Сто лет недосказанности: Квантовая механика для всех в 25 эссе

Научный редактор: Алексей Цвелик, канд. физ. – мат. наук

Редактор: Петр Фаворов

Иллюстрации: Нюся Красовицкая

Издатель: Павел Подкосов

Руководитель проекта: Александра Шувалова

Художественное оформление и макет: Юрий Буга

Корректоры: Ольга Смирнова, Наталья Федоровская

Верстка: Андрей Фоминов

Иллюстрация на обложке: Нюся Красовицкая

Все права защищены. Данная электронная книга предназначена исключительно для частного использования в личных (некоммерческих) целях. Электронная книга, ее части, фрагменты и элементы, включая текст, изображения и иное, не подлежат копированию и любому другому использованию без разрешения правообладателя. В частности, запрещено такое использование, в результате которого электронная книга, ее часть, фрагмент или элемент станут доступными ограниченному или неопределенному кругу лиц, в том числе посредством сети интернет, независимо от того, будет предоставляться доступ за плату или безвозмездно.

Копирование, воспроизведение и иное использование электронной книги, ее частей, фрагментов и элементов, выходящее за пределы частного использования в личных (некоммерческих) целях, без согласия правообладателя является незаконным и влечет уголовную, административную и гражданскую ответственность.

© Семихатов А., 2024

© Красовицкая А., иллюстрации, 2024

© ООО «Альпина нон-фикшн», 2024

Большинство из них даже не видят, в какую рискованную игру с реальностью они играют – с реальностью как чем-то, что не зависит от установленного.

Несмотря на беспрецедентный эмпирический успех квантовой теории, само предположение, что она может быть буквально верным описанием природы, до сих пор встречается с глубоким недоверием, непониманием и даже гневом.

Почему квантовая физика меня интересует: именно потому, что она ломает ограничения наших обычных представлений о реальности. [И] она постоянно подвержена этой псевдоспиритуалистской опасности.

Что в книге

Квантовая механика – самое удивительное, что когда-либо было изобретено людьми: она дает лучшее возможное описание невидимых и даже непредставимых объектов, но оставляет не вполне понятным, каким образом это ей удается.

Квантовая природа лежит в основе всего существующего, а знания о ней – в основе многих современных технологий. Каждый раз, когда нам удается использовать в наших целях квантовые эффекты, они оказываются самым близким приближением к чудесам, какое вообще возможно без нарушения законов природы.

Согласно квантовым законам и только лишь благодаря квантовым законам существуют атомы, из которых состоим и мы сами, и почти все на планете Земля; благодаря квантовым законам горит Солнце; квантовые процессы определяют взаимодействие света и вещества; весь наш мир собран из квантовых объектов. Но фундаментальная квантовая природа в глубине мира остается в основном незаметной из-за мельтешения огромного числа мельчайших участников. По отдельности они ведут себя квантово и взаимодействуют друг с другом тоже по квантовым правилам, но все вместе образуют привычный нам наблюдаемый, и почти ничем не квантовый, мир. Будучи его обитателем, я не проваливаюсь сквозь пол, вижу свет, греюсь в лучах Солнца и вообще являюсь продуктом и воплощением сложной химии, не особенно задумываясь, что не-квантовые правила (законы классической физики) не в состоянии ничего из этого обеспечить! Парадоксальным образом привычные свойства окружающего мира основаны на чуждых ему квантовых явлениях.

Чуждых – потому что лежащие в основании мира квантовые объекты не являются «горошинами, только очень маленькими», и на пути от нас к ним происходит качественный переход, фундаментальным образом меняющий правила игры и вообще понятия:

На очень малом масштабе вещи ведут себя иначе – не похоже ни на что из вашего непосредственного опыта. Они не ведут себя как волны, они не ведут себя как частицы; они не ведут себя ни как облака, ни как бильярдные шары, ни как грузики на пружинах – ни как что бы то ни было из того, что вам приходилось видеть.

Свою главную задачу в этой книге я вижу в том, чтобы сконцентрироваться на квантовых принципах и на логике квантовой механики, по возможности не жертвуя при этом доступностью. Принципы определяют и характер изложения.

