бы с волновыми функциями их электронов самопроизвольно случалась какая-то беда, мы наблюдали бы последствия в виде тех или иных странностей – скажем, в атомных спектрах. Но никаких указаний на подобные эффекты нам никогда не попадалось. И еще мы уверены, что «малые» квантовые объекты при взаимодействии друг с другом действительно приходят в запутанные состояния в полном согласии с уравнением Шрёдингера, поэтому в их описание никаких изменений вносить не надо. А «большие» объекты по результатам наших наблюдений, наоборот, не впадают в запутанность и из комбинации возможностей выбирают какую-то одну. Эти два типа поведения, видимо, непросто согласовать в рамках единого для всех предположения о коллапсе.

И тем не менее нашелся способ сформулировать правила коллапса таким образом, чтобы и овцы были целы, и волки сыты – малые квантовые системы чувствовали себя как ни в чем не бывало, а большие системы, тоже являясь квантовыми, все же не впадали бы в запутанные состояния.

Уравнение Шрёдингера для этого надо, конечно, испортить, но сравнительно ненавязчивым образом: пусть один электрон самопроизвольно, случайным образом, выходит из подчинения уравнению Шрёдингера в среднем один раз в 100 млн лет. Разумеется, говорить об этом надо на языке волновой функции – которая, как мы помним, описывает не какой-то один, а все «электроны» в системе. С указанной периодичностью каждый из них заставляет волновую функцию коллапсировать, «суживаясь» в пространстве способом, о котором чуть ниже. Таким-то образом детерминистское уравнение Шрёдингера наконец всерьез соединяется со случайностью: волновая функция подчиняется этому уравнению, как мы его знали, до тех пор, пока не решит сузиться, а затем подчиняется снова. Отвечающая за это случайность носит фундаментальный характер, она «немотивированная» в том смысле, что ни к чему не сводима. И она никак не связана с измерениями. Название всей концепции – «объективный коллапс» или «спонтанный коллапс»{87}. Это явление, когда оно случается, буквально «поедает» значительную часть волновой функции.

Происходит это таким образом, что каждый электрон в среднем раз в 100 млн лет претерпевает локализацию в малой пространственной области диаметром около 100 нм (порядка тысячи характерных размеров атома). Точнее, речь здесь идет о волновой функции, которая описывает возможные конфигурации системы, т. е. наборы точек в пространстве, по одной на каждого участника. Например, в атоме лития – системе из ядра и трех электронов – волновая функция зависит от четырех точек в пространстве (положений ядра и трех электронов), и каждая такая четверка точек сопровождается в волновой функции каким-то числом. Идея объективного коллапса в том, что для некоторых (а в действительности для многих) четверок это число становится очень малым. Я буду говорить, что волновая функция для таких четверок очень мала или исчезающе мала; она действительно неотличима от нуля во всех практических смыслах.

Сконцентрируемся, как всегда, на электронах. Причиной сужения волновой функции может стать любой электрон. Пусть это первый из обсуждаемых трех. В пространстве случайным образом определяется центр коллапса, после чего становятся исчезающе малыми все вклады в волновую функцию, в которых точка, отвечающая первому электрону, не попадает в «пятно» (вообще-то, шар) диаметром 100 нм вокруг центра коллапса.

Положениями остальных электронов при этом никто не интересуется: они могут быть какими угодно, но если в тройке точек «подвела» первая – оказалась слишком далеко от центра коллапса, – то вклад всей тройки в волновую функцию делается ничтожно малым. Таким образом можно «отъесть» от волновой функции очень значительный кусок. Конечно, все то же самое применимо и к коллапсу за счет второго и всех остальных электронов, сколько бы их ни было. При наличии трех электронов, кстати, самопроизвольного коллапса надо ждать в среднем уже не 100, а всего лишь 33 млн лет – наблюдение, которое подсказывает, что же помогает кошке Шрёдингера не зависать в комбинации состояний «живая» и «мертвая» ни на миллионы лет, ни даже на микросекунду.

Злоключения этого животного, как мы помним, начинаются с электрона, влетающего в прибор Штерна – Герлаха. Если это электрон в состоянии «спин вверх», то ручка прибора переходит в положение «вверх» и распыляется яд, а если в состоянии «спин вниз», то ручка просто занимает положение «вниз» без драматических последствий. И конечно, когда в прибор влетает электрон, состояние которого выражается комбинацией «спин вверх плюс спин вниз», прибор запутывается с электроном, как ему и велит уравнение Шрёдингера. А это значит, что запутываются все электроны, из которых состоит прибор: в их волновой функции появляются две части, одна из которых – отклик на спин вверх и отвечает положению ручки вверх, а другая – отклик на спин вниз и соответствует положению ручки вниз.

Коллапс волновой функции для каждого электрона случается в среднем раз в 100 млн лет, но это в среднем, а в приборе электронов так много, что какой-то один из них испытает коллапс не через 100 млн лет, а уже через 10 наносекунд. Общая волновая функция всех электронов тогда станет ничтожно малой для всех конфигураций, в которых этот электрон находится вне пятна диаметром 100 нм.

Но два положения ручки разделены «большим», т. е. макроскопическим, расстоянием – скажем, 1 см. Да и миллиметр подойдет; подойдет вообще любое расстояние, которое мы можем непосредственно зафиксировать, ведь в подобной фиксации и состоит весь смысл измерительного прибора. Такое расстояние несравненно больше тех 100 нм: обе ветви волновой функции просто не поместятся в одно пятно указанного размера, какая-то из них непременно станет пренебрежимо малой (чуть ниже я вернусь к тому, почему не окажутся «съеденными» обе ветви). В результате от всей волновой функции прибора останется только та часть, которая отвечает вполне определенному положению ручки – скажем, вверх.

Благодаря запутанности пространственное сужение волновой функции, вызванное каким-то одним электроном, заставляет сколлапсировать волновую функцию всего прибора. Самопроизвольный коллапс происходит без промедления с любым объектом, состоящим из по-настоящему большого числа элементарных квантовых объектов; для этого не требуется наделять измерительные приборы никакими запрещенными свойствами. Если до коллапса имелось не две, а любое число возможностей (скажем, различных значений энергии, если измеряется энергия), то все равно только какая-то одна из них останется в волновой функции заметно отличной от нуля.

Коллапс не щадит и тот электрон, который первоначально влетел в прибор в состоянии «спин вверх плюс спин вниз». Он ведь запутался с прибором в состояние «(спин вверх, ручка вверх) плюс (спин вниз, ручка вниз)». Неважно, что коллапс вызван электроном из прибора – для влетевшего электрона все равно остается только какая-то одна возможность: скажем, «спин вверх», если прибор сколлапсировал к варианту «ручка вверх». Разумеется, если бы зачинщик запутывания и дальше пребывал в одиночестве, его собственного коллапса едва ли удалось бы дождаться.

Судьба кошки точно таким же образом оказывается полностью определенной – быть может, печальной, но во всяком случае однозначной. Спонтанный коллапс гарантированно избавляет кошку не от смерти, но от участия в неясной, с точки зрения кошачьей природы, комбинации «(спин вверх, ручка вверх, яд, мертва) плюс (спин вниз, ручка вниз, яда нет, жива)». Остается только одна ветвь из запутанного состояния всех участников взаимодействия: электрона, прибора, адского устройства, кошки, хозяйки, мамы хозяйки и т. д.

Есть, правда, вещи даже важнее кошек. Устройство окружающего нас мира зависит от стабильности атомов и одинаковости атомов одного вида. Но не наносит ли сужение волновой функции вреда этим деликатным образованиям? Мы не стали бы сильно переживать, если бы какой-то атом «где-то там» тем или иным образом портился из-за спонтанного коллапса раз в несколько миллионов лет. Но в том-то и дело, что в телах вокруг нас и в нас самих атомов и электронов предостаточно, и коллапс должен случаться очень часто. Следует ли приглядеться к вещам повнимательнее, чтобы заметить последствия этих событий для атомов, из которых мы состоим?

Не следует. Атомы вообще не портятся спонтанным коллапсом, просто потому что волновая функция электронов в атомах уже узкая, причем намного более узкая, чем ее вынуждает стать спонтанный коллапс. Как мы уже говорили, диаметр 100 нм примерно в 1000 раз превосходит характерный размер атома, а это значит, что у волновой функции электронов в атоме просто нет шансов выскочить за пределы пятна, заданного таким сужением. А внутри пятна волновая функция практически не меняется, вот атомы ничего и не замечают.

Остается еще поинтересоваться, будет ли в результате измерений, при таком их механизме, воспроизводиться правило Борна. Выяснение этого попутно разрешает еще одно беспокойство: если центр коллапса определяется случайно, то «пятно» может вообще промазать – коллапс произойдет так, что не реализуется ни одно из возможных положений ручки. Такая картина не уступала бы по странности кошке, запутавшейся между жизнью и смертью.

Этого не происходит из-за того, каким образом выбирается центр коллапса. А выбирается он в соответствии с правилом Борна, только никак не связанным ни с каким измерительным прибором. Правило Борна становится математическим рецептом, который по волновой функции позволяет определить вероятность того, что центром коллапса станет та или иная точка{88}. В результате оказывается, что коллапс случается там, где мы бы скорее всего и обнаружили электрон, если бы провели измерение, т. е. в соответствии с обычным правилом Борна. В частности, электрон из числа находящихся в ручке прибора сколлапсирует в область, отвечающую одному из ожидаемых положений ручки.

Так и получается, что правило Борна при измерении выполнено без «магии измерительного прибора»: борновские вероятности всего лишь участвуют в выборе центра коллапса, а сверх того никаких специальных предположений делать не нужно. А заодно переход от малых систем к большим оказался плавным и напрямую обусловленным количеством индивидуальных квантовых объектов. Если электрон, выступающий зачинщиком запутывания, взаимодействует с системой, состоящей из малого числа квантовых объектов, то возникающей запутанной волновой функции (почти) ничто не мешает оставаться запутанной: самопроизвольный коллапс происходит крайне редко. Но как только одна из систем («прибор») оказывается макроскопической, склонность к коллапсу радикально усиливается. Что касается наших обычных приборов, мы просто не успеваем увидеть их, пока они находятся в комбинации состояний – пока ни один из уймы их электронов еще не сколлапсировал.

Гипотеза спонтанного коллапса имеет интересное развитие – наблюдение Белла о возможных «локальных существователях», т. е. обособленных объектах, населяющих наше физическое пространство. Мы помним про «высокомерие» квантовой механики в отношении пространства-времени: волновая функция имеет дело с конфигурациями всех элементарных квантовых объектов в системе и не предоставляет средств, чтобы изучать происходящее в какой-то одной точке. Но в гипотезе спонтанного коллапса уже используются отдельные точки в пространстве, «включающиеся» в некоторые моменты времени; это центры коллапса. Их можно наделить важной функцией – быть представителями локальных существователей.

Каждый электрон, в соответствии с этой идеей, появляется в нашем пространстве крайне редко – только в те моменты, когда он оказывается причиной коллапса волновой функции. Появляется, конечно, в центре коллапса, и только на чрезвычайно короткое время, которое занимает само событие коллапса. Между такими событиями («вспышками») в пространстве ничего нет. Волновая функция, конечно, никуда не девается, она продолжает существовать в своем математическом пространстве и только «суживается», когда здесь у нас «вспыхивает» какой-то электрон{89}.

В одном кубическом миллиметре обычного вещества – скажем, внутри человеческого тела – почти пусто и только вспыхивают описанным образом порядка 10 000 электронов в секунду. Этого вполне достаточно, чтобы ясно видеть контуры тела. Неординарность такого взгляда на реальность, конечно, впечатляет, но в нем нет очевидных логических несоответствий (и я не возьмусь утверждать, что в нем больше «странного», чем в существовании множества параллельных и постоянно разделяющихся вселенных). В рамках этих представлений волновая функция становится инструментом для предсказания (вероятностей) будущих вспышек исходя из тех, которые уже случились, и тут у всей схемы спонтанного коллапса обнаруживается ценный бонус: ее удается достаточно естественным образом согласовать со специальной теорией относительности. Это, без сомнения, достижение и определенное свидетельство жизнеспособности. Мы уже видели (глава 14), что для интерпретаций квантовой механики такое согласование совершенно не гарантировано, поэтому «вспышечный» вариант спонтанного коллапса получает дополнительные очки – что, впрочем, само по себе вовсе не означает, что природа действительно устроена таким образом. И вообще, идея спонтанного коллапса – это, строго говоря, уже не интерпретация квантовой механики, а предложение по ее развитию в несколько иную теорию, которую можно и нужно проверять экспериментально.

