В «реляционной» интерпретации квантовой теории важно то, что она не описывает способ, которым квантовые объекты проявляются для нас (или для неких особенных сущностей, производящих нечто особенное, а именно: «наблюдение»). Теория описывает, как каждый физический объект проявляется для любого другого физического объекта. Как одна физическая сущность воздействует на любую другую физическую сущность.
ГЛАВА ИЗ КНИГИ «ГЕЛЬГОЛАНД. ОСМЫСЛЕНИЕ КВАНТОВОЙ РЕВОЛЮЦИИ»*
Перевод с английского Сергея Катукова
(другую главу см. в № 1-2/2024)
III. Возможно ли, чтобы реальное по отношению к вам, было нереальным для меня?
В которой я наконец рассказываю о взаимодействиях
- Было время, когда мир казался простым
Во времена Данте мир европейцам представлялся подобием горних сфер: всемогущий Творец с ангельской иерархией направлял планеты по их небесным путям, с любовью и трепетом соучаствуя в жизни беззащитного человечества, в центре вселенной то движимого восхищением, то сокрушаемого мятежом и раскаяньем. Затем всё изменилось. В последующие столетия мы исследовали аспекты реальности, открывали тайные грамматики, обнаруживали стратегии целеполаганий. Научное мышление возвело величественный храм познания. Физика сыграла фундаментальную и объединяющую роль, предложив ясный образ реальности: обширное пространство, пронизанное частицами, которые подвержены силам отталкивания и притяжения. Фарадей и Максвелл добавили электромагнитное «поле»: растворённую в пространстве сущность, благодаря которой удаленные тела оказывают друг на друга влияние. Эйнштейн довершил картину, показав, что гравитация также переносится «полем», которое само является геометрией пространства-времени. Совершенно логичное и прекрасное объединение.
Реальность оказалась великолепным разнообразием: заснеженные горы и леса, улыбки друзей, грохот подземки слякотным зимним утром, наша неутолимая страсть, танец пальцев по клавиатуре ноутбука, вкус хлеба, печаль мира, ночные небеса, неисчислимые звёзды, одинокий свет Венеры в ультрамариновой синеве сумерек… За этим зыбким покрывалом явлений мы, казалось, отыскали глубокую связь, скрытый порядок. Это было время, когда вещи казались простыми.
Но великие надежды крошечных существ, нас самих, часто оборачиваются мимолетной мечтой. Концептуальная ясность классической физики была сметена квантовой теорией. Реальность оказалась определённо не такой, какой её описывала классическая физика.
Мы внезапно пробудились от приятного сна, убаюканые иллюзиями ньютоновских достижений. Но это пробуждение возвратило нас к беспокойному сердцу научного мышления, в котором нет готовых решений: мышление это всегда подвижно, а его сила именно в способности подвергать всё сомнению и начинать заново, не боясь на пути к большей ясности разрушить прежнюю картину мира — ради того, чтобы над всем этим поставить новый знак вопроса, который опять всё разрушит.
Бесстрашие в переосмыслении мира — в этом состоит сила науки: с тех пор как Анаксимандр выбил из-под Земли опору, Коперник запустил её вращаться в небеса, Эйнштейн разрушил незыблемость пространства и времени, а Дарвин лишил человека исключительности… реальность постоянно уточняет свои контуры, которые становятся всё более различимыми. Шаг за шагом приоткрывается невероятная странность и красота реальности. Смелость радикального переосмысления мира: вот в чём изящное очарование науки, впервые покорившее меня в возрасте подростка-бунтаря…
- Взаимодействия
Если Цайлингер в физической лаборатории изучает такие малые объекты, как атом или фотон, испущенный лазером, сам собой отпадает вопрос, кто является наблюдателем: очевидно, что это ученый, который подготавливает, наблюдает и измеряет квантовый объект; учёный взаимодействует с измерительными приборами, регистрирующими свет, испущенный атомом, или место поглощения фотонов.
Но мир не состоит из лабораторных ученых или измерительных приборов. Что же тогда представляет собой наблюдение, когда нет учёного-наблюдателя? Что говорит квантовая теория, когда нет того, кто производит измерения? Что квантовая теория может сказать о происходящем в другой галактике?
Ключом к ответу, краеугольным камнем этой книги, на мой взгляд, является простой факт, что и ученые, и измерительные приборы — всё это тоже часть природы. Таким образом, квантовая теория описывает способ, которым одна часть природы проявляет себя по отношению к любой другой отдельной части природы.
В «реляционной» интерпретации квантовой теории важно то, что она не описывает способ, которым квантовые объекты проявляются для нас (или для неких особенных сущностей, производящих нечто особенное, а именно: «наблюдение»). Теория описывает, как каждый физический объект проявляется для любого другого физического объекта. Как одна физическая сущность воздействует на любую другую физическую сущность.
