Что квантовая теория на самом деле говорит о реальности?

Демонстрация, которая перевернула идеи великого Исаака Ньютона о природе света, была невероятно простой. Ее «можно повторить с большой легкостью, где бы ни сияло солнце», говорил английский физик Томас Янг в ноябре 1803 года членам Королевского общества в Лондоне, описывая эксперимент, который сейчас называется экспериментом с двойной щелью.  И Янг не был восторженным юнцом. Он придумал элегантный и тщательно продуманный эксперимент, демонстрирующий волновую природу света, и тем самым опроверг теорию Ньютона о том, что свет состоит из корпускул, то есть частиц.

Но рождение квантовой физики в начале 1900-х годов дало понять, что свет состоит из крошечных неделимых единиц — или квантов — энергии, которые мы называем фотонами. Эксперимент Янга, проводимый с одиночными фотонами или даже с отдельными частицами материи, такими как электроны и нейроны, представляет собой загадку, которая заставляет задуматься о самой природе реальности. Некоторые даже использовали его для утверждений, что на квантовый мир влияет человеческое сознание. Но действительно ли простой эксперимент может продемонстрировать подобное?

В современной квантовой форме эксперимент Янга включает стрельбу отдельными частицами света или материи через две щели или отверстия, вырезанных в непрозрачном барьере. По одну сторону барьера находится экран, записывающий прибытие частиц (скажем, фотографическая пластинка в случае с фотонами). Здравый смысл заставляет нас ожидать, что фотоны будут проходить или через одну, или через другую щель и накапливаться за соответствующим проходом.

Но нет.  Фотоны попадают в определенные части экрана и избегают других, создавая чередующиеся полосы света и темноты. Эти так называемые интерференционные полосы напоминают картину встречи двух волн. Когда гребни одной волны выравниваются с гребнями другой, вы получаете конструктивную интерференцию (яркие полосы), а когда гребни выравниваются с впадинами, вы получаете деструктивную интерференцию (темнота).

Но ведь через устройство проходит только один фотон за раз. Похоже на то, что фотон проходит через обе щели сразу и интерферирует сам с собой. Это противоречит здравому (классическому) смыслу.

Математически говоря, через обе щели проходит не физическая частица или физическая волна, а так называемая волновая функция — абстрактная математическая функция, представляющая состояние фотона (в данном случае положение). Волновая функция ведет себя как волна. Она попадает по двум щелям, и новые волны выходят по другую стороны щелей, распространяются и интерферируют между собой. Совмещенная волновая функция позволяет рассчитать вероятность того, где может находиться фотон.

Фотон обладает высокой вероятность оказаться там, где две волновые функции конструктивно интерферируют, и низкой — там, где интерференция деструктивная. Измерения — в данном случае это взаимодействие волновой функции с фотографической пластинкой — приводит к «коллапсу» волновой функции, к ее схлопыванию. В итоге она указывает на одно из мест, в котором фотон материализуется после измерения.

Этот очевидно вызванный измерением коллапс волновой функции стал источником множества концептуальных трудностей в квантовой механике. До коллапса нет никакого способа наверняка сказать, где окажется фотон; он может быть в любом месте с ненулевой вероятностью. Нет никакого способа проследить траекторию фотона от источника к детектору. Фотон нереален в том смысле, в котором реален самолет, летящий из Сан-Франциско в Нью-Йорк.

Вернер Гейзенберг, среди прочих, интерпретировал эту математику так, что реальность не существует, пока не наблюдается. «Идея объективного реального мира, мельчайшие частицы которого существуют объективно в таком же смысле, в котором существуют камни или деревья, вне зависимости от того, наблюдаем мы за ними или нет, — невозможна», писал он. Джон Уилер также использовал вариант эксперимента с двойной щелью, чтобы заявить, что «ни одно элементарное квантовое явление не будет явлением, пока не станет зарегистрированным («наблюдаемым», «доподлинно записанным») явлением».