Напрашивается проверка с использованием характерного квантового эффекта – прохождения одного электрона через барьер с двумя отверстиями. После прохождения электрон попадает в экран, где оставляет метку в районе своего приземления. До попадания в экран волновая функция электрона выражает комбинацию двух возможностей: пройти через отверстие № 1 или через отверстие № 2. Отсюда следует наблюдаемый эффект: в результате многократного повторения одного и того же опыта по отправке электронов по одному на экране возникает так называемая интерференционная картина – чередующиеся области, в одни из которых электрон приземляется часто, а в другие редко. Эти «часто» и «редко», выражаемые вероятностями, не определяются суммой вероятностей попадания в различные области экрана при прохождении по отдельности через первое и второе отверстия – именно по той причине, что волновая функция содержит две возможности и описываемый ею электрон не имеет свойства проходить через какое-то одно отверстие. Коллапс, случающийся с электроном по дороге достаточно часто и «отъедающий» одну из ветвей волновой функции, изменил бы наблюдаемую картину полос, но и речи нет о том, чтобы зафиксировать какие-то изменения для обсуждаемых ста миллионов лет ожидания. Вместо единичных электронов надо отправлять что-то, содержащее их сразу в большом количестве.

Это делали, например, для фуллеренов (молекул-многогранников, составленных из десятков атомов углерода), в которых несколько сотен электронов, но это все равно чрезвычайно мало для наших целей. До экспериментов с объектами, которые достаточно часто испытывали бы спонтанный коллапс в ходе путешествия через два отверстия, пока далеко: дело упирается в сложность изоляции их от внешнего мира на время эксперимента – в неотвратимую декогеренцию, если забежать вперед в главу 22. Если серьезно относиться к иногда высказываемым надеждам, что масса объектов в опытах с двумя отверстиями будет ежегодно увеличиваться в 10 раз, то в исторически короткий срок мы доберемся даже до интерференции тихоходок: они послужили бы науке и для проверки гипотезы спонтанного коллапса, и вообще в качестве реальной замены шрёдингеровским кошкам.

Можно попытаться обнаружить в экспериментах и более косвенные проявления спонтанного коллапса, в первую очередь наличие или отсутствие так называемого перегрева. Дело в том, что на языке математики спонтанный коллапс описывается добавлением в уравнение Шрёдингера некоторого шума (он имеет математически строгое определение, но это шум). «Пинки» со стороны этого шума, собственно, и составляют причину происходящего с волновой функцией при спонтанном коллапсе. Да, случаются они нечасто, но все равно дают добавки к полной энергии системы (или даже энергии наблюдаемой Вселенной); достаточно большие такие добавки и составили бы перегрев – где приставка «пере-» указывает на эффект, подлежащий наблюдению.

Экспериментальные усилия по поиску косвенных следов этого шума пока не дают результатов; это значит, что возможный уровень такого перегрева лежит в пределах погрешности, которая имеется в любом эксперименте. Отсюда получаются ограничения на величины, характеризующие спонтанный коллапс – среднее время его ожидания и ширину «пятна». Проводимые сейчас эксперименты подбираются к критической проверке гипотезы спонтанного коллапса – критической в том смысле, что нулевой результат поставил бы крест на этой смелой модификации квантовой механики{90}.

Вигнер попросил друга понаблюдать на время отпуска за кошкой Шрёдингера, а сам не уехал, а, наоборот, взялся наблюдать за другом. Возник конфликт.

Выходец из Венгрии (как и фон Нейман и еще несколько ярких фигур квантовой эпохи) Вигнер известен далеко не только «историей про друга» – как и Шрёдингер, к слову, вовсе не «историей про кошку». За пределами собственно квантовой механики и математики часто упоминается статья Вигнера «Непостижимая эффективность математики в естественных науках»{91}. А в интересующей нас истории Вигнер задал вопрос о том, что будет, если рядом со шрёдингеровской кошкой, в изоляции от остального мира, окажется человеческое существо. Приключения кошки, как мы помним, начинаются с состояния электрона, приводящего в действие весь сюжет; впрочем, после вовлечения в процесс человека кошка как таковая (вместе с ядом и излишним драматизмом) оказалась не нужна: заключения об исходе измерений над квантовой системой (тем самым электроном) лучше делать не по состоянию животного, а на основе словесного отчета, выражающего содержимое памяти.

Мысленный эксперимент с другом Вигнера был придуман в самом начале 1960-х гг., но в последнее время пережил вторую молодость как инструмент для анализа свойств квантовой реальности. В современных реалиях, кстати, обычно поддерживается гендерный баланс участников, что по-английски совсем просто, достаточно сказать, что Wigner's friend – это она. Это, кроме всего прочего, еще и удобно, когда надо следить за тем, кто из них что наблюдает или делает: если «он», то Вигнер, а если «она» – то friend. По-русски, однако, «подруга Вигнера» выглядит не совсем нейтральной конструкцией, поэтому пусть Вигнер просит помочь свою коллегу. (Ее могли бы звать, например, Ирэн, но это, пожалуй, излишняя детализация.) «Коллега Вигнера» едва ли станет мемом того же уровня, что и «друг Вигнера», но с возложенным на нее заданием справится так же хорошо.

Коллега находится в лаборатории, где в ее распоряжении имеется вертикально ориентированный прибор Штерна – Герлаха; в главе 7 мы обсуждали, как он измеряет спин электрона. Сейчас в прибор влетает электрон, находящийся в состоянии «спин вверх плюс спин вниз». Коллега ведет себя самым обычным образом – как любой экспериментатор, к чему мы вернемся через мгновение.

Вигнер же совсем не прост. Он изолировал всю лабораторию от внешнего мира и воспринимает и электрон, и прибор, и свою коллегу вместе со всей лабораторией как квантовую систему, а сам не спешит проводить измерения над этой сложной системой. Она, следовательно, развивается во времени согласно уравнению Шрёдингера – которое говорит, что коллега (и вся лаборатория, что я подразумеваю, не всегда оговаривая) пришла в запутанное состояние

Для краткости здесь не сказано про показания прибора «измерен спин вверх» и «измерен спин вниз», но именно их коллега и видит.

Итак, с точки зрения Вигнера электрон и коллега находятся в запутанном состоянии. Но сама коллега видит перед собой обычный результат взаимодействия электрона с измерительным прибором. Все (от копенгагенцев до эвереттовцев и бомовцев) знают, в чем этот результат состоит, даже если объясняют они это по-разному: она видит ручку прибора (или любой другой способ индикации), указывающую, какое (одно!) значение спина измерено; сам электрон при этом так или иначе сколлапсировал – оказался в состоянии, отвечающем измеренному значению спина (например, «спин вверх»). Внутри лаборатории нет решительно ничего запутанного.

Обсуждая эксперимент за ужином, Вигнер и его коллега поделятся своими впечатлениями о событиях за день: коллега скажет, что в 12:01, сразу после ее измерения, электрон находился в состоянии «спин вверх», и это было зафиксировано в состоянии измерительного прибора, а заодно и в ее памяти. Вигнер же возразит, что в 12:01 электрон, прибор, коллега и вся лаборатория находились в запутанном состоянии. Настоящий Вигнер (а не его реплика, превратившаяся в постоянного героя мысленных экспериментов), собственно говоря, и привлек внимание к наличию двух существенно различных картин реальности – картин с разными фактами{92}, {93}.

Вигнер может привести эти две картины реальности в соответствие, если сам сделает измерение над всей лабораторией – измерение, которое различает между результатами «спин вверх» и «спин вниз», а точнее – между двумя ветвями приведенной выше волновой функции электрона и коллеги. Роль такого измерения для Вигнера может сыграть и сообщение от коллеги, переданное в 12:02 по телефону или через окно лаборатории: «Я получила результат спин вверх». Такое сообщение – вид взаимодействия, вызывающего коллапс волновой функции, которой пользуется Вигнер: она просто приобретет вид «(спин вверх, видит показание спин вверх, знает про спин вверх)», где добавлена часть про самого Вигнера – а по существу и про весь окружающий мир, по которому распространяется знание о результате измерения.

Но что, если Вигнер не делает такого измерения, а коллега не выходит из лаборатории, но – сюжетный поворот, который в 1985 г. добавил Дойч, – открывает в лаборатории специальное окно, через которое можно передать только сообщение «Я получила определенный результат»? Это осуществляется с соблюдением мер, намного более строгих, чем приняты в самых серьезных биологических лабораториях, чтобы наружу никаким образом не выскользнуло знание о том, какой именно это результат! Парадокс принимает вызывающий характер, потому что такое сообщение не должно стать причиной коллапса волновой функции, которой пользуется Вигнер – согласно которой коллега находится в запутанном состоянии, не описывающем определенный результат, хотя Вигнер узнал от коллеги, которой полностью доверяет, что какой-то определенный результат она получила.

Вигнера, кстати, могут посетить сомнения, не ошибся ли он с волновой функцией для описания всей большой системы, включающей коллегу и всю лабораторию. Чтобы проверить себя, он делает так называемое белловское измерение. Это совсем не то измерение, которое различает между вариантами, вырастающими из возможностей «спин вверх» и «спин вниз». Теоретически (а для простейших систем даже практически) возможны измерения, которые позволяют отличить волновую функцию «(спин вверх, видит спин вверх) плюс (спин вниз, видит спин вниз)» от математически другой «(спин вверх, видит спин вверх) минус (спин вниз, видит спин вниз)»{94}. Это две различные возможности, и Вигнер узнает из измерения, что реализована одна из них, причем первая, – что да, волновая функция именно такова, как он и думал. И, что важно, в результате такого измерения сама волновая функция никак не страдает (коллапс не случается), потому что измерение не «выбирает» какую-то часть волновой функции, а лишь «проверяет» всю ее целиком; в волновой функции не содержится никаких других возможностей, которые по итогам измерения оказались бы нереализованными. Успешная проверка волновой функции накаляет отношения Вигнера с реальностью: что именно в ней является фактами?

Для Вигнера знание, которым обладает его коллега, – это своеобразные скрытые параметры, информация, дополнительная к той, которая содержится в волновой функции. Особенность данного случая (помимо личного знакомства) состоит в том, что для обладания такой дополнительной информацией не требуется изобретать чего-то сверх квантовой механики, коль скоро коллега действует в рамках известного нам устройства мира. Она знает, какое значение спина определилось в ее измерении, а узнать это из волновой функции, которой пользуется Вигнер, нельзя. Частичная информация в виде фразы на венгерском, английском или русском языке (Határozottan eredmény volt megfigyelhetö; I have observed a definite outcome; Я получила определенный результат), конечно, не очень типичный способ работы скрытых параметров, но сути дела это не меняет.

Стоя на плечах Белла (глава 16), исследователям, работающим на стыке квантовой механики и философии, удалось развить это наблюдение о скрытых параметрах и превратить «друзей Вигнера» в инструмент исследования квантовой реальности. Пока это инструмент теоретический, но таковой когда-то была и запутанность. Оказалось, что квантовая механика не позволяет существовать в реальности некоторым довольно очевидным вещам: приводит к логическому противоречию, стоит только пожелать совместного выполнения нескольких свойств, каждое из которых выглядит достаточно естественным и безобидным. Первое свойство – что нет явного запрета на применение квантовой механики к «большим» объектам. Второе – локальность, в данном случае в том само собой разумеющемся смысле, что настройки измерительного прибора в Пекине не влияют на результаты экспериментов, выполняемых в тот же момент в Инсбруке. Заодно, и это третье свойство – что имеется полная свобода в выборе настроек в каждом приборе. Четвертое же, самое интересное свойство относится к фактам: что они, факты, не зависят от наблюдателя и что сведения о произошедших или не произошедших событиях включаются в единую картину на равных правах независимо от наблюдателя.

Вот эти свойства и не могут иметь места одновременно! Доказательство использует вигнеров в сочетании с запутанностью: требуются два вигнера и две коллеги. Вигнер-1 запечатывает в лаборатории коллегу-1 и наблюдает за ней, а вигнер-2 делает то же с коллегой-2. А каждая коллега получает в свою лабораторию по электрону из запутанной пары. В такой ситуации наблюдения коллег в самом деле играют роль скрытых параметров, на основании чего можно написать неравенства типа неравенств Белла – которые нарушаются, если каждый из вигнеров проводит определенные измерения над «своей» лабораторией. При доказательстве неравенства требуется использовать перечисленные четыре свойства, из-за чего они и фигурируют в формулировке противоречия.

