Страница 2 из 11
Но эти аргументы Шрёдингера не убедили и не успокоили. Он считал, что его коллеги упускали из виду одну вещь: квантовой физике недостает важной составляющей, которая связала бы ее с обычным миром. Каким образом фантастическое количество атомов, управляемых законами квантовой физики, порождает мир, который мы видим вокруг? Что на самом фундаментальном уровне является реальностью и как эта реальность обнаруживается?
В этом споре оппоненты Шрёдингера победили. От его вопросов о том, что же в действительности происходит в квантовом мире, они попросту отмахнулись, и физика продолжала двигаться вперед.
Шрёдингер оказался в меньшинстве, но все же он не был одинок. Альберт Эйнштейн тоже хотел понять, что происходит в мире квантов. Он спорил о природе квантовой физики и реальности с Нильсом Бором, великим датским физиком. Спор Эйнштейна с Бором вошел в историю физики. Обычно говорят, что его выиграл Бор, что сомнения Эйнштейна и Шрёдингера оказались беспочвенными и что проблемы реальности в квантовой физике не существует потому, что реальность – это вовсе не то, о чем следует думать в первую очередь.
И все же нет сомнений в том, что квантовая физика сообщает нам нечто о реальном мире. Иначе как она могла бы вообще работать, описывать действительность? Было бы крайне трудно объяснить ее огромные успехи, если бы она не имела никакого отношения к реальному миру. Даже если считать, что любая теория – это всего лишь модель, это все-таки модель чего-то реального, а если она работает, то это модель хорошая. Должно быть нечто, заставляющее предсказания квантовой физики неизменно выполняться с феноменально высокой точностью.
Понять, что именно рассказывает нам квантовая физика о мире, оказалось нелегко. Отчасти это связано с необыкновенной странностью ее теории. Чем бы ни был квантовый мир, он нисколько не похож ни на что знакомое нам. Противоречивая природа квантовых объектов – атомы, которые одновременно находятся и здесь, и там, излучение, которое и испускается, и остается скрытым в своем источнике, – это далеко не единственный диковинный аспект квантовой теории. Есть еще мгновенные связи между находящимися на большом расстоянии объектами: связи тонкие, бесполезные для целей прямой передачи информации, но неожиданно весьма ценные для задач, связанных с вычислениями и кодированием. А верхнего предела размеров объектов, на которые распространяются законы квантовой физики, нащупать никак не удается! Чуть ли не каждый месяц физики-экспериментаторы придумывают всё новые хитроумные устройства, в которых странные квантовые явления обнаруживаются в объектах все большего и большего масштаба. Тем серьезнее выглядит вопрос о том, почему эти странные явления никак не наблюдаются нами в повседневной жизни.
Странные квантовые явления и их отсутствие в обычном мире не единственная и даже не самая большая загадка, которую надо разгадать, чтобы расшифровать заключенное в квантовой физике послание. Ни один физик не сомневается: квантовая физика работает. И тем не менее уже девяносто лет, с тех самых пор, как появилась эта теория, о ее значении ожесточенно спорят. В этом споре позиция большинства физиков, включая, видимо, и Бора, заключается в том, что они настойчиво отрицают существование самого предмета спора. Ученые заявляют, что, несмотря на феноменальный успех теории, сама постановка вопроса о том, что происходит в мире квантов, в некотором смысле неприемлема и ненаучна. Эта теория, по их мнению, не нуждается в интерпретации: то, что она описывает, не является истинной реальностью. И действительно, странность квантовых явлений заставила некоторых выдающихся физиков прямо утверждать: да, ничего не поделаешь, квантовая физика доказала, что микроскопические объекты просто не существуют в том смысле, в котором существуют объекты нашего повседневного мира[1]. Следовательно, говорят они, в квантовой физике невозможно говорить о реальности. В реальном мире нет, да и не может быть ничего, что соответствовало бы этой теории.
Популярность такого подхода к квантовой физике удивительна. Физика описывает окружающий нас мир. Ее цель – выявить фундаментальные составляющие Вселенной и законы их взаимодействия. Многих физиков привело в науку именно желание понять основные, глубинные свойства природы, увидеть, из чего складывается ее удивительная мозаика. Но как только дело касается квантовой физики, большинство физиков тут же категорически отказываются от каких-либо объяснений; вместо этого они, как выразился Дэвид Мермин, требуют просто «заткнуться и вычислять»[2].
