Шон Кэррол, американский физик-теоретик, в своей недавней книге «Something Deeply Hidden: Quantum Worlds and the Emergence of Spacetime» доказывает, что пока ученые не решат проблему измерений в квантовой механике, понять устройство Вселенной будет невозможно. New York Times публикует эссе на основе его книги.

Квантовая механика, описанная группой блестящих умов в первой половине XX века, оказалась невероятно плодовитой. На ее счету описание поведения атомов, объяснение сияния звезд, работа транзисторов и лазеров.

Уверенно использовать квантовую механику ученые умеют. Но она до сих пор остается черным ящиком. По сути, физики понимают эту теорию не лучше, чем рядовой пользователь — то, что происходит в его смартфоне.

Пониманию мешают две проблемы. Первая в том, что квантовая механика, описанная в учебниках, требует одних правил для ситуации, когда за квантовыми объектами никто не наблюдает, и других — когда наблюдатель имеется. Когда никто не смотрит, они существуют в «суперпозициях» различных возможностей, например, находятся в любой из возможных точек в пространстве. Но если наблюдатель появляется, объект оказывается в каком-то одном месте, которое невозможно предсказать. Максимум, что могут физики — рассчитать вероятность различных вариантов.

Это вызывает массу вопросов. Что такого особенного в наблюдении? Что считается наблюдением? Когда именно оно происходит? Должен ли наблюдатель быть человеком? Задействовано ли как-то в этом процессе сознание? Это называется «проблемой измерения» в квантовой теории.

Вторая сложность в том, что ученые не пришли к единому мнению о том, что именно описывает квантовая теория, даже когда не выполняет измерения. Мы описываем квантовый объект, такой как электрон, в терминах волной функции, которая собирает суперпозиции всех возможных результатов измерений в единый математический объект. Когда мы не наблюдаем волновые функции, они развиваются в соответствии с уравнением Эрвина Шредингера.

Но что такое волновая функция? Является ли она полным и всеобъемлющим представлением мира? Или нам нужны дополнительные физические величины, чтобы полностью описать реальность, как подозревал Альберт Эйнштейн и другие? Или волновая функция вообще не имеет прямой связи с реальностью, а всего лишь характеризует наше незнание того, что же мы измеряем в экспериментах?

Ученый Ричард Фейнман сетовал: пока физики не ответят на эти вопросы, они не смогут по-настоящему понять квантовую механику, самую фундаментальную теорию, какая только есть в их распоряжении, которая находится в центре всех попыток сформулировать законы природы.

Если никто не понимает квантовую механику, никто не понимает Вселенную.

Истоки дискуссии

Казалось бы, в таком случае понять квантовую механику — самая приоритетная задача физиков всего мира. Но в реальности все наоборот. Ученые сообща пришли к мнению, что важнее не разобраться в квантовой механике, а понять, как использовать квантовые законы, чтобы сконструировать модели частиц и веществ.

По сути, это означает, что ученые не заинтересованы понять, как на самом деле работает природа. Все, что им нужно — это успешно предсказать результаты экспериментов.

Проблема появилась еще в 1920-х в серии дискуссий между Альбертом Эйнштейном и Нильсом Бором. Эйнштейн утверждал, что современная версия квантовой теории не достигает уровня полноценной физической теории и что мы должны копать глубже. Бор считал, что все и так отлично сформулировано. Его позиция оказалась более убедительной, а сторонникам точки зрения Эйнштейна становилось все труднее.

В 50-х Дэвид Бом предложил дополнить традиционную квантовую теорию, чтобы решить проблему измерения. Вернер Гейзенберг, один из пионеров квантовой механики, обозвал эту теорию «излишней идеологической суперструктурой», а Роберт Оппенгеймер сказал: «Если мы не можем опровергнуть Бома, тогда мы должны все вместе игнорировать его».

Примерно в то же время Хью Эверетт изобрел свою теории множественных миров — еще одну попытку решить проблему измерений. И тоже был высмеян сторонниками Бора. После этого Эверетт бросил заниматься физикой.

Другие варианты решения, предложенные Джанкарло Гирарди, Альберто Римини и Тулио Вебером, неизвестны большинству физиков. Годами ведущие научные журналы отказываются публиковать статьи об основах квантовой механики.

Сейчас ситуация меняется, хоть и медленно. Нынешнее поколение философов от физики очень серьезно относятся к квантовой механике и предпринимают массу усилий, чтобы внести ясность в эту область. Эмпирически настроенные ученые поняли, что феномен измерений можно изучать через эксперименты. А прогресс в технологиях вывел на первый план вопросы о квантовых компьютерах и квантовой информации.

Сто лет физики отказывались признать, что понимание квантовой механики — критически важная задача. Возможно, пора изменить этот подход, резюмирует NYT.