Одним из четырех свойств – наших пожеланий к реальности – надо пожертвовать, оно не выполняется в природе. Каким? Возможно, «общемировых» фактов не бывает; каким-то образом получается так, что факты-для-коллеги и факты-для-Вигнера – не всегда одно и то же. Таков подарок от Вигнера кьюбистам (которые всегда примерно это и говорили). Конечно, может нарушаться и что-то еще из списка{95}, но все же под подозрением в первую очередь оказывается наличие единой «классической» (т. е. такой, как мы привыкли) реальности, в которую можно складывать результаты, получаемые различными агентами.

В том же направлении указывает и еще одно рассуждение, в котором нелегко приходится уже не Вигнеру, а его коллеге (хотя отправки сообщений от нее больше не требуется): различные моменты в ее жизни не сшиваются в одну классическую реальность; если угодно, у нее возникают «проблемы с памятью». Вот как это работает. Для начала она делает измерение – определяет, как всегда, спин того самого электрона. Затем она недолго отдыхает, а Вигнер тем временем выполняет уже обсуждавшееся «белловское» измерение, позволяющее ему проверить волновую функцию, которая описывает все содержимое лаборатории, включая, конечно, и коллегу. Сама она об этом и не подозревает, да и Вигнер за нее не беспокоится, потому что волновая функция лаборатории со всем ее содержимым от этого измерения не меняется. Но затем (таков был заранее согласованный план!) снова настает очередь коллеги произвести то же измерение с тем же электроном, что и в первый раз. Какой бы мы ожидали результат в сравнении с предыдущим?

Уточним вопрос: если коллега знает, что в первом измерении она наблюдала результат a, то какова вероятность, что во втором измерении она будет наблюдать результат b? (Как всегда с вероятностями, процедуру придется повторять много раз.) Вопрос типа «Какова вероятность, что я здоров, если известно, что тест отрицательный?» – осмысленный, ответ на него требует конкретной информации. Однако между двумя измерениями в лаборатории коллеги ничего не изменилось, поэтому вопрос близок к вопросам «Какова вероятность, что я здоров, если известно, что я здоров?» и «Какова вероятность, что я болен, если известно, что я здоров?», ответы на которые – 100 % и 0 %. Для коллеги, другими словами, искомая вероятность должна быть равна 100 %, если второй результат есть просто тот же самый a, и равна нулю, если это другой результат. Однако квантовая механика говорит, что вероятность равна 50 %: в половине случаев коллега заключит, что два результата совпадают, но в половине случаев – что они различны.

Здесь вовлечены два переживаемых коллегой момента времени, и ее заключение опирается на память о первом результате. В системе ничего не изменилось, поэтому в 50 % случаев память коллеги оказывается недостоверной – из-за наблюдения со стороны Вигнера, хотя оно и не меняет квантового состояния. Возникающий здесь разрыв реальности можно выразить другими словами, сказав, что с информацией из прошлого не получается обращаться так, как будто она все еще существует сейчас{96}.

Мысленные эксперименты с друзьями и коллегами Вигнера плодотворно обсуждались в нескольких близких вариантах, и логическое противоречие удалось зафиксировать даже в небольшом перечне требований, которые обычно предъявляются к наблюдателю («агенту», в другой терминологии). В самом деле, каким условиям надо удовлетворять, чтобы «соответствовать должностным обязанностям наблюдателя»? Анализ показывает, что дело сводится к четырем требованиям. Во-первых, наблюдатель должен действовать локально и в пространстве, и во времени: как бы он ни подкручивал настройки своего прибора, они не оказывают мгновенного влияния на расстоянии и не влияют на прошлое. Во-вторых – и здесь начинается самое интересное, – впечатления наблюдателя должны иметь соответствия в физическом мире; например, если вы наблюдаете красный цвет, то ваши нейроны срабатывают одним способом, а если зеленый – то другим{97}. В-третьих, наблюдатель должен считать мысли других квалифицированных агентов столь же реальными, сколь свои собственные. Четвертым, и последним, идет эго-абсолютизм: утверждение, что наличие моих мыслей безусловно, не зависит ни от каких условий и не требует указания каких-либо контекстов и тому подобного.

Выясняется, однако, что в применении к наблюдателям в ситуации «друзей Вигнера» одни только эти требования (в сочетании, разумеется, с квантовой механикой) уже приводят к логическому противоречию. Они, следовательно, не могут выполняться одновременно. Неудивительно, что обсуждаемый мысленный эксперимент так хочется приблизить к реальности.

Изолировать сколько-нибудь большую систему от внешнего мира невозможно, поэтому обсуждаются перспективы поручить роль коллеги или друга искусственному интеллекту высокого уровня, реализованному в квантовом компьютере. Над ним тогда можно было бы выполнять измерения, а он в свою очередь измерял бы спин одного кубита. Что бы он рассказал о пережитом? На данный момент практические достижения скромные: нарушение неравенств Белла было действительно установлено в «запутанном» эксперименте с двумя вигнерами и двумя друзьями, но роль последних исполняли всего лишь фотоны (точнее, выбираемые ими пути) – а фотон не все готовы считать настоящим другом. В общем, эксперимент показал, что в схеме, включающей несколько участников, а потому более сложной по сравнению с теми, что использовались ранее (например, в связи с неравенствами Белла), все запутывание происходит так, как и велит уравнение Шрёдингера; до опытов с памятью коллеги пока далеко.

В свое время проверка неравенств Белла представлялась делом далекого будущего. «Повышение качества друзей» за счет развития технологий, возможно, позволит когда-нибудь точнее указать, в чем именно квантовая реальность расходится с классической. По крайней мере одна точка несогласия определенно есть, но их может быть и несколько.

Другой вопрос – каким же образом мы все-таки оказались вдали от обсуждаемых странностей мироустройства в окружающей нас классической реальности? Она-то откуда берется, если внутри все квантовое?

Мир выглядел бы совершенно безумным, если бы в нашем восприятии отражалась даже малая часть экзотически запутанных состояний, которые в огромном количестве возникают в ходе эволюции волновой функции под управлением уравнения Шрёдингера. Общим местом была бы неопределенность положения и ориентации в пространстве; объекты находились бы в самых немыслимых комбинациях запутанных свойств. Кроме того, мир потерял бы всякую стабильность, потому что квантовые состояния хрупки и уязвимы: один-единственный наблюдатель, взявшийся за измерение без предварительного знания, изменит состояние системы на какое-то другое.

Вместо этого мы живем во вселенной, состоящей из множества классических систем: это бактерии, камни, деревья, тигры, планеты… Все они ведут себя так, чтобы нельзя было даже заподозрить их квантовое происхождение: они не вовлекаются в запутанность и не образуют новые состояния путем комбинирования других состояний. Они полноценно существуют «сами по себе», независимо от того, что о них известно, а наблюдения с целью выяснить их состояние никак это состояние не портят.

Такое положение дел и составляет то, что мы называем объективной классической реальностью. Она, однако, должна каким-то образом «вырастать» из квантовой реальности, сидящей в глубине вещей. И это притом, что в ходе развития волновой функции во времени возникает несравненно (в убедительном математическом смысле) больше экзотических состояний, чем тех, которые пригодны для создания классической картины мира.

Бесценные для нас немногочисленные состояния, участвующие в создании классической картины мира, оказываются, однако, «избранными» благодаря среде.

Каждая относительно самостоятельная система беспрестанно взаимодействует с тем, что находится вне ее. Ни одну систему нельзя полностью изолировать от всего на свете (при недосягаемости для любого взаимодействия она перестала бы быть частью физического мира). И по отношению ко всякой более-менее автономной системе весь остальной мир – это среда; хотя разделение между ними до некоторой степени условно, факт все же состоит в том, что «системы» существуют, а значит, как-то выделяются из среды{98}.

Среду не стоит недооценивать уже по той причине, что она играет роль информационного канала: наблюдаем мы не состояния сами по себе, а их «отпечатки», свидетельства о них в среде. Например, свидетельством существования этого текста среди прочего являются фотоны, отражаемые листом бумаги или излучаемые экраном.

Роль главного распорядителя во взаимоотношениях со средой принадлежит запутанности – по той простой причине, что квантовые состояния почти всегда представляют собой какие-то комбинации, а в таком случае любое взаимодействие, как мы неоднократно видели, вовлекает участников в запутанность в соответствии с уравнением Шрёдингера. «Вовлеченные» части среды и отражают («на них отпечатывается») состояние квантовой системы; говоря более формально, между состояниями системы и среды возникают корреляции.

Среда состоит из огромного числа относительно независимых элементов, и то, что мы наблюдаем при ее посредничестве, – итог создания колоссального числа «отпечатков». Пылинка диаметром около микрона рассеивает столько полученных от Солнца фотонов, что за одну микросекунду передает через них информацию о своем положении примерно 100 млн раз. При этом квантовые состояния, представляющие собой экзотические комбинации (пылинка в комбинации состояний «здесь» и «там»), сильно отстают и оказываются в этом смысле «не приспособленными к среде». Среда обеспечивает отбор, в результате которого выживают, множатся и потому наблюдаются только наиболее приспособленные к окружающим условиям.

Идея более успешного размножения самых приспособленных знакома нам по совсем другому поводу: она восходит к Дарвину и объясняет происхождение видов, т. е. биологическую эволюцию. Если полностью отвлечься от содержания и обсуждать только формальные признаки, главные идеи дарвиновского отбора – это репродукция, наследуемая изменчивость (небольшие вариации в свежесоздаваемых экземплярах, передаваемые затем следующим копиям) и избирательное выживание наиболее подходящих из них (собственно естественный отбор). Концепция возникновения наблюдаемого классического мира из ненаблюдаемого и чуждого ему квантового получила поэтому название квантового дарвинизма{99}.

Привычные нам состояния кошек и всего остального отличаются своей успешностью в соревновании под девизом «Оставь в среде как можно больше отпечатков». Кошку, пребывающую в запутанном состоянии неясности относительно жизни и смерти, не видно в записях, оставленных в среде. Доступны только (многократно повторяющиеся) записи одной из возможностей – живая или мертвая. Фраза «контроль окружающей среды» приобретает новое актуальное звучание, и вот как это работает.

Во-первых, состояния квантовых систем, которые имеют шансы быть «заметными» в классической вселенной, должны обладать относительной устойчивостью при взаимодействии со средой: от них требуется не слишком сильно изменяться от этого взаимодействия. Во-вторых, требуется устойчивость «отпечатков» состояний в среде (устойчивость корреляций состояний со средой). Здесь обсуждается уже не то, как среда влияет на систему, а как квантовая система влияет на среду. Правда, говорят при этом, что среда наблюдает или измеряет квантовую систему, потому что «отпечатки», оставленные в среде, до некоторой степени наделяют ее ролью измерительного прибора (задача которого ведь в том и состоит, чтобы так или иначе отобразить в своем состоянии свойства измеряемой системы).

Устойчивые в обоих смыслах состояния и оказываются «приспособленными» – многократно оставляют в среде информацию о себе, причем примерно одну и ту же. Такие состояния есть, и это состояния системы, минимальным образом запутанные со средой. К ним относятся состояния, выражающие определенные положение и ориентацию в пространстве, определенную скорость, определенный заряд или спин (поляризацию для фотонов). Для них используется обобщенный термин «указательные состояния», потому что они в принципе могут кодироваться положением ручки/указателя прибора. Наличие настоящего прибора совершенно не обязательно, речь идет только о принципиальной возможности; тем не менее положение указателя прибора, показывающее измеренное значение, – выразительный пример корреляции с состоянием измеряемой системы{100}.

Менее успешные состояния, более склонные к запутыванию, «разлокализуются» средой – вовлекаются в производство ветвей волновой функции, различающихся положениями в пространстве, и из-за этого «теряющих видимость» для локального наблюдателя. Как это происходит, можно увидеть в модельной ситуации, когда атом по-разному взаимодействует с молекулами воздуха в зависимости от своего спина: пусть атом со спином вверх передает молекуле «пинок», для простоты, вверх, а атом со спином вниз – пинок вниз. Атом же в состоянии «спин вверх плюс спин вниз» (скажем, при наличии вертикального магнитного поля) запутывается с молекулой в состояние «(спин вверх, получила пинок вверх) плюс (спин вниз, получила пинок вниз)». Но фигурирующая здесь молекула без промедления взаимодействует с другими, те, в свою очередь, тоже вступают во взаимодействия, и т. д.; в результате стремительно растет число участников обеих ветвей волновой функции, и два исходных спиновых состояния атома расходятся каждое «своей дорогой» (буквально по параллельным вселенным, если вам больше всего по душе интерпретация из главы 11). Отпечаток исходной комбинации свойств в волновой функции «разлокализовывается» в среде, становясь очень трудночитаемым, а вместо него возникает меню из отпечатков каждого свойства по отдельности.