Мы думаем о мире в терминах объектов, вещей, сущностей (в физике их называют «физическими объектами»): фотон, кошка, камень, часы, дерево, мальчик, деревня, радуга, планета, скопление галактик… Но они не существуют в гордом одиночестве. Напротив, они только и делают, что постоянно взаимодействуют друг с другом. Понимание раскрывается в сосредоточенности, скорее, на взаимодействующих, чем на изолированных объектах. Кошка слушает тиканье часов; мальчик бросает камень; камень в полёте рассекает воздух, при падении ударяется о другой камень, перемещая его, и оставляет след в месте падения; дерево впитывает энергию солнечных лучей, выделяет кислород, которым дышат деревенские жители, любуясь звёздами, которые, в свою очередь, движутся внутри галактик, притягиваемых гравитацией других звезд… Мир, который мы наблюдаем, постоянно взаимодействует. Это плотная сеть взаимодействий.
Отдельные объекты взаимодействуют. Представьте объект, который ни с чем не взаимодействует, ни на что не влияет, не излучает свет, не притягивает и не отталкивает, который невозможно осязать и у которого нет запаха… но это все равно что отсутствие объекта. Говорить об объектах, никогда не взаимодействующих, всё равно что говорить о чем–то, — пусть даже и существующем, — что не имеет для нас никакого значения. Сложно даже сказать, в каком смысле такие объекты «существуют». Мир, который мы знаем, с которым взаимодействуем, который имеет для нас значение, то, что мы называем «реальностью», — это обширная сеть взаимодействующих сущностей, частью которой являемся мы сами, и которые проявляют себя, взаимодействуя друг с другом. Именно с такой сетью мы имеем дело.
Одна из таких сущностей — фотон, наблюдаемый Цайлингером. Но другая — сам Антон Цайлингер. Он — сущность, точно такая же, что и фотон, кошка или звезда. Читающий эти строки — ещё одна сущность, и я, который пишет их канадским зимним утром, когда небо за окном моего кабинета все ещё темное, а котенок янтарного цвета мурлычет, уютно устроившись между мной и компьютером, за которым я работаю, — я такая же сущность, как и другие.
Если квантовая теория описывает, как фотон проявляет себя для Цайлингера, то есть описывает взаимодействие между двумя физическими объектами, она также должна описывать способ, которым один любой объект проявляет себя для любого другого объекта.
Существуют особенные объекты, которые можно назвать «наблюдателями» в строгом смысле слова: они обладают органами чувств и памятью, работают в лаборатории, взаимодействуют с широким окружением, являются макроскопическими… Но под описание квантовой механики должны подпадать не только такие объекты: она должна описывать элементарную и универсальную грамматику физической реальности, проявляющуюся не только в лабораторных наблюдениях, но и в каждом типе и случае взаимодействия.
Данный способ рассмотрения не предполагает в «наблюдениях», введенных Гейзенбергом, чего-то особенного: любое взаимодействие между двумя физическими объектами можно рассматривать как наблюдение. Любой объект, когда на него воздействуют другие объекты, надо научиться рассматривать как «наблюдателя». Квантовая теория описывает воздействие объектов друг на друга.
Я полагаю, что главное открытие квантовой теории в том, что собственные свойства любой сущности — не что иное, как способ, которым эта сущность воздействует на другие сущности. Она имеет существование только через свои взаимодействия. Квантовая теория — теория о том, как вещи воздействуют друг на друга. И это лучшее из имеющихся у нас описаний природы.
Это идея проста, но имеет радикальные следствия, открывающие концептуальное пространство в понимании квантов.
Нет взаимодействия — нет свойств
Бор говорит, что «Поведение атомных объектов невозможно отграничить от их взаимодействия с измерительным оборудованием, используемым для определения условий, при которых проявляется явление».
Когда он это писал в 1940-х годах, применение теории было ограничено лабораториями, исследовавшим атомные объекты. Почти столетие спустя мы знаем, что теория справедлива для каждого объекта во Вселенной. «Атомные объекты» следует изменить на «все объекты», а «взаимодействие с измерительным оборудованием» на «взаимодействие с любым предметом вообще».
Переосмысленное таким образом наблюдение Бора отражает открытие, лежащее в основе теории: нельзя отделить свойства объекта от взаимодействий, в которых эти свойства проявляются, и от других объектов, по отношению к которым эти свойства проявляются. Свойства объекта — это способ, которым он воздействует на другие объекты; реальность — это сеть взаимодействий. Вместо того чтобы рассматривать физический мир как совокупность объектов с определенными свойствами, квантовая теория предлагает нам рассматривать физический мир как сеть отношений. Объекты — это узлы в сети.
