Десять великих идей науки. Как устроен наш мир.

Я украдкой ввернул в обсуждение слово, являющееся центральным для проблемы интерпретации квантовой механики, слово вероятность. В оставшейся части этой главы мы исследуем скрытые смыслы и следствия этого ускользающего слова, поскольку оно имеет глубокую значимость для способа, посредством которого мы думаем о мире. На самом деле я хочу вернуться к некоторым аспектам текущего обсуждения и попытаться извлечь из них несколько философских вопросов. Я колебался, не следует ли написать «эпистемологических и онтологических вопросов», то есть вопросов, связанных с природой знания и фундаментальных основ реальности. Именно такими они и окажутся, но я не философ, и не хочу создавать впечатления, что мои замечания сколько-нибудь претендуют на статус философских. Поэтому я решил написать просто «вопросов» и оставить все как есть.

Хотелось бы сделать еще одно замечание. Предшествующий материал этой главы включает в себя все, что вам в действительности необходимо знать, если вы хотите пользоваться квантовой механикой. Конечно, я оставил в стороне технические и математические детали, но все, что сказано до сих пор, является достаточно содержательным и бесспорным. Те 30 процентов экономики США, которые основаны на квантовой механике, являются результатом использования этого материала, открывающего глаза на природу происходящего. Квантовая механика становится интересной с философской точки зрения, когда мы начинаем спрашивать, что все это означает? Это и станет темой оставшейся части главы. Если вы остановитесь здесь, вы будете знать главные положения квантовой механики и, в принципе, сможете использовать ее для произведения некоторых вычислений; если вы продолжите чтение, ваши возможности пользоваться ею не увеличатся, но вы узнаете, почему люди находят ее столь глубоко озадачивающей.

Сначала я обращусь к принципу неопределенности и попытаюсь оправдать подзаголовок этой главы: упрощение понимания. Многие люди — и среди них отцы-основатели квантовой механики — считают, что принцип неопределенности ограничивает наше понимание мира, ибо, поскольку мы не можем знать положение и импульс частицы одновременно, нам доступно лишь неполное знание ее состояния. Этот пессимистический взгляд, по моему мнению, является следствием нашей культурной обусловленности. Классическая физика и наш непроизвольный повседневный опыт воспитали в нас веру в то, что вещи мира полностью описываются в терминах положений и импульсов. То есть, чтобы описать путь летящего мяча — или просто предугадать, когда по нему следует ударить, — нам необходимо оценить его положение и импульс в каждый момент. Что нам демонстрируют квантовая механика и, в частности, принцип неопределенности, так это то, что это ожидание, ожидание описания в терминах обоих атрибутов, является чрезмерным. Мир просто не соответствует ему. Квантовая механика говорит нам, что мы должны выбрать. Мы должны выбрать между обсуждением мира в терминах положений частиц и обсуждением мира в терминах импульсов частиц. Другими словами, нам следует говорить только о положении мяча или только об его импульсе. Именно в этом смысле принцип неопределенности является главным упрощением нашего описания мира, поскольку он показывает, что наши классические ожидания ложны; мир просто не похож на картинку, рисуемую классической физикой и непроизвольным повседневным опытом.

Пойдем дальше. Из принципа неопределенности следует, что для описания мира существуют два языка: язык положений и язык импульсов. Если мы попытаемся использовать оба языка одновременно (как делает классическая физика, и до сих пор делают те, кто находится под влиянием ее принципов), мы можем ожидать, что создадим ужасную путаницу, как если бы мы попытались смешать английский и японский языки в одном предложении. Как сообщают, сам Гейзенберг считал это предпосылкой для того, чтобы полагать ошибочным утверждение «для предсказания будущего нам необходимо знать настоящее». Ошибался, однако, он сам. Корректная интерпретация принципа неопределенности состоит в том, что он выявляет стремление классической физики к получению недозволенной, дезориентирующей и чрезмерной полноты знания о настоящем: для полного знания о настоящем достаточно знать одни импульсы или, как альтернатива, одни положения.