Процесс растекания запутанности (корреляций) по среде называется декогеренцией. Он сопровождается лавинообразно растущим количеством различий, включая пространственные, между ветвями, которые вырастают из исходных возможностей, содержавшихся в волновой функции. Расстояние в один микрон может показаться небольшим, но если разнесенными на такое расстояние оказались молекулы в макроскопическом количестве, скажем около 10²³, то «суммарный зазор» сравним со световым годом. Накапливаются такие различия необычайно быстро; оценки несколько разнятся, но интервал времени в 10^–20 с выглядит разумным, а это очень быстро даже по атомным масштабам. Итоговая картина такова, как если бы указательные состояния вели себя не по квантовым, а по классическим законам – не образовывали бы комбинаций.

Попутно решается важная проблема, которую математический аппарат квантовой механики решить без посторонней помощи не в состоянии: какие именно возможности счесть «опорными» перед тем, как рассуждать о том, комбинируются они или нет? Квантовая механика сама по себе полностью равнодушна к тому, какие бывают кошки: вместо состояний «кошка жива» и «кошка мертва» с таким же математическим основанием можно взять состояния «кошка жива плюс кошка мертва» и «кошка жива минус кошка мертва»{101}. Чем выделены «нормальные» кошки? Точно так же про каждый измерительный прибор можно спросить, почему, собственно, в результате измерения ручка прибора указывает, например, на отметку «5», а не представляет собой комбинацию, скажем, состояния, указывающего на «3», и состояния, указывающего на «4». Что выделяет одни возможности среди прочих в качестве опорных? Это, по существу, вопрос об устройстве указательных состояний.

Конкретный вид указательных состояний зависит от того, как устроено взаимодействие между системой и средой – в первую очередь от того, насколько оно сильно. Если оно слабое, главную роль в формировании указательных состояний играет (командуя в уравнении Шрёдингера) энергия самой системы, и тогда выделенными оказываются состояния с постоянной энергией; они, как правило, нелокализованные, и именно таково состояние электронов в атоме. Но если взаимодействие между системой и средой достаточно сильное и при этом зависит от расстояния – а такое часто случается в соответствии с законами природы, – то предпочтительными состояниями оказываются те, которые отвечают определенному положению в пространстве. Причина – в отсутствии вражды между однотипными величинами (расстояние и положение в пространстве) и, наоборот, вражда положения с некоторыми другими величинами, например с энергией движения. Классический мир, как отсюда можно заключить, хотя бы отчасти обязан своим возникновением распространенной форме законов природы – зависимости силы взаимодействия от расстояния.

Поучительный пример того, как взаимодействие со средой «побеждает» стремление квантовых систем находиться в состояниях с определенной энергией, – молекулы, такие как сахара, которые имеют две пространственные формы, представляющие собой зеркальные отражения друг друга. Эти молекулы всегда находятся в состояниях с определенной хиральностью, т. е. являются левыми или правыми, хотя каждое из этих состояний – это комбинация состояний с определенной энергией! Дело здесь именно в постоянном «наблюдении» со стороны среды, образованной окружающими молекулами. Всякая попытка приготовить молекулы сахара в состоянии с определенной энергией привела бы к немедленной декогеренции в более устойчивые состояния с определенной хиральностью.

И никогда не наблюдаются состояния, выражающие комбинацию различных значений электрического заряда. По-видимому, взаимодействие заряда с им же созданным полем уже играет роль взаимодействия со средой, в результате которого такие комбинации проигрывают состояниям с определенным зарядом.

Каждому указательному состоянию соответствует набор физических величин, которые хорошо отпечатываются в среде: от них требуется отсутствие взаимной вражды в смысле, обсуждавшемся в главе 3 (а также – аналогичным математическим образом – «дружба» с самим указательным состоянием). Тогда их можно наблюдать/измерять совместно, и наблюдатели получат для них устойчивые и согласующиеся между собой данные – необходимые черты классической реальности. Например, различные наблюдатели, к которым попадают порции информации от уже упоминавшейся пылинки, сделают из них согласованные выводы о ее положении в пространстве, и это позволяет приписать пылинке «объективное положение». Именно консенсус, достигаемый на основе независимых наблюдений, и поддерживает иллюзию объективного существования классической реальности.

Из устройства запутанности математически следует, кроме того, что отчетливо различные отпечатки в среде оставляют только те квантовые состояния, которые «максимально разделены» в своих математических пространствах, где властвует квантово-механический «оракул». Оттуда к нам передается таким способом некоторая дискретность: два «соседних» состояния, различимых по отпечаткам в среде, в своей внутренней жизни должны различаться не на какую-то незначительную добавку, а максимально существенно, на что-то вроде «скачка» (не должны иметь никакого «пересечения», для чего есть строгое математическое определение).

У нас нет ни возможности, ни необходимости вылавливать всю распространившуюся по среде информацию, прочесывая пространство целиком. Каждому наблюдателю всегда доступен только какой-то фрагмент – например, далеко не все фотоны, которые могут свидетельствовать об этом тексте, попадают на вашу сетчатку. Кроме того, записи в среде в огромной степени избыточны, поэтому при накоплении информации быстро наступает насыщение: дальнейшее восприятие не дает почти ничего нового. «Создание» классической реальности на основе избыточной информации перекликается с замечанием Витгенштейна о персонаже, который собирается купить побольше экземпляров утренней газеты, чтобы уверить себя, что все, написанное в газете, – правда{102}. Похожим образом и обстоит дело с возникновением правдивой классической реальности, с тем только отличием, что тут содержание «газеты» все же слегка варьируется от экземпляра к экземпляру в зависимости от того или иного фрагмента среды.

А разве Вигнер с друзьями не пошатнули представления о наличии классической реальности как таковой? В принципе да, но только в принципе. Все «вигнеровские штучки» исключительно уязвимы в отношении взаимодействия со средой. Даже намек на среду полностью снимает все сложности с устройством квантовой реальности, обсуждавшиеся в предыдущей главе (недаром надежды создать друзей/коллег Вигнера связаны только с их существованием внутри квантовых компьютеров). Благодаря среде, выполняющей свою работу по декогеренции, друзья и коллеги Вигнера могут не беспокоиться о тонкостях квантового устройства и во всех практических смыслах быть уверенными, что живут в одной классической реальности с Вигнером и всеми прочими.

В программу квантового дарвинизма входит и вывод правила Борна для вероятностей (глава 10). Без него, как мы видели, в квантовой механике «совсем никуда», и было бы замечательно не принимать его как независимую аксиому, а получить в качестве следствия из декогеренции и сопутствующих идей. Прогресс в этом направлении есть, но остается и проблема, которую квантовый дарвинизм и вообще декогеренция не решают: это механизм коллапса (или объяснение, почему кажется, что коллапс есть, если его нет). Декогеренция останавливается «вплотную перед коллапсом», объясняя, каким образом различные ветви волновой функции (охватывающей, разумеется, среду) теряют связь друг с другом. Большего от декогеренции требовать нельзя, потому что коллапс не может происходить в согласии с уравнением Шрёдингера, а декогеренция – это ожидаемые следствия из уравнения Шрёдингера, только примененного к огромному числу частиц. Для объяснения коллапса все равно требуется привлечь к делу избранную вами интерпретацию квантовой механики. Пожалуй, самым естественным образом идеи декогеренции встраиваются в многомировые концепции (глава 11), заодно снимая имевшуюся там неясность относительно того, по каким именно ветвям расходятся различные вселенные (на этот счет я уже проговорился чуть выше: по ветвям, которые растут из указательных состояний и декогерируют относительно друг друга).

Прямая математическая проверка декогеренции вообще и квантового дарвинизма в частности со сколько-нибудь реалистичным числом участников невозможна (в том числе и на компьютере) именно из-за колоссального числа участников; вместо этого теоретически исследовались многие очень упрощенные ситуации, и в них находили свое подтверждение обсуждавшиеся выше эффекты, такие как устойчивость указательных состояний, распространение корреляций по среде, множественность копий и насыщение классического восприятия из среды. Кроме того, в ситуациях, поддающихся контролю в силу их простоты, ставились и реальные эксперименты с целью зафиксировать подобные эффекты. Например, замена в кристаллической структуре алмаза одного атома углерода на азот, у которого на один электрон больше, привносит в это место «одинокий спин» этого лишнего электрона. Он и становится исследуемой квантовой системой. В качестве среды выступает тот же алмаз, а точнее – те 0,3 % ядер атомов углерода, которые представляют собой изотоп углерод-13, а не углерод-12, как все остальные. У них, в отличие от прочих, имеется ненулевой спин. «Одинокий спин» нашего электрона взаимодействует с несколькими ядерными спинами, а те взаимодействуют между собой. Спином электрона можно управлять (например, переворачивать его), а затем смотреть, как реагируют ядерные спины. Удалось зафиксировать и многократно повторенные «отпечатки», и быстрое насыщение среды информацией. Разумеется, до исчерпывающих проверок пока далеко, и по мере того, как экспериментальные возможности будут нарастать, представления о механизме производства классической реальности из квантовой будут, наверное, уточняться. Обсуждаемые в этой главе идеи продолжают эволюционировать, и концепция квантового дарвинизма едва ли останется без изменений, но определяющая роль среды в формировании иллюзии классического мира не вызывает серьезных сомнений.

И конечно, декогеренция и вся схема квантового дарвинизма требуют разделения мира на «системы» и «среду». Пока такого разделения не проведено, нет, по-видимому, и никакой проблемы измерения: волновая функция всего содержимого Вселенной развивается во времени согласно уравнению Шрёдингера, и больше обсуждать, собственно говоря, нечего. Проблемы измерения и коллапса появляются, когда мы разделяем мир по крайней мере на две части и желаем приписать определенное квантовое состояние одной из этих частей («системе»). Только тогда нас начинают заботить такие понятия, как «наблюдение/измерение», «корреляция» и «взаимодействие» (и даже «факты»). Поскольку окружающий мир, да и мы сами построены как иерархия систем, такие заботы нам не чужды.

Науку XX в. отделяют от науки предыдущего столетия (со всеми ее неоспоримыми достижениями, включающими понимание электромагнетизма и теплоты) не только множество конкретных открытий, но и как минимум два эпизода смены парадигмы. Одним из них было возникновение квантовой механики, а другим, более ранним по времени и никак не связанным, – создание теории относительности.

Теория относительности, в ее простом варианте так называемой специальной теории относительности, – это, по существу, механика быстрого движения и все, что с ней связано. В быстрое зачисляется движение со скоростями, составляющими заметную долю от скорости света (от скорости света в пустоте, как всегда подразумевается в таком контексте). Кое-что при этом происходит не так, как мы ожидаем исходя из нашего опыта очень медленного движения – опыта, который и отражен в правилах классической ньютоновской механики.

Среди прочего из «относительности» следует возможность «перемешивания пространства и времени». По Ньютону, пространство и время – полностью раздельные сущности, записанные, если угодно, в отдельных клетках Таблицы устройства мира. Но в действительности содержимое различных клеток комбинируется по определенным правилам. Если вы движетесь относительно меня, то ваше исчисление времени сочетает в себе мое представление о времени и мое представление о пространстве; а ваше понимание пространства включает не только то, что я понимаю под пространством, но и добавление от того, что я понимаю под временем. У меня – аналогичное представление о ваших понятиях пространства и времени{103}. Такие перемешивания зависят от относительной скорости; они-то и позволяют говорить о пространстве-времени как о чем-то едином, а не простом соединении двух различных понятий.

А еще «относительность» означает, что мы с вами полностью равноправны в описании природы, пока движемся относительно друг друга без изменения скорости, и вообще равноправны со всеми другими возможными подобными наблюдателями – в том смысле, что законы природы действуют для всех нас одинаково. Отсюда возникает требование к физическим теориям, которые мы изобретаем для описания природы: они должны хорошо переносить «перемешивание пространства и времени», которое требуется для согласования точек зрения различных движущихся наблюдателей.

Уравнение Шрёдингера не такое. Его структура разрушается при подобном перемешивании. Сам Шрёдингер первоначально собирался записать уравнение, которое его выдерживало бы, но задача оказалась малопонятной и уводящей «не совсем туда». В итоге его уравнение не учитывало требований относительности, но оказалось тем не менее сверхуспешным в огромном числе случаев, где больших скоростей нет. Однако задача придумать релятивистское (т. е. согласованное со специальной теорией относительности) уравнение никуда не делась.