Первое радикальное следствие состоит в том, что приписывать свойства чему-либо, когда оно не взаимодействует, излишне и может ввести в заблуждение. Речь идет о том, что без взаимодействий нет свойств.
В этом состоит важность оригинальной интуиции Гейзенберга: спрашивать о том, какова орбита электрона, когда он ни с чем не взаимодействует, бессмысленно. Электрон не движется по орбите, потому что к его физическим свойствам относятся только те, которые определяют, как он влияет на что-то другое, например, на свет, который он излучает при взаимодействии. Если электрон не взаимодействует, то у него нет свойств.
Это радикальное понимание, равносильное утверждению, что все состоит исключительно из способа, которым одно влияет на другое. Когда электрон ни с чем не взаимодействует, у него нет физических свойств. У него нет положения; у него нет скорости.
Факты относительны
Второе следствие еще более радикально.
Предположим, что вы — кот в мысленном эксперименте Шрёдингера. Вы заперты в коробке, и квантовый механизм с вероятностью один к двум выпускает снотворное. Вы чувствуете, было оно выпущено или нет. В первом случае вы спите, во втором — бодрствуете. Снотворное для вас либо выпущено, либо нет. Однозначно. С вашей точки зрения, вы либо спите, либо бодрствуете. Определённо ни то, ни другое одновременно.
С другой стороны, вне коробки нахожусь я и не взаимодействую ни со снотворным, ни с вами. Позже я могу наблюдать явления интерференции между вами-бодрствующим и вами-спящим: явления, которые не возникло бы, если бы я увидел вас спящим или бодрствующим. В этом смысле для меня вы ни спите, ни бодрствуете. Это означает, что вы находитесь «в суперпозиции сна и бодрствования».
На вас снотворное либо действует, либо нет, вы спите или бодрствуете. Для меня вы ни бодрствуете, ни спите. Для меня «существует квантовая суперпозиция». Для вас существует реальность бодрствования или сна. Релятивистская интерпретация допускает истинность обеих вещей: о каждой из них можно говорить только по отношению к разным наблюдателям: к вам или ко мне.
Возможно ли, чтобы реальное по отношению к вам, было нереальным для меня?
Полагаю, квантовая теория, отвечает на этот вопрос положительно. Факты, которые реальны по отношению к одному объекту, не обязательно являются таковыми по отношению к другому. Свойство может быть реальным по отношению к одному камню, но нереальным по отношению к другому.
- Разреженный и изощрённый квантовый мир
Надеюсь, читатель не потерялся в последних замысловатых, но важных абзацах. Суть в том, что свойства объектов проявляются только в момент их взаимодействия и реальны относительно одного объекта, но не относительно другого.
Тот факт, что свойства могут существовать только по отношению к чему-то ещё, не должен нас сильно смущать. Мы уже знаем об этом. Например, скорость — это свойство, которым один объект обладает относительно другого объекта. Идя по палубе парома, вы обладаете одной скоростью относительно парома, другой — относительно воды в реке, ещё одной — относительно Земли, относительно Солнца, относительно Галактики — и так далее, до бесконечности. Скорость не существует без привязки (неявно или явно) к чему-то другому. Скорость — понятие, связывающее два объекта (вы и паром, вы и Земля, вы и Солнце). Как свойство оно существует только относительно чего-то другого. Это отношение между двумя сущностями.
Есть и другие примеры: поскольку Земля — это сфера, понятия «верха» и «низа» не абсолютны, а относительны в зависимости от того, где находимся на Земле мы. Для специальной теории относительности явление одновременности также будет относительным. Квантовая теория лишь чуть более радикальна: для неё все свойства (переменные) всех объектов относительны в том же понимании, что и в случае со скоростью.
Физические переменные описывают не вещи, а способ, которым вещи проявляют себя относительно друг друга. Нет смысла приписывать им значение, если это не происходит в процессе взаимодействия.
Ψ-волна — это вероятностная оценка того, где и как может произойти событие относительно нас. Следовательно, волна также является относительной величиной. Объект не обладает единственной ψ-волной: для каждого объекта, с которым он взаимодействует, существует своя волна. События, происходящие относительно одного объекта, не влияют на вероятность событий, происходящих по отношению к другим объектам. «Квантовое состояние» ψ-волны всегда относительно.
Итак, мир — это сеть относительных фактов, то есть отношений, реализующихся при взаимодействии физических сущностей. Камень сталкивается с другим камнем. Солнечный свет достигает моей кожи. Вы читаете эти строки.
