Теорема PBR: у вещей нет свойств до того, как мы на них посмотрим

Один из первых этапов развития человека — понимание постоянства объекта. Младенцу обычно требуется меньше года, чтобы осознать: когда взрослый прячет лицо за руками в игре «ку-ку», тот не перестаёт существовать. Мир вокруг нас сложнее, чем то, что мы воспринимаем.

Это наводит на мысль — по крайней мере, навело Альберта Эйнштейна, — что мир «реален» в том смысле, что вещи обладают свойствами, которые истинны независимо от того, что кто-либо думает. Красный бильярдный шар красный, даже в темноте, и даже если никто не проверяет его цвет. Краснота — это свойство, принадлежащее шару, а не прибору, измеряющему шар, и не разуму человека, управляющего прибором.

Однако квантовая механика, тщательно проверенная теория того, как устроен мир, похоже, говорит об обратном. Её математика приписывает красноту бильярдному шару в момент измерения. До этого теория даёт лишь набор вероятностей, сообщающих, какого цвета шар может быть. Ключевые основатели квантовой механики предполагали, что эта математика отражает природу реальности — что в некотором смысле единой объективной реальности не существует.

В 1935 году Эйнштейн восстал против этого сюрреалистического прочтения квантовой теории, предложив один из самых знаменитых мысленных экспериментов XX века. Но его бунт был обречён. В 1964 году физик Джон Стюарт Белл своим мысленным экспериментом показал, что реальность должна быть страннее, чем предполагал Эйнштейн. Последующие работы проверили мысленный эксперимент Белла на практике — и подтвердили его правоту.

Затем, пятьдесят лет спустя после Белла, Мэтью Пьюси, тогда аспирант Имперского колледжа Лондона, взялся за то, что оставалось от эйнштейновского понятия реальности, и — изначально не намереваясь этого — нанёс смертельный удар. Теорема, изменившая парадигму, стала известна как PBR — по имени Пьюси и его соавторов Джонатана Барретта и Терри Рудольфа. С момента публикации PBR в 2012 году многие теоретики пришли к мнению, что она исключает наше самое обыденное понимание реальности.

«С момента выхода PBR люди знали, что это будет веха», — сказал Жак Пиенаар, физик из Федерального университета Рио-де-Жанейро.

В то время Пиенаар, как и Пьюси, шёл по стопам Эйнштейна, занимаясь теориями, призванными показать, что объективная реальность существует, а квантовая механика лишь описывает наше неполное знание о ней. Но когда появилась теорема PBR, Пиенаар вспоминает, как подумал: «Всё. Программа мертва».

Это история о том, как Эйнштейн, Белл и, наконец, Пьюси с коллегами убили реальность в том виде, как мы её знаем. Тремя теоремами они доказали, что квантовая механика несовместима с миром, который мы воспринимаем. И поскольку эксперимент за экспериментом — включая недавнюю реализацию PBR — устанавливали, что квантовая механика является законом, что-то в реальности должно уступить. Вопрос, который остаётся: от чего именно нам придётся отказаться?

После того как Эйнштейн сыграл пионерскую роль в разработке квантовой механики, он развернулся и атаковал её. Он не мог принять то, что она говорила о реальности. Эйнштейн знал нутром, что такое реальность. Это совокупность всех объективных фактов — таких как цвет, положение и скорость бильярдного шара, — которые существуют в описываемых ими объектах независимо от восприятия и разума. Но квантовая механика, разработанная Вернером Гейзенбергом и Эрвином Шрёдингером в середине 1920-х, имела дело не с фактами, а с возможностями.

Квантовая механика оперирует возможностями. Её математика даёт «квантовое состояние», также известное как волновая функция. Эта волновая функция может сообщить вам, например, что в эксперименте по измерению цвета конкретного бильярдного шара у вас будет 77% шансов обнаружить шар красным и 23% шансов обнаружить его зелёным. Вопрос, который ставит в тупик физиков уже столетие: какова природа шара до эксперимента? Имеет ли шар несколько цветов? Никакого цвета? Имеет ли понятие цвета вообще смысл? Короче говоря, существует ли реальность, поддерживающая постоянство объекта, которое мы переживаем?