В 1928 г. за эту задачу взялся Дирак – действуя способом, весьма «инновационным» по форме, и в результате за несколько драматичных лет произошло то, чего изначально не прогнозировал решительно никто.

Исходная проблема была, конечно, в том, что в уравнении Шрёдингера фигурирует темп изменения волновой функции со временем, а при перемешиваниях пространства и времени отсюда возникнут еще и «темпы» изменения волновой функции по пространственным направлениям, которых в исходном уравнении по отдельности нет, отчего структура уравнения нарушится. Вообще-то к тому времени уже было известно, как записать уравнение, структура которого выдерживает перемешивания пространства и времени, но туда входили слишком сложные образования – «темпы изменения темпов изменения», а именно, темп изменения во времени темпа изменения во времени, и еще три аналогичные штуки для пространственных направлений. Рецепт состоял в том, чтобы все их сложить{104}, что и давало хорошо себя ведущую конструкцию. Результат стал известен под названием уравнения Клейна – Гордона (или Клейна – Гордона – Фока), хотя именно это уравнение первым рассмотрел Шрёдингер; он отверг его по ряду причин, в том числе потому, что из-за появления тех самых «темпов темпов» правило Борна могло давать отрицательные вероятности, что бессмысленно. Кроме того, уравнение определенно не годилось уже даже для описания атома водорода.

Дирак же, полностью осознавая эти сложности, пожелал невозможного. Он хотел видеть в релятивистском уравнении не «темпы темпов», а одни только «просто темпы» изменения волновой функции. Прямого способа сконструировать такое уравнение не просматривалось. Чувствительный к математической красоте Дирак вообще был склонен находить или изобретать изящную математику, а затем идти за ней туда, куда вели ее внутренние законы. Такой порядок действий впоследствии вдохновлял многих; нет ясных причин, в силу которых он должен гарантировать успех, и преуспевали на таком пути действительно не все и не всегда, но случай с Дираком – образец жанра.

Перед его глазами был успех Паули по описанию спина (см. главу 9) с помощью «волшебной стрелки» и спиноров. «Волшебная стрелка» выражает направление в трехмерном пространстве, а обитатели математического пространства, спиноры, максимально чутко откликаются на ее вращение: после ее поворота на 360º в обычном пространстве они, спиноры, не становятся прежними; чтобы они вернулись к своему первоначальному виду, следуя за вращением стрелки, та должна сделать полный оборот дважды, т. е. повернуться на 720º. Пространство спиноров тут двумерное, а это означает, что для описания электрона со спином волновая функция должна стать, как мы говорили, «двойной» – составленной из двух компонент.

Дирак решил обобщить эти свойства на случай пространства-времени. Хотя пространство-время – до некоторой степени математическая конструкция (мы-то сами живем в пространстве и ощущаем ход времени), в математике нет причин, мешающих построить объекты, столь же чуткие к поворотам в четырехмерном пространстве-времени. Для них потребовалось новое абстрактное пространство, которое по совпадению оказалось тоже четырехмерным. Это означало не две, а четыре компоненты волновой функции электрона, что с самого начала было несколько необычно, но иначе математика «не сходилась».

Ключевой момент здесь в том, что «повороты» в пространстве-времени включают в себя те самые пересчеты между картинами мира движущихся наблюдателей, которые перемешивают пространство и время, и поэтому хорошее поведение при таких поворотах обеспечивает согласованность со специальной теорией относительности. «Волшебная стрелка» в пространстве-времени, на повороты которой готовы были откликаться новые объекты, уже не изображала магнит, как в трехмерном пространстве, а стала чисто математической, но это никого не смущало – Дирака во всяком случае. Он смело согласился с тем, чего хотела математика: решил, что волновая функция будет составлена из четырех компонент, и при перемешиваниях пространства и времени они будут изменяться так, как говорит им живущая в пространстве-времени «воображаемая стрелка». Для них и удалось сформулировать уравнение со всеми желаемыми свойствами – ставшее известным как уравнение Дирака{105}.

Уравнение Дирака оказывается согласованным со специальной теорией относительности, если при пересчете между картинами мира движущихся наблюдателей не только перемешивать пространство и время, но и переставлять и комбинировать между собой компоненты волновой функции так, как велит это делать математика четырехмерных поворотов и отвечающих им спиноров.

Дирак в некотором роде доверился красоте математики, но успех в приложении к физическому миру последовал колоссальный: из нового уравнения автоматически получилось «удвоение силы магнита» для спина электрона – удвоение, которое Паули вынужден был использовать без объяснений (см. главу 9). Но это было далеко не все! Рассмотрев следствия из своего уравнения для атома водорода, Дирак нашел уточнения для разрешенных значений энергии по сравнению с теми, которые следовали из уравнения Шрёдингера после того, как Паули внедрил туда спин. Хотя и небольшие по величине, они улучшали совпадение между теоретическим результатом и экспериментальными данными, и это без сомнения свидетельствовало в пользу новоиспеченного уравнения (как мы помним, первоначально главным аргументом в пользу уравнения Шрёдингера тоже было вычисление разрешенных значений энергии в атоме водорода).

Но дальнейшая интрига развивалась по известному закону некоторых популярных жанров, где герой не добивается полного успеха с первой попытки, несмотря на то что поначалу все у него идет на удивление гладко; если это настоящий герой, ему предстоит пройти через кризис, когда рушится буквально все. Четырех компонент волновой функции, необходимых для записи уравнения, согласованного с теорией относительности, было ровно в два раза больше, чем нужно для описания электрона. Две из них работали, как было сказано, превосходно. На две другие можно было не обращать большого внимания в задачах типа атома водорода и в ряде других задач до тех пор, пока энергия описываемых ими электронов была достаточно мала: эти «непонятные» компоненты оказывались тогда несущественными. Но так было не во всех случаях.

Дело в том, что среди следствий специальной теории относительности имеется еще и формула Эйнштейна E = mc²: энергия покоящегося тела с массой m равна этой массе, умноженной на квадрат скорости света (в наши дни эта последовательность символов стала мемом). Уравнение Дирака «знало» об этой формуле – раз оно оказалось согласованным с требованиями теории относительности, математика обеспечивала появление этих эм-цэ-квадрат в нужных местах; в частности, «малые» энергии электронов, при которых две лишние компоненты волновой функции несущественны, означают энергию их движения, малую по сравнению с энергией mc² (где масса m – это, конечно, масса электрона). При таких условиях Дирак и получил впечатляющие результаты для электрона в атоме. Однако полностью избавиться от двух «лишних» компонент было невозможно – само уравнение препятствовало этому.

Да и по принципиальным причинам систематически игнорировать их было нельзя, потому что если какая-то идея или уравнение претендует на описание мира, то решительно невозможно рассматривать только нравящиеся нам следствия из этой идеи или уравнения, забывая про все те, которые противоречат наблюдениям. Но «зачем» появились лишние компоненты? Противоречат ли они наблюдениям? И какой в них смысл?

Со смыслом все было совсем плохо. Две лишние компоненты описывали что-то вроде электрона – с тем же спином, что и у электрона, но с отрицательной массой, в точности противоположной массе электрона. Отрицательная масса – патологическое явление, которое не только не наблюдается в природе, но и вообще полностью противопоказано существованию мира. Решения уравнения, представленные двумя «хорошими» компонентами, имели положительную массу и обладали положительной энергией, несколько большей указанного эм-цэ-квадрат за счет энергии движения. А у «плохих» решений энергия тоже включала энергию движения, но все равно оставалась отрицательной из-за того, сколь «сильно отрицательный» вклад вносила отрицательная масса по формуле Эйнштейна. Кризис разразился вот где: нет никаких причин, мешающих электрону с положительной энергией отдать избыток энергии в виде излученного света, а самому занять состояние с отрицательной энергией. Однако если бы сколько-нибудь заметная доля окружающих нас электронов так поступила, наш мир (разумеется, вместе с нами) исчез бы в довольно яркой вспышке.

Так куда же математика завела Дирака? Вполне могли закрасться сомнения, подходящим ли оказалось уравнение, изобретенное посредством «волевого» применения четырехкомпонентной волновой функции ради соответствия принципу (только «темпы изменения», но не «темпы изменения темпов изменения» волновой функции), который сам по себе мог оказаться достаточно произвольным.

Кризис усугублялся. В 1929 г. Клейн путем вычислений показал, что уравнение Дирака ведет к патологическому результату в том случае, когда прилетевший «издалека» электрон встречает энергетическую стенку, созданную электрическим полем. Со стенками мы уже встречались, хотя и в несколько другом контексте; общее правило состоит в том, что с определенной вероятностью налетающий электрон или отражается обратно, или проходит сквозь преграду. Из расчетов с использованием уравнения Дирака следовало, что стоит только энергетической стенке оказаться достаточно высокой (неудивительно, что в критерии достаточной высоты тут снова фигурирует энергия mc²), как вероятность отражения от стенки оказывается больше единицы. Если (что в данном случае разумно) представить себе, что на стенку налетает много электронов, получается, что отражается от нее больше, чем налетает! Откуда они берутся и что это вообще за бессмыслица?

Время шло, туман не рассеивался. В конце 1929 г. Бор написал Дираку письмо с выражением обеспокоенности, что для разрешения парадоксов потребуются концептуальные нововведения. В ответ Дирак предложил нечто, что выглядело порядочным сумасшествием.

Да, признал он, электрон, разумеется, может излучить «лишнюю» энергию и оказаться в состоянии с отрицательной энергией. Но только в том случае, если его туда пустят – если там есть незанятое состояние. Дирак, конечно, знал о еще одной идее, принадлежавшей Паули (не про то, как описывать спин электрона): два электрона не могут находиться в одном и том же состоянии. Это – фундаментальный закон природы, по-русски называемый принципом запрета (или принципом запрета Паули). Запрет действует «сильнее любой силы» – электроны не «не хотят», а «не могут» занимать одно и то же состояние (пассажиры пригородных поездов в час пик натыкаются на похожий запрет, но для электронов он действует с абсолютной строгостью). А в применении к состояниям с отрицательной энергией Дирак заявил, что если все они уже заняты, то никакой электрон из «правильного» состояния (с положительной энергией) попасть в них не сможет – он просто не найдет себе места, но не буквально в физическом пространстве, а в том «пространстве возможностей», где живет волновая функция.

Электронов, которые занимали бы все состояния с отрицательными энергиями, требовалось бесконечно много; о них стали говорить как о «море» электронов. Разумеется, последовал вопрос, почему мы не видим никакого изобилия странных электронов. В ответ пришлось объявить море как таковое ненаблюдаемым. Наблюдаемы только отличия от этого полного заселения – «дырки» в море.

Если действительно какой-то из «морских» электронов с отрицательной энергией получит откуда-нибудь к этой своей энергии прибавку колоссального размера 2mc², то он выберется из моря и окажется электроном с приличествующей ему положительной энергией. Но там, откуда он ушел, станет на один отрицательный заряд меньше – что на фоне моря будет восприниматься как появление положительного заряда. Аналогична картина и с массой/энергией: уход из моря электрона с отрицательной массой оставляет там дырку, которую можно воспринимать как частицу с положительной массой. В результате дело выглядит так, что полученная энергия 2mc² пошла на создание пары частиц: электрона с отрицательным зарядом и еще одной частицы с положительным зарядом, но с такой же массой, как у электрона! И парадокс Клейна получает объяснение: когда электрон налетает на энергетическую стенку высоты, превосходящей 2mc², очень сильное электрическое поле, требуемое для ее создания, порождает такие пары: «лишние» электроны выскакивают из моря, а необходимую для этого энергию берут у поля.

Если все это выглядело хотя бы отчасти правдоподобным, труднопреодолимая проблема состояла в том, что единственными известными в то время носителями элементарного положительного заряда были протоны. Другого варианта объяснить, как «дырки» могли бы проявляться, в природе просто не было, однако здесь не могло не бросаться в глаза различие в массах: масса протона больше массы электрона почти в две тысячи раз. Дирак приложил усилия, чтобы показать, каким образом взаимодействие с (бесконечным) количеством электронов из моря могло бы привести к такому различию между массой частицы и дырки. Он ограничился малыми по сравнению с эм-цэ-квадрат энергиями (т. е. фактически пренебрег требованиями теории относительности), признав, однако, что над развитием высказанных им идей надо еще поработать. Тогда к обсуждению подключился Вейль – математическая фигура мирового масштаба. Он показал, что нарушить условие равенства масс между частицами и дырками невозможно по глубоким математическим причинам. Таким образом, из предложения Дирака ничего не вышло. Сам Вейль сделал отсюда вывод, что от теории «дырок в море» следует отказаться!