Мир с этой точки зрения представляется весьма разреженным. Вещи в нём существуют не сами по себе с неизменными свойствами, а обладают свойствами и характеристиками только по отношению к другим вещам и только в момент взаимодействия. Положение камня в пространстве не абсолютно, а относительно того камня, с которым он сталкивается. Небо само по себе бесцветно, цвет возникает, когда мы смотрим на небо. Звезда не светит как обособленная сущность, а является узлом в сети взаимодействий, формирующей галактику, в которой звезда расположена.
Квантовая теория видит мир совершенно не таким, каким представляла его себе старая физика; он сформирован случайностями, прерывистыми, непостоянными событиями. Это мир тонкой структуры, сложный и хрупкий, подобно венецианскому кружеву. Любое взаимодействие создаётся крошечными эфемерными событиями, сплетающими реальность, а не макрообъектами, которые философия наделяет статичными свойствами.
Есть многое на свете, друг Горацио,
Что и не снилось нашим мудрецам.
(пер. М. Вронченко)
Жизнь электрона — не линия в пространстве, а точечно проявленное событие, одно — здесь, другое — там. Все события точечны, прерывисты, вероятностны, относительны.
В «Космологических коанах» Энтони Аггире этот сбивающий с толку взгляд описан следующим образом:
Электрон — особый тип закономерности, возникающий в процессе измерений и наблюдений, которые мы проводим. Это, скорее, закономерность, чем субстанция. Это порядок. Таким образом, мы оказываемся в странной ситуации. Дробим материю на всё более мелкие части, но потом, на поверку, оказывается, что этих частей нет. Есть только их сорасположение. Чем же тогда являются такие вещи, как лодка, паруса или ваши ногти? Чем они являются? Если вещи — это формы форм форм форм, а форма — это порядок, а порядок определяется нами… тогда вещи существуют только относительно нас и Вселенной. Будда мог бы сказать, что они — пустота.
Монолитность мира, привычная в повседневности, не отражает подлинной зернистой структуры реальности: это результат нашего макроскопического видения. Электрическая лампочка излучает не непрерывный свет, а град мгновенных фотонов. На малых масштабах нет непрерывности или неподвижности: события и взаимодействия дискретны, разрозненны и оторваны друг от друга.
Шрёдингер изо всех сил сражался с квантовой дискретностью, с квантовыми скачками Бора, с матричной механикой Гейзенберга, защищая образ непрерывной реальности, создаваемой интуицией классического мировоззрения. В конце концов даже он капитулировал после десятилетнего спора 1920-х годов, признав поражение. Слова Шрёдингера «Было время, когда авторы волновой механики питали иллюзии, что им удалось устранить дискретность квантовой теории» завершаются ясным и окончательным признанием:
…частицу следует рассматривать не как постоянную сущность, а, скорее, как мгновенное событие. Иногда такие события образуют цепочки, создающие иллюзию постоянства, но только при определенных обстоятельствах и только в течение чрезвычайно короткого времени в каждом отдельном случае.
Многомировая интерпретация и теория скрытых параметров, описанные в предыдущей главе, «наполняют» мир дополнительными скрытыми реальностями, пытаясь восстановить «полноту» классической реальности, изгнав из неё квантовую неопределенность. Но расплачиваться приходится ценой постулирования мира, наводнённого невидимыми сущностями. Релятивистская точка зрения принимает теорию как есть, — как лучшую из теорий, — с её черновым описанием мира и принятием неопределенности, как это делает Qbism (кьюбизм, квантовый байесианизм — прим. перев.). Но в отличие от кьюбизма, сосредоточенного на информации о предмете, релятивистское понимание квантовой теории касается структуры мира.
Релятивизм связан с изменением нашего понимания грамматики реальности: подобно тому как когда-то открытие Анаксимандром истинной формы Земли изменило грамматику представлений о том, что такое «верх» и «низ». Объекты описываются переменными, принимающими значение при взаимодействии, и это значение определяется относительно объектов-участников взаимодействия, а не любых других объектов. Сущность — это нечто одно, либо нечто другое, либо сотни тысяч других.
Мир раздирают состязающиеся точки зрения, не допускающие однозначного, глобального видения. Это мир перспектив, проявлений, а не сущностей со статичными свойствами или мир единичных фактов. Свойства не принадлежат объектам, а являются мостами между объектами. Одни объекты таковы только по отношению к другим объектам, являясь узлами, где встречаются мосты. Мир — это игра перспектив, это зеркальные спектакли, существующие только во взаимоотражении.
Фантастический квантовый мир и есть наш подлинный мир.
Примечание
* Rovelli, C. Helgoland: Making Sense of the Quantum Revolution. Riverhead Books, 2021