Еще удивительнее то, что этот преобладающий подход снова и снова доказывает свою несостоятельность. Вопреки устоявшемуся среди физиков мнению, в историческом споре с Бором явное преимущество осталось за Эйнштейном – он убедительно показал, что в самой основе квантовой физики имеются глубокие противоречия, требующие разрешения. И просто отбросить вопрос о реальности как «ненаучный», как делали некоторые оппоненты Шрёдингера, – позиция неубедительная и основанная на устаревшей философии. Среди глухого к этому вопросу большинства находились-таки «возмутители спокойствия», которые разработали альтернативные подходы к квантовой физике. Они сумели растолковать, что происходит в этом мире, нисколько не жертвуя точностью теоретического описания.
Такие альтернативы показывают: идея о том, что в квантовой физике не может существовать понятия реальности, ложна. И все-таки большинство физиков по-прежнему в той или иной форме придерживаются этой идеи. Ее по-прежнему преподают в школах, популяризаторы рассказывают о ней публике. Даже когда вспоминают об альтернативных подходах, о них вспоминают именно как об альтернативах тому, что считается верным по умолчанию, невзирая на то что как раз это умолчание оказывается совершенно неплодотворным. Таким образом, спустя почти столетие после появления квантовой теории, после того, как она полностью изменила мир и жизнь каждого человека на Земле – как в лучшую, так и в худшую сторону, – после всего этого мы все еще не знаем, что именно эта теория говорит нам о природе реальности. Именно эта от начала и до конца странная ситуация является предметом нашей книги.
Да, такое положение дел поистине удивительно. Но почти никто из не-физиков о нем не догадывается. Впрочем, почему, собственно, оно должно кого-то волновать? В конце концов, квантовая физика прекрасно работает. Да и самих физиков вряд ли должно что-то беспокоить: разве недостаточно того, что их математический аппарат работает безотказно и делает точные предсказания?
Но наука – это нечто большее, чем математика и предсказания. Наука рисует нам картину мира, рассказывает, как он устроен. Именно эта картина, этот рассказ об устройстве мира служат отправной точкой как повседневной научной практики, так и будущего развития научных теорий, не говоря уж о более широком мире человеческой деятельности вне области науки. Мы можем придумать множество историй о значении любой системы уравнений; из этих историй мы выбираем лучшую, а потом начинаем искать в ней изъяны. Именно так и развивается наука. Истории, вытекающие из лучших научных теорий, ведут к экспериментам, которые ученые ставят и результаты которых интерпретируют, уточняя и изменяя теории. Как сказал об этом Эйнштейн, «теория определяет, что мы можем наблюдать»[3].
История науки снова и снова подтверждает это высказывание. Галилей не изобретал телескопа, но он первым подумал о том, чтобы направить хороший телескоп на Юпитер – ведь он считал, что Юпитер, как и Земля, – планета, которая обращается вокруг Солнца. После этого в телескопы стали регулярно смотреть на все, что встречается на небе: на кометы, туманности, звездные скопления. Но никому не пришло в голову воспользоваться телескопом, чтобы выяснить, не изгибает ли гравитация Солнца лучи звезд во время солнечного затмения, пока общая теория относительности Эйнштейна не предсказала этот эффект через триста с лишним лет после открытия Галилея[4]. Научная практика зависит от содержания наших теорий – и не только от содержания математического, но и от «истории», от картины мира, которая идет рука об руку с математикой. Этой картине мира принадлежит ключевая роль – как в науке, так и в выходе за пределы существующей науки с целью построить новую.
1
Werner Heisenberg 1958, Physics and Philosophy, Harper Torchbooks ed. (Harper and Row), p. 129. – Здесь и далее примечания автора, если не указано иное.
2
N. David Mermin 1990, Boojums All the Way Through: Communicating Science in a Prosaic Age (Cambridge), p. 199.
3
Werner Heisenberg 1971, Physics and Beyond (Harper&Collins), p. 63.
4
См. Stanley L. Jaki 1978, «Joha