Веские аргументы против интерпретации дырок как протонов привел и Оппенгеймер, заметив, что если бы дело обстояло таким образом, то атом водорода быстро бы «самоуничтожился». На протяжении нескольких лет изобретение Дирака, несмотря на имевшиеся достижения, выглядело отчасти курьезным. В конце концов, в 1931 г., реакцией Дирака на возражения Вейля и Оппенгеймера стало решительное движение вперед, туда, куда вела логика формул.

Если дырка не похожа ни на что известное, то, значит, известно не все. «На бумаге» впервые появилась новая частица: «дырка» была объявлена антиэлектроном.

При его встрече с электроном происходит то самое, чего все боялись, но теперь не как массовое, а как единичное явление: электрон с положительной энергией отдает избыток энергии и заполняет дырку. Однако на фоне моря картина выглядит иначе: обычный электрон со своим обычным отрицательным зарядом и другая частица той же массы, но с положительным зарядом исчезают, а вместо них появляются фотоны, несущие энергию 2mc².

Такой процесс в наше время хорошо известен как аннигиляция. И сейчас, говоря о ней, сразу добавляют, что аннигилируют частица материи и встречающаяся с ней частица антиматерии – ее античастица. Но вся идея античастиц и аннигиляции – вообще вся концепция антиматерии – выросла не из экспериментальных открытий, а из уравнения Дирака. Это уравнение неожиданно открыло вторую половину мира.

На упрек, что в игре ему часто просто везет, один известный гольфист однажды ответил: «Возможно. Но, знаете ли, я заметил, что чем лучше я играю, тем больше мне везет». Можно ли сказать, что Дираку «повезло»? Для решения задачи – написать релятивистское уравнение для электрона – известных средств не хватало, и он на свой страх и риск взялся придумывать новые. Но из новаторского по форме уравнения следовали и «хорошие», и «плохие» выводы. Обычно наличие «плохих» (конфликтующих с наблюдениями) приводит к закрытию всего проекта; «хороших» немного жаль, но что поделаешь – идея, значит, оказалась неверной, приходится признать поражение. Дираковский проект находился на грани закрытия из-за отрицательных энергий: если у электронов есть возможность «упасть» в состояния с такими энергиями, мир должен немедленно разрушиться.

Дирак обратил это почти поражение в победу, выдвинув почти абсурдную идею о заполненном, но ненаблюдаемом море электронов с отрицательной энергией. В числе наблюдаемых выводов отсюда оказались дырки – случаи недостачи электронов с отрицательной энергией, воспринимаемые как частицы с положительной энергией (и положительным зарядом). Придуманный таким образом антиэлектрон получил отдельное название: позитрон (от слова positive, что указывает на его положительный заряд).

Позитрон появился на бумаге как побочный продукт решения отдельной задачи, да еще с привлечением странной гипотезы, в то время, когда твердо, казалось бы, было установлено, что в природе имеются в точности две элементарные частицы, электрон и протон (даже нейтрон еще не был открыт!). Поэтому высказанное Дираком в 1931 г. предположение, что существует что-то еще, что никогда не наблюдалось, было необычайно смелым.

Далее события развивались стремительно. Позитрон был открыт экспериментально уже в августе 1932 г.; как это часто бывает, выяснилось, что следы, оставленные позитронами, наблюдались несколькими учеными и раньше, но те не придали им значения. (Кстати, в феврале того же года открыли и нейтрон.) Экспериментальное обнаружение «почти абсурдно» предсказанной частицы произвело такое впечатление, что в уже 1933-м Дирак стал нобелевским лауреатом – кстати, совместно со Шрёдингером, который свое уравнение открыл на семь лет раньше!{106}

Предсказание существования позитрона производит впечатление и теперь. Соединение двух независимых концепций – квантовой механики и теории относительности – дало знание, которое не содержалось в них по отдельности: знание об антиматерии. После теоретического появления антиэлектрона открытие других античастиц уже не представляло собой концептуальной сложности. Впечатление усиливается еще и тем, что Дираку потребовалась для этого математика, которая вовсе не лежала на поверхности{107}.

Но еще удивительнее произошедшее становится при взгляде с высоты знания, накопленного позднее. Теория дырок в море электронов с отрицательной энергией оказалась неверной или, во всяком случае, совершенно ненужной. Необоснованной оказалась и исходная мотивировка заменить уравнение Клейна – Гордона на какое-то другое, чтобы избежать отрицательных вероятностей. Как выяснилось, и уравнение Клейна – Гордона можно понимать таким образом, что отрицательных вероятностей не возникает, и в уравнение Дирака, если его понимать, как это сначала подразумевалось, отрицательные вероятности все-таки проникают.

Теория Дирака была лучшим возможным приближением к новому уровню понимания, достигнутому позднее. Она запустила процесс, который привел к грандиозному переосмыслению взглядов на фундаментальное содержание Вселенной. Отправная точка тут в том, что женитьба (словоупотребление, восходящее к самому Дираку) квантовой механики на теории относительности не позволяет квантовой механике оставаться теорией одной частицы, даже если «мы взяли всего один электрон».

Электроны и позитроны могут пропадать, аннигилируя друг с другом; их энергия и импульс, конечно, не исчезают в никуда, а достаются свету, но количество частиц интересующего нас вида тем не менее меняется. (До сих пор я для простоты говорил не об импульсе, а о скорости, и ошибки в том не было, но сейчас для точности все-таки понадобится импульс; в ньютоновской механике это просто скорость, помноженная на массу, а для фотона – его энергия, деленная на скорость света.) Возможен и обратный процесс, когда сверхсильное электрическое поле создает пары электрон – позитрон. Количество частиц не сохраняется. (Намек на то, что одним электроном не обойтись, можно было усмотреть уже в необходимости дираковского моря.)

Вместо уравнения для одной частицы потребовалась теория переменного числа частиц. Уже в 1932 г. ее основы сформулировал Фок, а также Паули совместно с Вайскопфом (в статье, которую неизменно резкий в высказываниях Паули называл «антидираковской»). Адекватная картина потребовала нового языка. В его основе лежали, во-первых, главная черта квантовой механики – комбинирование различных возможностей в волновой функции, а во-вторых, отдельное наблюдение, выражающее свойства физического мира: все частицы одного вида полностью одинаковы и, более того, неразличимы.

Неразличимость бросает вызов нашей интуиции. Кажется, что в скоплении одинаковых объектов всегда можно выделить один, или поставив на нем отметину, или не сводя с него глаз. Но отметину на электроне поставить нельзя примерно так же, как нельзя поставить отметину на одном бите информации; а не сводить глаз тоже не удастся, поскольку наблюдение представляет собой вмешательство в систему. Принципиальная неразличимость одинаковых частиц означает, что о перестановке двух таких частиц в природе бессмысленно даже говорить.

Чтобы волновая функция отражала такое положение дел, от нее, как кажется, тоже требуется не меняться при перестановке двух частиц. Но ситуация чуть более тонкая. Не меняться должно только то, что наблюдаемо: не сама волновая функция, а ее квадрат{108}. Для волновой функции тогда остаются две возможности: при перестановке или действительно не меняться совсем, или приобретать лишний знак минус (следы которого начисто пропадут при возведении в квадрат).

Мир на удивление охотно следует максиме «всё, что возможно, где-то реализуется». В природе и в самом деле встречаются неразличимые объекты обоих классов: те, для которых волновая функция совсем не меняется, и те, для которых она приобретает лишний знак минус при перестановке двух объектов. Те, для которых совсем не меняется, называются бозонами, а те, что грешат лишним минусом, – фермионами{109}.

Выразительные следствия имеются в каждом случае, но ситуация с фермионами ярче: для них отсюда следует принцип Паули, запрещающий одинаковые состояния в коллективе частиц. Мы им уже пользовались «взаймы», а сейчас можно увидеть, каким образом он получается из того самого минуса. Если имеются два одинаковых состояния, то при их перестановке волновая функция, разумеется, не меняется никак, но одновременно, по общему правилу для фермионов, она приобретает лишний минус. Единственное, что не меняется от лишнего знака минус, – число 0. Следовательно, волновая функция с двумя фермионами в одном и том же состоянии равна нулю – и вероятность встретить такую картину тоже равна нулю. Таким-то образом фермионы и оказываются абсолютно нетерпимы к себе подобным.

Возвращаясь к тому, как описывать переменное число частиц: вновь спасибо волновой функции за то, что она позволяет комбинировать «что угодно» с помощью безобидного с виду знака плюс (который мы многократно использовали, говоря о состояниях типа «спин вверх плюс спин вниз»). Теперь предлагается без тени сомнения подобным же образом комбинировать состояния, описывающие один, два, три и т. д. неразличимых объекта – разумеется, заранее побеспокоившись, чтобы каждое из этих состояний не изменялось при перестановках частиц, если они бозоны, и приобретало минус, если фермионы. Математическое пространство, в котором помещаются все эти состояния, называется пространством Фока. Это, если угодно, конструкция с бесконечным количеством этажей: на первом живут одночастичные волновые функции, на втором – двухчастичные, и т. д. На каждом следующем этаже все больше разнообразия, поэтому вполне можно представлять себе, что с набором высоты этажи расширяются; и все это странное «здание» продолжается вверх без ограничения. Математика это позволяет.

А далее в этом математическом пространстве, содержащем все возможные многочастичные состояния, происходит «квантовое чудо» с радикальными последствиями для фундаментальной картины мира. В его структуре обнаруживается бесконечный набор квантовых колебательных систем. Такие системы встречались нам в главе 4 – с угрозой, что они появятся снова, причем на более фундаментальном уровне. Эту угрозу я сейчас и привожу в действие.

Обычные колебательные системы ассоциируются с тем или иным видом упругости – которая, собственно, и определяет частоту их колебаний. Но здесь откуда берется что-нибудь в этом роде? Квантовая механика прекрасна своей абстрактностью, полностью избавляя нас от мучительной обязанности изобретать «наглядные», но несуществующие подробности. Квантовая колебательная система существует постольку, поскольку выполнены все необходимые формальные свойства, ведь картины «что, как и куда движется» для квантовых колебаний все равно нет! А с формальными свойствами дело обстоит следующим образом.

Ключевое свойство квантовых колебаний, как мы говорили, – дискретные значения энергии, разделенные интервалами постоянной ширины: имеется бесконечно уходящая вверх «лестница» разрешенных значений энергии. За «сооружением» этой лестницы в глубине квантовой механики стоят пары операций, изменяющих волновую функцию: одна операция превращает волновую функцию, отвечающую каждой ступеньке, в следующую по порядку возрастания энергии, а другая – в предыдущую. Причина дискретности – вражда между этими «лестничными операциями», повышающей и понижающей. (Как мы говорили в главе 3, на самом фундаментальном уровне вражда происходит из взаимоотношения абстрактных операций; они воздействуют на волновые функции, как мы видели в главе 9, и вражду можно «измерить», сравнивая результаты применения операций в разном порядке.) Повышающая и понижающая лестничные операции, должным образом враждующие друг с другом, и берут на себя почти всю работу по определению квантовой колебательной системы, никакие наглядные образы при этом не нужны. В дополнение требуется только конкретное расстояние между энергетическими ступеньками (которое для неквантовой колебательной системы связано с упругостью и определяет частоту колебаний).

Удивительным образом в системе с переменным числом неразличимых частиц обнаруживается все необходимое для существования квантовых колебательных систем! А когда система с переменным числом частиц рассматривается в качестве организованного набора квантовых колебательных систем, она принимает вид квантового поля.

В оставшейся части этой главы я расскажу, что такое квантовое поле и как до него добраться, следуя исторической логике – начиная именно с системы с переменным числом частиц. Без этого мотивировать всю конструкцию не очень просто, но стоит сразу оговориться, что логика современного взгляда на природу обратна исторической: именно квантовые поля рассматриваются как самые фундаментальные структуры материи. Они совершенно самостоятельны в своем существовании, а проявлять себя могут в том числе в виде элементарных частиц. Дорогу к квантовому полю проще пройти, имея дело с бозонами, как я и собираюсь поступить. Начинаем!