Для Эйнштейна ответ был очевиден: конечно, реальность существует; волновая функция просто не отражает её полностью. В этом взгляде волновая функция подобна прогнозу погоды. Скажем, вы просыпаетесь, и приложение погоды сообщает, что сегодня 77% вероятность дождя, но вы ещё не выглянули на улицу. Затем вы поднимаете жалюзи и видите капли дождя. В этот момент вы становитесь на 100% уверены, что идёт дождь. Этот сдвиг с 77% до 100% — сдвиг в уверенности, происходящий исключительно в вашей голове. Он не отражает какое-то реальное метеорологическое изменение. Атмосфера реальна, а ваша неуверенность в её состоянии — это нечто иное, отражение информации в вашем сознании.

Эйнштейн вместе с коллегами Борисом Подольским и Натаном Розеном придумал мысленный эксперимент, чтобы доказать, что квантовое состояние существует лишь как артефакт информации. Чтобы понять эксперимент, нужно знать одну особенность волновой функции: её математическая структура не позволяет объекту иметь положение и импульс одновременно.

Эксперимент заключался в столкновении двух частиц и последующем измерении, например, того, как далеко улетела одна частица. Это первое измерение также сообщило бы, как далеко улетела партнёрская частица. Эйнштейн и коллеги утверждали, что положение партнёрской частицы должно существовать, потому что его можно узнать. Они утверждали, что у партнёрской частицы также есть импульс, потому что это свойство можно узнать аналогичным образом. Ключевым было то, что их эксперимент включал измерение только одной частицы один раз, в то время как другая оставалась нетронутой. Это показывало, утверждали учёные, что вторая частица обладала свойствами, которые были установлены и реальны ещё до измерения. А поскольку волновая функция этого не допускает, волновая функция не должна отражать буквальное состояние частицы; квантовое состояние не реально.

Чтобы прийти к этому выводу, учёные сделали два казавшихся незыблемыми предположения. Во-первых, они предположили, что частица может иметь буквальное состояние, — предположение «реальности». Во-вторых, они предположили, что это буквальное состояние существует внутри частицы и нигде больше, так что единственный способ его изменить — взаимодействовать с частицей, — предположение «локальности».

Но всего через несколько месяцев после этой работы наставник Гейзенберга Нильс Бор попытался закрыть аргумент Эйнштейна, атаковав его первое предположение. «Квантового мира не существует, — сказал бы позже Бор. — Существует лишь абстрактное квантово-физическое описание». Его аргумент был сродни утверждению, что прогноз погоды точен, но сама атмосфера либо не существует, либо неописуема. Это отрицание объективной реальности стало известно как копенгагенская интерпретация.

Многие современные квантовые физики критикуют ответ Бора как запутанный и расплывчатый. Но видная роль Бора как основателя квантовой механики вместе с накапливавшейся экспериментальной поддержкой теории убедила многих его современников, что он прав. Физики в основном потеряли интерес к обсуждению того, как квантовое состояние связано с реальностью, — центральному вопросу современной области «квантовых оснований».

«Бор — худшее, что случилось с физикой, — сказал Дэвид Шмид, физик из Периметрального института теоретической физики в Ватерлоо, Канада, который в подростковом возрасте поглощал дебаты Бора и Эйнштейна. — Он причина того, что квантовые основания не существовали» до современной эпохи.

Тридцать лет спустя блокбастер-теорема возродила любопытство физиков.

Джон Стюарт Белл всегда сочувствовал Эйнштейну. Будучи студентом, Белл тоже с трудом принимал сюрреалистичность квантовой механики. Он задавался вопросом, как её предсказания могут быть оторваны от реального мира, состоящего из объективных свойств, как утверждал Бор. Затем, в 1952 году, Белл «увидел, как невозможное стало возможным». Он прочитал работы Дэвида Бома, который разработал версию квантовой механики, где частицы всегда имеют реальные положения независимо от измерения.