Но квантовая теория совершенно не дает никаких подсказок к тому, что считать «измерением». Она просто постулирует, что измерительное устройство должно быть классическим, не определяя, где лежит эта грань между классическим и квантовым, и оставляя открытой дверцу для тех, кто считает, что коллапс вызывает человеческое сознание. В прошлом мае Генри Стапп и его коллеги заявили, что эксперимент с двойной щелью и его современные варианты свидетельствуют о том, что «сознательный наблюдатель может быть необходимым», чтобы наделять смыслом квантовую сферу, и что в основе материального мира лежит трансперсональный разум.

Но эти эксперименты не являются эмпирическим доказательством таких утверждений. В эксперименте с двойной щелью, выполненном с одиночными фотонами, можно лишь проверить вероятностные предсказания математики. Если вероятности всплывают в процессе досылания десятков тысяч идентичных фотонов через двойную щель, теория утверждает, что волновая функция каждого фотона схлопнулась — благодаря нечетко определенному процессу под названием измерение. Вот и все.

Кроме того, существуют другие интерпретации эксперимента с двойной щелью. Взять, например, теорию де Бройля-Бома, в которой говорится, что реальность — это и волна, и частица. Фотон направляется к двойной щели с определенным положением в любой момент и проходит через одну щель или другую; следовательно,  у каждого фотона есть траектория. Она проходит через пилотную волну, которая проникает через обе щели, интерферирует и затем направляет фотон в место конструктивной интерференции.

В 1979 году Крис Дьюдни и его коллеги из Колледжа Брикбек в Лондоне смоделировали предсказание этой теории о траекториях частиц, которые пройдут через двойную щель. За последние десять лет экспериментаторы подтвердили, что такие траектории существуют, хоть и использовали спорную методику так называемых слабых измерений. Несмотря на спорность, эксперименты показали, что теория де Бройля-Бома все еще в состоянии объяснить поведение квантового мира.

Что более важно, этой теории не нужны наблюдатели, или измерения, или нематериальное сознание.

Как не нужны и так называемым теориям коллапса, из которых следует, что волновые функции схлопываются случайным образом: чем больше число частиц в квантовой системе, тем вероятнее коллапс. Наблюдатели просто фиксируют результат. Команда Маркуса Арндта из Венского университета в Австрии проверяли эти теории, посылая все большие и большие молекулы через двойную щель. Теории коллапса предсказывают, что когда частицы материи становятся массивнее определенного порога, они больше не могут оставаться в квантовой суперпозиции и проходить через обе щели одновременно, и это уничтожает картину интерференции. Команда Арндта отправила молекулу из 800 атомов через двойную щель и все равно увидела интерференцию. Поиск порога продолжается.

У Роджера Пенроуза была собственная версия теории коллапса, в которой чем выше масса объекта в суперпозиции, тем быстрее он коллапсирует до одного состояния или другого из-за гравитационных нестабильностей. И снова, эта теория не требует наблюдателя и какого-либо сознания. Дирк Боумеестер из Калифорнийского университета в Санта-Барбаре проверяет идею Пенроуза с помощью одной из версий эксперимента с двойной щелью.

Концептуально идея заключается в том, чтобы не просто поместить фотон в суперпозицию прохождения через две щели одновременно, но и поставить одну из щелей в суперпозицию и заставить находиться в двух местах одновременно. По мнению Пенроуза, замещенная щель будет либо оставаться в суперпозиции, либо коллапсирует с фотоном на лету, что приведет к разным картинам интерференции. Этот коллапс будет зависеть от массы щелей. Боумеестер работает над этим экспериментом десять лет и, возможно, вскоре подтвердит или опровергнет заявления Пенроуза.

В любом случае, эти эксперименты показывают, что мы пока не можем делать никаких утверждений о природе реальности, даже если эти заявления хорошо подкреплены математически или философски. И учитывая то, что нейробиологи и философы разума не могут договориться о природе сознания, утверждение, что оно приводит к коллапсу волновых функций, будет преждевременным в лучшем случае и ошибочным — в худшем.