«Плодотворная дебютная идея» состоит в том, чтобы сформулировать математическую операцию, которая связывает «этажи», населенные одночастичными, двухчастичными, трехчастичными и т. д. состояниями: из любого состояния такая операция производит новое состояние, в котором на одну частицу больше. Это не физический процесс, а математическое средство; указанная операция добавляет какую-то волновую функцию одной частицы к уже имеющимся и «беспокоится» о правильном поведении результата при перестановках частиц. Добавляемая волновая функция может быть любой; фактически для каждой возможной волновой функции одной частицы имеется своя операция ее добавления. Про все эти операции говорят, что они рождают новую частицу, и называют их операциями рождения{110}.

Все состояния, скажем, с тремя частицами можно математически получить, применяя операции рождения к состояниям с двумя частицами; а состояния с двумя – к тем, где всего одна частица. И здесь не надо останавливаться. Любое состояние с одной частицей тоже можно получить, действуя подходящей операцией рождения. Действуя на что? На состояние, где частиц нет. У «здания» с бесконечным числом этажей есть, оказывается, невидимый фундамент. Это вакуумное состояние, выражающее отсутствие всего, что может отсутствовать, но это и вполне определенный объект или даже явление. Его главное свойство – в том, что, достаточное число раз применив к нему всевозможные операции рождения, можно получить все состояния с любым числом частиц.

Еще есть операция, которая уничтожает частицу с любой выбранной волновой функцией. Она ведет «на один этаж вниз». Точнее, когда такую операцию уничтожения применяют к состоянию, скажем, из пяти частиц, хотя бы одна из которых описывается выбранной волновой функцией, получается состояние из четырех частиц. Если же ничего похожего на данную волновую функцию в состоянии не обнаружено, операция уничтожения «убивает» все состояние целиком: получается ноль. Таким же образом она, конечно, убивает и вакуум – состояние, где частиц нет. Это тоже пока лишь математическая операция. Но вот кульминация.

Поинтересуемся, «в каких отношениях» состоят операции рождения и уничтожения – не враждуют ли они, и если да, то как именно. Для получения ответа требуется провести вычисление; результат его от нас уже не зависит, поскольку обе операции полностью определены. Что же получается?

Итог изумляет: мы обнаруживаем клад, и даже не так глубоко закопанный. Операции рождения и уничтожения частицы с любой выбранной волновой функцией враждуют в точности так же, как повышающие и понижающие лестничные операции, обслуживающие квантовые колебания. Математика внезапно превращается в физику: каждая враждующая пара операций рождения и уничтожения определяет (если угодно, создает) квантовую колебательную систему – которая существует постольку, поскольку эти операции «правильно» враждуют (о расстоянии между ступеньками я скажу через абзац). Дальнейшая программа действий состоит в том, чтобы смотреть на все «многоэтажное» пространство Фока как на арену, где действуют эти операции, а затем и перенести на них основной акцент.

Надо только понять, сколько нашлось таких квантовых колебательных систем. Для этого наведем порядок среди волновых функций одной частицы. Чтобы описать их все, достаточно перечислить «опорные» возможности, комбинируя которые можно составить любую волновую функцию. Один из способов выбрать такие опорные волновые функции – взять те, которые отвечают одинокой частице с определенным значением импульса. (Здесь не идет речь о физической реализации; используется только то математическое обстоятельство, что разнообразные сложные волновые функции одной частицы можно построить как комбинации этих специальных.) Задавшись таким набором волновых функций одной частицы, из них же мы строим двухчастичные, трехчастичные и все остальные состояния (а любые реалистичные состояния тогда получаются как комбинации этих построенных, к чему я больше возвращаться не буду). С волновыми функциями из этого набора и имеют дело операции рождения и уничтожения. Отсюда получается по одной квантовой колебательной системе на каждое значение импульса. Без сомнения, это значит, что их бесконечно много.

А энергетическое расстояние между ступеньками тогда задается выбранным значением импульса и массой частицы, причем определяется оно по формуле специальной теории относительности, которая обобщает знаменитое E = mc², само по себе относящееся к неподвижной массе, на случай движения с определенным импульсом{111}.

Остается придать найденному набору квантовых колебательных систем обличье поля. Вообще поле в качестве термина указывает на нечто протяженное, распределенное в пространстве, а возможно, и меняющееся во времени{112}. Мы только что выбрали «опорные» одночастичные волновые функции с определенным импульсом. Из них можно построить операцию, отвечающую локализации частицы в точке. Как всегда, определенное положение в пространстве означает полностью неопределенный импульс, так что неудивительно, что желаемая операция включает в себя все операции, которые у нас есть для состояний с определенным импульсом; несколько менее очевидно, что включены в нее и операции рождения, и операции уничтожения – и те, и другие. «Включены» они все с использованием великого свойства квантовой механики – возможности составлять комбинации с помощью знака плюс, т. е. попросту складывая. Побеспокоившись о правильных сопровождающих коэффициентах, мы складываем операции рождения и уничтожения одночастичных состояний со всеми импульсами и получаем операцию, отвечающую частице, локализованной в выбранной точке. Повторяя то же самое для всех точек, мы и получаем квантовое поле в виде непростого, надо признать, объекта, существующего в каждой точке пространства. Этот объект построен не из самих состояний, а из операций, причем как рождения, так и уничтожения; их еще ни к чему не применили, но это не мешает им жить самостоятельной жизнью.

Развитие построенного образования во времени определяется по общим правилам, в основе которых – знакомая уже нам идея, что энергия, доведенная до необходимой степени абстракции/свирепости, толкает все в будущее. В результате различные части квантового поля приобретают зависимость от времени в виде уже встречавшегося нам «бега по кругу» в математическом пространстве; частота этого ненаблюдаемого кругового движения определяется энергией. Для операций рождения эта энергия положительная, а для операций уничтожения – никуда не девшаяся отрицательная. Это больше никого не пугает, потому что теперь это всего лишь значения энергии, на которые изменяется энергия многочастичных состояний, когда к ним применяются операции рождения или уничтожения. Страх перед отрицательными энергиями нас покинул (дираковское море было временной мерой по его преодолению, оно помогло на определенном этапе, а теперь лучше о нем забыть).

Как мы видим, квантовое поле представляет собой даже не волновую функцию, а нечто вроде упаковки для всех возможных операций по рождению и уничтожению волновых функций одной частицы. Неотменяемую вражду между входящими сюда операциями можно воспринимать как «внутреннее напряжение», которое никогда не дает полю полностью «успокоиться». Именно такая конструкция (с уточнениями, которые придется отложить до следующей главы) позволяет описывать мир на самом фундаментальном известном нам уровне. Правда, на пути к успеху есть немало сложностей разной степени преодолимости; способы разрешать или, во всяком случае, обходить их стороной и составляют немалую часть содержания квантовой теории поля.

Вклад Дирака в науку не ограничивается «только» изобретением уравнения для электрона и предсказанием позитрона; однако возникшая вслед за этими достижениями квантовая теория поля, шедшая от проблем к триумфам, не слишком ему нравилась. Мы же обсудим ее в оставшейся главе.

Едва ли покажется удивительным, если ваше главное впечатление от конструкции квантового поля в предыдущей главе свелось к тому, что это зашкаливающая абстракция (и это при том, что часть подробностей я благоразумно утаил). Квантовая теория поля тем не менее представляет собой логическое развитие квантовой механики при ее соединении со специальной теорией относительности; а если спросить, какая из двух теорий «виновата» в получившемся взлете абстракции, то это все же квантовая механика с ее идеей складывать различные «возможности» в волновой функции и воздействовать на волновые функции разнообразными операциями.

Развитие этих представлений при углублении в структуру материи постепенно привело к созданию самой точной на сегодня физической теории – Стандартной модели элементарных частиц. Такое название, впрочем, передает ее содержание из рук вон плохо: вся Стандартная модель сформулирована в терминах не частиц, а именно квантовых полей. Они представляют собой самую фундаментальную известную нам форму материи. Собственно же элементарные частицы (электроны, нейтрино, кварки, фотоны и т. д.) оказываются специальными проявлениями соответствующего квантового поля – проявлениями, несущими минимальное количество энергии, которое у поля в принципе можно отнять и которое полю можно передать. Они называются квантами поля. Электроны и позитроны – кванты электрон-позитронного поля (для него нет отдельного названия), а фотоны – кванты электромагнитного поля (название которого утвердилось задолго до открытия квантов). Кстати, все элементарные частицы одного вида (скажем, электроны) одинаковы во всей Вселенной именно потому, что это минимальные возбуждения одного и того же поля.

Фундаментальные поля в некотором роде присутствуют во Вселенной постоянно, во всяком случае в виде своего вакуумного состояния, где никаких квантов/частиц нет. Вакуум представляет собой «пустоту» в смысле отсутствия всяких возбуждений, но это и физическое явление – состояние поля без квантов, из которого, однако, могут родиться кванты при поступлении необходимой энергии.

Ключевая составляющая Стандартной модели – взаимодействие полей. Оно выражается в обмене энергией, импульсом и другими сохраняющимися физическими величинами (например, электрическим зарядом): сколько прибавилось у одного поля, столько же отнялось у другого. Не все поля способны к таким обменам со всеми другими, и вопрос о том, какие именно участвуют в каких взаимодействиях, – это вопрос про устройство доставшейся нам Вселенной: ответ надо извлекать из наблюдений{113}.

Подробности взаимодействия полей удается довольно наглядно выразить на языке их квантов, которые несут и передают друг другу энергию, импульс и другие величины. Элементарные акты взаимодействия выглядят как рождение и/или поглощение одних квантов другими. Например, все многообразие электромагнитных взаимодействий складывается из многократного комбинирования нескольких таких элементарных актов: электрон (или позитрон) испускает или поглощает фотон; пара электрон – позитрон превращается в фотон, или происходит обратный процесс{114}.

Наш мир, таким образом, составлен не только из элементарных объектов, но и из элементарных актов с их участием. Каждый акт испускания, поглощения или превращения квантов – элементарный в том самом прямом смысле, что ни через что другое не объясняется. Когда электрон испускает фотон, этот фотон не содержался ранее «внутри» электрона; он просто рождается, забирая себе часть энергии и импульса электрона; когда нестабильная элементарная частица мюон «распадается» на электрон и два (анти)нейтрино, три новые частицы тоже рождаются, распределяя между собой энергию, импульс и заряд исчезнувшего мюона{115}.

Кванты полей до некоторой степени являются их «представителями»: поля часто характеризуют по свойствам их квантов, главные из которых – масса, заряд(ы) и спин. Последний сейчас потребует нашего внимания из-за своей особой роли: он, оказывается, отвечает за характер массового поведения.

Спин кванта – это число, выражающее его «степень раскрутки», один из атрибутов вращения (глава 7). Числа, отвечающие за степень раскрутки, собственно, и называются спином, и они бывают только целыми (0, 1, 2) или полуцелыми (1/2, 3/2). Фотоны, например, несут спин 1, а электроны и позитроны – спин 1/2. Для квантов спин определяет доступное им внутреннее разнообразие, а в терминах поля спин связан с количеством его компонент: в общем, чем больше спин, тем их больше, хотя простого единого правила тут нет{116}.

Спин играет определяющую роль в устройстве Вселенной, потому что кванты любого поля с целым спином – бозоны, а с полуцелым – фермионы. Это опытный факт, но, знаменательным образом, одновременно и содержание теоремы, которую доказал Паули. Как мы видели в предыдущей главе, бозоны и фермионы определяются тем, как волновая функция одинаковых частиц откликается на их перестановку: если возникает лишний знак, то перед нами фермионы, а если нет, то бозоны. Для фермионов отсюда получается уже обсуждавшийся принцип запрета (сформулированный тем же Паули, но задолго до теоремы) – нетерпимость к себе подобным. А для бозонов, наоборот, определенная склонность к коллективизму: чем больше частиц уже находится в одном состоянии, тем охотнее (с большей вероятностью) к ним присоединяется еще одна. Теорема Паули привязывает характер массового поведения к спину.

Доказательство теоремы опирается на некоторые предположения: одно относится к математическим пространствам, связанным с квантовыми полями, в другом заявляется согласованность со специальной теорией относительности; кроме того, имеется условие положительности энергии. Это важное условие: при наличии состояний с отрицательной энергией частицы не смогли бы противостоять искушению разрушить мир, переходя в них{117}. Теорему можно поэтому понимать примерно так: для того чтобы мир был устроен в целом нормально, волновая функция частиц с полуцелым спином должна приобретать лишний минус при перестановке{118}.