Нильс Бор в 1927 г. возвел принцип неопределенности в ранг философской позиции, введя принцип дополнительности, название для которого он, по-видимому, почерпнул в книге Уильяма Джеймса «Принципы психологии», а позднее ввел в свой герб как девиз Contraria sunt complementa. Похоже, что, как бы много ни написал о нем Бор, этот принцип не вполне ясен, но в целом он утверждает, что существуют альтернативные пути восприятия мира, что мы должны выбирать одно или другое описание и не имеем права эти описания смешивать. Бор продолжал прилагать этот принцип к литературе и социологии во многом тем же способом, каким принцип относительности был присвоен и извращен авторами нелепых литературных упражнений, но мы сосредоточимся на более надежной и приспособленной для него квантовой теории.

Принцип Бора является центральной составляющей копенгагенской интерпретации квантовой механики, которая и выросла на его основе. Копенгагенская интерпретация представляет собой сеть позиций, выстроенную вокруг борновской вероятностной интерпретации волновой функции, принципа дополнительности, количественно выражаемого принципом неопределенности, и — что наиболее важно — «позитивистским» взглядом на природу, в котором единственными элементами реальности являются результаты измерений, полученных на приборе, подчиняющемся классическим принципам. Измерение является нашим единственным окном в природу, и все, что получено не через это окно, является просто метафизической спекуляцией и не заслуживает рассмотрения в качестве реальности. Таким образом, если ваш лабораторный прибор приспособлен для исследования волновых характеристик «частицы» (например, для демонстрации дифракции электронов), то обоснованным для вас будет использование волновых терминов. С другой стороны, если ваш лабораторный прибор приспособлен для исследования корпускулярных свойств «частицы» (например, для установления места попадания электрона на фотопластинку), для вас будет уместным использовать язык частиц. Ни один инструмент не может измерять как волновые, так и корпускулярные свойства одновременно, поэтому эти свойства дополнительны. По существу это был взгляд Гейзенберга, поскольку он считал, что квантовая механика есть просто способ согласования различных экспериментальных наблюдений и ничего не сообщает о лежащей за ними реальности: для него и для других истовых адептов Церкви копенгагенцев данные наблюдений есть единственная реальность.

Мы сосредоточимся на одном аспекте копенгагенской интерпретации, на акте измерения. Измерение является решающей составляющей при рассмотрении интерпретации квантовой механики не только из-за его позитивистского характера, и того, что оно породило больше статей, замешательства и огорчений, чем любой другой аспект этой теории. Оно является решающим для копенгагенской интерпретации потому, что эта интерпретация настаивает на роли инструментов измерения в наших попытках раздразнить реальность. Но какую бы интерпретацию ни давать квантовой механике, приходит момент, когда мы должны сопоставить ее предсказания с наблюдениями, поэтому понимание границы, разделяющей предсказание и наблюдение, имеет решающую важность и значимость.

Здесь мы подошли, возможно, к наиболее трудному, но центральному моменту интерпретации квантовой механики. Я попытался упростить предмет насколько возможно, не теряя существа обсуждения. Я весьма чувствителен к изяществу аргументации и сделал все, что было в моих силах, чтобы она была, насколько возможно, прозрачной. Если дела пойдут слишком туго, без колебаний прыгайте к следующей главе, ведь все, что следует дальше, не зависит от обсуждаемого здесь.

В самом широком смысле акт измерения дает изображение квантово-механического свойства на выходе макроскопического прибора. Этот выход обычно называют «показанием стрелки», но термин можно использовать и для обозначения выходных данных любой крупномасштабной системы, таких как число, появившееся не экране монитора, значок, напечатанный на бумаге, щелчок, услышанный ухом или даже обнаружение в ящике мертвой кошки. Копенгагенская интерпретация настаивает на том, что измерительный инструмент действует классически, поскольку он должен отображать квантовый мир в терминах величин, доступных восприятию таких великанов, как мы. Хотя копенгагенская интерпретация доминировала много лет, не в последнюю очередь за счет влияния Бора, она ни в коей мере не является повсеместно принятой. Ахиллесовой пятой ее мясистой подошвы является именно эта попытка настоять на особом статусе измерительного прибора. Альтернативным является утверждение, что измерительные приборы также действуют на основе квантовых принципов; мы исследуем этот вариант позднее.

Предположим, у нас есть детектор, который включает красный свет, если электрона нет, и зеленый,