Квант. Путеводитель для запутавшихся - Джим Аль-Халили

объяснения квантовой механики требуется прибегать к отчаянным мерам. Вероятно, большего здесь и не сказать. Теперь мне стоит перечислить свои претензии к копенгагенскому подходу, чтобы вы поняли, почему я – как и многие другие физики – полагаю, что ее время прошло.

Я вообще не считаю копенгагенскую интерпретацию настоящей интерпретацией. Это набор правил, которым мы должны подчиняться, чтобы применять квантовый формализм, не задумываясь о его значении. Следовательно, копенгагенская интерпретация не только не объясняет, как атом проходит сквозь две прорези одновременно, но и категорически заявляет, что сам этот вопрос не имеет никакого смысла, а потому нам стоит ограничить свои комментарии картиной интерференции на экране (то есть измерением). Копенгагенская интерпретация успешно устраняет логические противоречия и нестыковки, позволяя задавать лишь те вопросы, которые касаются результатов измерений.

Многие из тех, кто стоял у истоков копенгагенской интерпретации, в частности Бор, Гейзенберг и Вольфганг Паули, с некоторым презрением относились к последующим попыткам формирования физической картины квантового мира. Они считали их тщетной попыткой вернуться к устаревшему (ньютонианскому) способу мышления, который навсегда отошел в прошлое. Впоследствии Бор действительно даже отказывался смотреть на альтернативные интерпретации, вероятно, надеясь, что они просто пропадут сами собой. Гейзенберг тоже не принимал эти варианты, поскольку:

«они лишь повторяют копенгагенскую интерпретацию другими словами [и] формируют исключительно позитивистскую точку зрения, что кто-то может сказать, будто мы тут изучаем не контрпроекты для копенгагенской интерпретации, а лишь заботимся о ее точном повторении на другом языке»[40].

Он полагал, что формализм квантовой механики предопределяет существование лишь одной интерпретации, в то время как альтернативные подходы отличаются от нее одним только способом интерпретации математики, но не задействуют никакой другой физики. Не стоит и говорить, что я с ним не согласен, ведь таким взглядом может обладать лишь приверженец копенгагенской школы позитивизма!

Мое второе критическое замечание связано с тем, что копенгагенская интерпретация ничего не говорит о том, как происходит коллапс волновой функции. Время странным образом делится на периоды до и после измерения, которое проводится в отношении квантовой системы. Прежде чем мы установим наблюдение, оно развивается в соответствии с уравнением Шрёдингера. Это развитие – изменение волновой функции с течением времени – не предполагает ни неопределенности, ни вероятностей. Но, как только происходит измерение, нам приходится следовать совершенно другому набору правил, в связи с чем в дело вступают квантовые вероятности. Копенгагенская интерпретация не может и даже не пытается объяснить это различие между обычным физическим процессом и процессом измерения.

Наконец – и это, как мне кажется, самое важное, – наделяя наблюдателя таким привилегированным статусом, копенгагенская интерпретация отрицает наличие объективной реальности, которая существует в отсутствие наблюдения. Сторонники копенгагенского подхода часто обвиняют тех, кто до сих пор ищет интерпретации квантового формализма, в том, что они потерялись в метафизике, забыв об истинной физике. Однако, если «верная» интерпретация квантовой механики действительно существует, ее поиск представляет собой попытку объяснить, как на самом деле ведет себя природа. В то же время довольствоваться набором узкоспециальных правил, которым следует подчиняться, чтобы проводить вычисления, можно лишь временно.

Что же еще есть на рынке? И, если другие интерпретации в состоянии дать более рациональное и убедительное объяснение, почему большинство физиков по-прежнему предпочитают копенгагенский подход?

Интерпретация де Бройля – Бома

Нескольких отцов-основателей квантовой механики не устроило копенгагенское объяснение, которое они сочли лишь превалирующей догмой. С самого начала Эйнштейн, Шрёдингер и де Бройль изо всех сил пытались предложить встречные варианты интерпретации квантовой механики, но они не могли тягаться с талантом, напором и даром убеждения копенгагенской группы. Есть целый ряд свидетельств множества профессиональных споров Бора и Эйнштейна о смысле всего этого, и общепризнанно, что победил в этой дискуссии Бор. Однако это произошло лишь потому, что Эйнштейн настаивал на устранении всей квантовой странности. Теперь мы знаем, что это невозможно, но это не означает, что Бор был прав!

На самом деле первую серьезную альтернативу копенгагенской интерпретации предложил Луи де Бройль. Он назвал свой подход «принципом двойного решения», намекая на предложенный им синтез волнового и корпускулярного аспектов материи. Одной из ключевых вех в развитии квантовой механики стал состоявшийся в 1927 году в Брюсселе Сольвеевский конгресс. Считается, что никогда прежде столь многое не прояснялось таким малым количеством ученых за столь короткое время. На конгрессе присутствовали все ведущие физики-теоретики того времени, включая Эйнштейна и Бора.

Де Бройль представил статью, в которой предположил, что волновая функция на самом деле может соответствовать реальной физической волне, которая направляет реальные квантовые частицы по определенным путям. У него не было времени должным образом выстроить все свои идеи, так что он не смог защитить их от серьезной критики ряда делегатов. Дело в том, что с момента опубликования Гейзенбергом матричной механики прошло всего два года, и копенгагенский кружок полностью отвергал любой подход, в котором прослеживалась попытка вернуться к «реализму», называя его слишком наглядным, а потому неверным в квантовом мире.

Объяснение де Бройля – Бома: атом остается локализованной классической частицей, а следовательно, проходит только сквозь одну из прорезей. Однако влияние квантового потенциала распространяется на обе прорези и направляет атом по определенному, но неконтролируемому и непредсказуемому пути, вытравленному картиной его распределения.

Четверть века спустя оказалось, что их подход был опрометчивым и чересчур догматичным.

Американский физик Дэвид Бом, который поселился в Англии, после того как ему пришлось уволиться из Принстона из-за подозрений в антиамериканской деятельности в эпоху маккартизма, с успехом выполнил то, что многим представлялось невозможным. В 1952 году он опубликовал две статьи, которые, в сущности, представляли собой развитие оригинальной идеи де Бройля. В этих работах он показал, что копенгагенская интерпретация не единственная совпадала с результатами экспериментов.

Важно подчеркнуть, что интерпретация Бома не подразумевает никаких дополнений к уравнениям квантовой механики. Людям не понравилась не сама теория – не математический аппарат, с помощью которого мы рассчитываем физические свойства квантовых систем, – а ее значение. Так что, прежде чем подробнее остановиться на идее Бома, я еще раз хочу обратить ваше внимание на то, что две этих интерпретации (копенгагенская и де Бройля – Бома, хотя де Бройль и не получил за нее заслуженного признания) не делают никаких иных измеримых предсказаний о субатомном мире. Это просто невозможно, раз они используют одну и ту же теорию. Они дают нам лишь два очень разных взгляда на происходящее в эксперименте с двумя прорезями. Следовательно, они различаются лежащей в их основе физикой, а не языком, используемым для описания формализма.