Роли, которые играют бозоны и фермионы, в природе разделены. Все частицы/поля, служащие переносчиками взаимодействия («курьерами») – это коллективисты-бозоны. А «отправители» и «получатели», из которых сложена материя, – фермионы. Такое положение дел не предписано квантовой теорией поля напрямую, но оно имеет место в этой Вселенной. К фермионам относятся кварки и электроны (из которых сложено все вокруг нас и мы сами), более массивные родственники электронов – мюоны и тау, – а также нейтрино; фермионами по необходимости получаются и составленные из трех кварков протоны и нейтроны.

Сложенный из фермионов мир оказывается разнообразным из-за принципа Паули, который не позволяет фермионам, собранным вместе, находиться в одном и том же квантовом состоянии. Электроны в атомах не могут устраиваться в состояниях с более низкими энергиями, если те уже заняты другими электронами, а вынуждены селиться все «выше» по энергии, и поэтому по мере движения по клеткам таблицы Менделеева элементы демонстрируют меняющиеся химические свойства. Кое в чем похожая картина имеет место и для атомных ядер.

Однако полное придание осмысленности и бозонным (целые спины), и фермионным (полуцелые) квантовым полям было достигнуто далеко не сразу. Для начала проявила себя проблема нулевых колебаний: в вакуумном состоянии поля прячется неустранимая «остаточная» энергия колебательных систем. Неприятность тут в том, что эта энергия бесконечно велика по той простой причине, что в любом поле колебательных систем бесконечно много и каждая дает свой вклад.

«На полпути» к квантовой теории поля с той же проблемой столкнулся и Дирак: энергия моря электронов с отрицательной энергией неминуемо получалась бесконечной, и единственная надежда на осмысленность состояла в том, чтобы считать эту энергию ненаблюдаемой – находя опору в том обстоятельстве, что важны только различия в энергиях между состояниями. В квантовой теории поля удалось изгнать бессмысленную бесконечно большую энергию вакуума похожим образом, но «с соблюдением приличий»: не без некоторого изящества модифицировав математические правила обращения с квантовыми колебательными системами – а именно, со стоящими за ними операциями рождения и уничтожения.

Изменение математических правил, даже если оно допустимо само по себе, может, конечно, увести прочь от описываемых физических явлений, но, судя по всему, сговор математики и физики так просто не разрушить. Несмотря на математическую эквилибристику, квантовая теория поля остается (а может быть, благодаря этой математической эквилибристике становится) адекватным описанием физического мира. Но здесь понадобилась неординарная изобретательность, потому что относительно безобидное избавление от бесконечной энергии вакуума было только началом.

Существенно более напряженный оборот дело приняло при описании взаимодействий полей. Проблема здесь – в сверхизобилии возможностей. Например, чтобы два электрона электрически отталкивались, им нужно «разговаривать» друг с другом; «языком», как уже говорилось, служит обмен фотонами. Но беда в том, что «слова» в этом языке «сами говорят» – производя новые слова, которые запутываются с другими в невероятно сложное многоголосие.

Вот что происходит. Каждый фотон, которым обмениваются два электрона, переносит между ними энергию и импульс, но в каком именно количестве, никак не фиксировано. Квантовая механика – ожидаемым образом! – предписывает сложить вклады всех возможностей{119}. Вклады эти – в величину, которая очень похожа на волновую функцию и которую я временно назову предвероятностью: ее квадрат дает собственно вероятность. Предвероятность чего именно? Если, например, нам интересно узнать, как электроны «повернут» в результате взаимодействия, мы начинаем с электронов с заданными импульсами, направленными хотя бы отчасти навстречу друг другу, и интересуемся предвероятностями, с которыми они получат определенные импульсы при разлете.

Забегая вперед: окажется, что два электрона отталкиваются друг от друга. Инерция мышления предлагает в таком случае воспринимать электроны как что-то вроде упругих шариков. Но на этом фундаментальном уровне нет не только шариков, но и упругости. Все привычные (да и непривычные) свойства возникают из подобных обменов фотонами. Возникают из них, а не описывают их. Правда, практическое получение результата в квантовой теории поля требует усилий и изобретательности. Проблема вот в чем.

Неплохое предсказание, как именно разлетятся в стороны собравшиеся было встретиться электроны, можно получить, учитывая обмен только одним фотоном. Неплохое, но не точное, потому что есть и другие возможности. Электроны могут, например, обменяться не одним фотоном, а двумя – и в этом случае опять-таки надо суммировать по всем значениям энергии и импульса, которые они переносят. Но это далеко не все! «Действующее законодательство», которое регулирует, как испускаются и поглощаются кванты-переносчики взаимодействия, не может запретить этим же переносчикам самим рождать новые кванты! Например, фотон-переносчик может исчезнуть, оставив вместо себя электрон и позитрон, которые затем в свою очередь исчезнут – аннигилируют, снова породив фотон. Обмен таким «накрученным» фотоном вносит другой вклад во взаимодействие двух электронов, чем просто обмен фотоном. А далее картина развивается вглубь подобно фракталу: каждый фотон, который участвует в обмене, может родить электрон-позитронную пару, а каждый электрон и каждый позитрон могут испускать фотоны, которые будут поглощены каким-то другим или тем же самым электроном или позитроном. Эти возможности ветвятся и размножаются, превращаясь в труднообозримое нагромождение. Каждый вариант вносит свой вклад в предвероятность.

Едва ли стоит задавать наивный вопрос: в каком смысле происходит какой-то из этих процессов? Скажем, участвуют ли в определенном взаимодействии два фотона или один фотон и одна электрон-позитронная пара, возникающая по дороге, не говоря уже обо всех остальных вариантах? К обсуждаемому описанию взаимодействия не стоит относиться слишком буквально: квантовая теория верна себе – для вычисления предвероятностей она предписывает складывать все возможности, предлагая таким образом схему для вычислений, а не набор наглядных картин{120}.

А вот очень практический вопрос – как же вычислить вклад каждого варианта? Здесь-то нас и настигает «катастрофа»: расчет для каждого варианта с промежуточными испусканиями, поглощениями и т. д. неизменно дает бессмысленный «бесконечный» результат. Кажется, что квантовая теория поля отвергает саму себя: предлагает механизмы процессов и способы вычисления, но затем, следуя своим же собственным правилам, сходит с ума.

Эта проблема ставила в тупик создателей квантовой теории и была решена уже следующим поколением исследователей в конце 1940-х гг. Развившееся с тех пор понимание делает квантовую теорию поля уникальной областью человеческого знания. В максимально сжатом изложении, «безумные» бесконечные ответы возникают из-за того, что промежуточные электроны, позитроны и фотоны могут переносить сколь угодно большой импульс. И запретить им это не удается. Если волюнтаристски ввести порог отсечения и не учитывать значения импульсов выше некоторой величины, то бесконечность, разумеется, не появится, но и ответа мы не получим, потому что результат приобретет зависимость от выбранного значения порога. Что же делать?

Выручает чудо на границе физики и математики. Согласно общему квантовому правилу, восходящему еще к де Бройлю, большие импульсы соответствуют малым расстояниям. На все более малых пространственных масштабах в процессах участвуют все более энергичные рождающиеся и исчезающие кванты, которые окружают каждый электрон все более плотным «одеянием». Оно, это одеяние, дает добавки к массе и заряду электрона. К сожалению, добавки «сходят с ума», но, правда, случается это на сверхмалых расстояниях, куда у нас нет никакого экспериментального доступа, поскольку все наши эксперименты – это наблюдения с такой дистанции, где проявляет себя только суммарный эффект всех этих одеяний. Если бы их не было, перед нами был бы «голый» электрон, освобожденный от любых эффектов взаимодействия полей. Это не слишком физическое явление – во всяком случае, никаким образом не наблюдаемое; ни его массу, ни заряд мы измерить не в состоянии. Идея теперь состоит в том, чтобы разрешить массе и заряду этого голого электрона тоже «сойти с ума», но таким специальным способом, чтобы скомпенсировать безумие рождающихся и исчезающих квантов, которые его одевают.

Ненаблюдаемому голому или «едва одетому» электрону можно приписать массу и заряд таким образом, чтобы после его одевания рождающимися и исчезающими квантами «со стороны» наблюдались бы как раз такие масса и заряд, которые известны для электронов. Делать это следует с большой аккуратностью: ввести порог отсечения импульсов на определенной величине и отвечающий ему пространственный масштаб, а затем изучить, как именно эффект одевания зависит от этого масштаба – как он усиливается на все меньших расстояниях. А затем предлагается считать, что на недоступно малых расстояниях масса и заряд электрона тоже зависят от масштаба. Ключевое место именно здесь: можно ли подобрать эти зависимости так, чтобы компенсировать сумасшествие квантов-переносчиков – чтобы в результате одевания на доступных нам расстояниях наблюдались правильная масса и правильный заряд электрона?

При некотором везении так и случается; первоначально это было понято именно для электромагнитных взаимодействий. Постепенно выяснился и смысл, стоящий за высокоразвитой техникой применяемых при этом вычислений: разделение между происходящим на недостижимо малых расстояниях и наблюдаемой физикой на доступных расстояниях. Нам неважно, как именно квантовая теория поля безумствует там, куда у нас нет доступа, если только ее безумств не видно снаружи благодаря удачно подобранному «компенсирующему» поведению всего нескольких величин. Последнее принципиально важно. Мы позволяем себе вольность подгонки только в отношении того, как зависят от масштаба масса и заряд электрона (и в действительности еще один более технический параметр) – но таким способом хотели бы скомпенсировать все варианты сумасшествия промежуточных квантов и получить в результате осмысленные ответы для всех процессов. Если такое удается, то полученная теория обладает предсказательной силой; ее можно проверять, сопоставляя результаты расчетов с наблюдениями{121}.

Эта история о разделении масштабов и дозированной «подстройке» ненаблюдаемых величин на недоступных масштабах под правильные значения наблюдаемых величин на доступных масштабах называется перенормировкой. Она удается вовсе не для всех квантовых полей, которые в принципе можно придумать, но наше главное везение состоит в том, что она работает в Стандартной модели – где кроме электромагнитных фигурируют еще слабые ядерные и сильные ядерные взаимодействия. Перенормировка в полной мере участвует в совпадении величин здесь; приведенный там теоретический результат потребовал вычисления многих тысяч вариантов поведения промежуточных квантов, где они безумствовали вовсю{122}.

В дополнение к победе над бесконечностями в каждом конкретном варианте обмена промежуточными квантами хорошо бы еще победить и другую проблему: учесть все варианты, взятые вместе. Здесь успехи скромнее. В отношении собственно фотонов (т. е. электромагнитного взаимодействия) все не так плохо: выручает то ключевое обстоятельство, что каждый акт испускания и поглощения фотона или рождения/уничтожения пары электрон – позитрон дает вклад, содержащий в качестве множителя достаточно малое число. Из-за этого сложные сценарии развития событий, где многократно возникает умножение на это малое число, вносят несущественный вклад в предвероятности. Похожая картина имеет место и для слабых взаимодействий (кстати, родственных электромагнитным). Сложнее обстоит дело с сильными взаимодействиями: аналогом фотонов там являются так называемые глюоны, работа которых – «склеивать» вместе кварки. Когда кварки сидят очень близко друг к другу в недрах протонов и нейтронов, всё более сложные варианты обмена глюонами между ними вносят всё меньший вклад, и картина получается теоретически контролируемой ничуть не менее, чем в случае обменов фотонами. Но все меняется на расстояниях около характерного размера протона – когда, скажем, соударение протонов побуждает какой-то кварк сбежать от остальных. Тогда все варианты обмена, сколь угодно сложные, дают сравнимые вклады. (Радикальное усложнение в сравнении с электромагнетизмом объясняется тем, что глюонное поле взаимодействует с самим собой.) В результате возникают ситуации, когда перестает быть адекватной картина поля как набора квантов, представляющих независимые колебательные системы. А когда описание на языке отдельных квантов отказывает, у нас остается очень мало математических способов для точного выражения того, как ведут себя поля.

Имеющиеся в квантовой теории поля проблемы – не с самими квантовыми полями, а с нашими возможностями выполнять необходимые вычисления. А там, где нам удается пробиться сквозь математику, изобретенные абстрактные построения успешно сдают экзамен на соответствие наблюдениям. Это и дает основания считать – если вспомнить цитату, – что наш мир квантовый «до самой сердцевины».

Всё, что движется. Прогулки по беспокойной Вселенной. От космических орбит до квантовых полей

Алексей Семихатов

Физика невозможного

Митио Каку

Квантовая случайность. Нелокальность, телепортация и другие квантовые чудеса

Николя Жизан

Начало бесконечности

Дэвид Дойч