«Бомовская механика» достигала этого, объявляя волновую функцию «пилотной волной» — физическим объектом, который управляет движением частиц. Как реальная вещь в мире, эта волна имела одну неприятную особенность: нелокальность. Она могла изменяться так, что мгновенно воздействовала на удалённую частицу. Несмотря на этот недостаток, пилотная волна была маяком для Белла. Она позволяла физикам утверждать, что, вопреки популярной копенгагенской интерпретации, объективная реальность всё-таки существует. «Почему картина с пилотной волной игнорируется в учебниках? — писал Белл. — Разве её не следует преподавать — не как единственный путь, но как противоядие от господствующей самоуспокоенности?»

Работа Бома вдохновила Белла на новый мысленный эксперимент, настолько простой, что он применим ко всем версиям квантовой теории, известным и неизвестным. Следуя по стопам Эйнштейна, он представил две частицы, сталкивающиеся и разлетающиеся в противоположных направлениях. В конце концов каждая частица встречает устройство, которое выполняет случайно выбранное измерение с двумя возможными исходами. Белл представил, как повторяет этот эксперимент много раз, и использовал элементарную арифметику, чтобы предсказать, как часто устройства могут возвращать совпадающие измерения. Он предположил, что каждая частица изначально имеет состояние — идея Эйнштейна об объективной реальности — и что устройства слишком далеко друг от друга, чтобы частицы могли влиять друг на друга — идея Эйнштейна о локальности. Он рассчитал, что в реальном и локальном мире частицы совпадали бы относительно редко.

Затем, используя квантовую механику, Белл предсказал, что две частицы будут совпадать гораздо чаще. Он создал экспериментальный тест, который мог столкнуть квантовую механику с эйнштейновской версией реальности. Физики провели его эксперименты в 1980-х и подтвердили, что частицы действительно совпадают чаще, чем допускала реальность Эйнштейна.

Белл добился того, чего Бор не смог: он доказал, что по крайней мере одно из двух ключевых предположений Эйнштейна и коллег должно быть ошибочным. Физики увидели, что мир не может быть одновременно реальным и локальным. Что-то должно уступить.

Бомовская механика представляла один из крайних способов справиться с этим компромиссом. Она сохраняла реальность, делая волновую функцию реальным объектом, но требовала проглотить горькую пилюлю нелокальности. Копенгагенская позиция, что ничего не реально, была другой крайностью. В последующие десятилетия некоторые физики поняли, что существует средний путь. Белл показал, что предположения Эйнштейна и коллег ошибочны, но, возможно, Эйнштейн всё же был на чём-то с его интуицией, что волновая функция напоминает наше знание, как прогноз погоды.

«Вы возвращаетесь и смотрите на всё, что написал Эйнштейн, и это просто на 100 лет опережает своё время», — сказал Шмид. Поиск способа сохранить объективную реальность, не делая волновую функцию реальной, привёл Пьюси к теореме PBR. И по иронии судьбы теорема PBR фактически положила конец этому поиску.

Физики вроде Шмида и Пиенаара не могли смириться с тем, что квантовое состояние просто не ведёт себя как понятное физическое свойство. Возьмите одно определяющее поведение волновой функции — её «коллапс». Вспомните пример с бильярдным шаром, который мог быть красным или зелёным. В момент, когда вы смотрите на шар, его волновая функция коллапсирует, давая 100% вероятность красноты.

Попытка интерпретировать это событие как буквальное изменение физического шара сводит с ума. Шар начал как какая-то невообразимая бесцветная смесь, а затем, в мгновение, когда вы взглянули, переключился в состояние 100% красноты? «В такой области, как квантовые основания, нужно следить за своим рассудком», — сказал Люсьен Харди, физик из Периметрального института, работающий в этой области.

Но интерпретируйте это событие как изменение информации в вашей голове — и оно обретает гораздо больше смысла. Вы думали, что шар, вероятно, красный, посмотрели и узнали, что он действительно красный. То же самое происходит с вероятностью дождя, когда вы утром выглядываете в окно. Эйнштейн не совсем так это формулировал, но современные исследователи считают, что именно это он отстаивал в своей работе с коллегами.

Вопрос, который остаётся: если теорема PBR действительно убила эйнштейновское понимание реальности, то что приходит на его место — и не окажется ли, что мир, в котором у вещей нет свойств до измерения, не так уж несовместим с тем, как мы на самом деле живём?