О дисциплине, в течение почти ста лет максимально успешно описывающей мир, можно наконец перестать рассказывать извинительно-индуктивно, «выводя» ее основные положения из нескольких характерных опытных фактов, организованных в условно-историческую последовательность. Вполне возможно вместо этого начать с заявления основных ее принципов – руководствуясь идеей, что, сколь бы необычными они ни казались, ста лет их повсеместного использования достаточно для их валидации и в дополнительных «оправданиях» никакой нужды нет. В индуктивном изложении квантовой механики, кстати, скачок при переходе от ранних экспериментов к развитому формализму все равно никуда не исчезает; историческая же канва, приводимая «для поддержки», часто оказывается искаженной ретроспективным взглядом именно с высоты осознанных позднее принципов, что и историю лишает историчности, и принципы разбавляет конкретикой частных случаев.

Поэтому в этой книге нет ничего от учебника, от «краткого курса» физики. Равным образом не следует искать тут исторического изложения развития квантовой теории, хотя кое-какие отсылки к прошлому, разумеется, присутствуют, в том числе в привязке к некоторым фамилиям. (И еще я стараюсь избегать изобилия терминов, главным образом из опасения, что, один раз выпустив их на свободу, я не выдержу искушения и буду прятать за ними неполноту понимания и объяснений.) Зато в центре находятся главные положения квантовой механики и логические следствия из них, а также основные недосказанности квантовой механики. Эти последние определяются тем, что формальной (и на удивление хорошо работающей) схеме недостает привязки к физическим реалиям. Такое положение дел вызывает к жизни интерпретации – в широком смысле слова, попытки дополнить формальную схему квантовой механики более «смысловым», физическим содержанием. Развиваемые при этом рассуждения, как выясняется, доходят до вопросов о структуре реальности – приобретая тем самым даже философское измерение.

«Обычные» физические теории описывают какие-то конкретные аспекты физического мира, тогда как философские концепции оперируют более общими понятиями и в целом ведут независимое существование. Квантовая же механика уникальна сочетанием по крайней мере трех факторов: она, во-первых, дает количественное описание, во-вторых, имеет универсальную применимость и, в-третьих, затрагивает философские вопросы об устройстве реальности. Я хочу кратко прокомментировать каждое из этих положений.

Количественное описание. Квантовая теория с колоссальным отрывом лидирует среди всех областей человеческого знания по достигнутой точности совпадения теоретического результата и экспериментальных данных. Свойства электрона включают величину, которую можно (ценой значительных усилий) с высокой точностью вычислить теоретически, а кроме того (да, при большом старании), с высокой же точностью измерить в опыте. Эти две ничем не схожие стратегии действий дают фантастически близкие результаты (совпадают 12 значащих цифр):

вычислено = 1,00115965218161(24),

измерено = 1,00115965218059(13)

(в скобках указан размер неточности в двух последних знаках). Результат вычисления опирается на «всё», что есть в квантовой теории{1}, и, вне всякого сомнения, свидетельствует, что имеющаяся теория не может быть радикально неправильной, если выражаться самым сдержанным образом.

Универсальная применимость. Основные правила квантового мира представляют собой фундаментальные законы природы. С каким охватом и насколько фундаментальные? До какой степени мы в них уверены?

Ни одна физическая концепция не является «сакральным» знанием, и мы в целом готовы к тому, что при каких-то условиях концепции могут отказывать. Основополагающие принципы физики нельзя доказать в математическом смысле – они выражают собой обобщение наблюдений и не предполагают «доказательства»; опровергнуть же их, наоборот, можно даже единственным ясно выраженным контрпримером. В общем, мы пользуемся физическими теориями до тех пор, пока они соответствуют наблюдениям, а когда это перестает происходить, задумываемся о новых.

На фоне всех известных нам научных концепций квантовая механика дополнительно выделяется необычностью своего устройства. И тем не менее ни из одного угла Вселенной не поступает указаний, что базовые квантовые принципы требуют пересмотра. Вот характерное высказывание по этому поводу (заодно затрагивающее и следующую важную тему, правда, с использованием устрашающей терминологии):

Вполне возможно, что в один прекрасный день мы обнаружим расхождения квантовой теории с экспериментами. Однако данные на сегодняшний день подтверждают тот взгляд, что наша Вселенная является квантовой до самой сердцевины, и поэтому нам необходимо согласовать принцип суперпозиции, унитарность и их последствия – иллюстрируемые, например, нарушением неравенства Белла – с нашим восприятием и пониманием.

Устройство реальности: интерпретации. «Восприятие и понимание» в приведенной цитате – это о том, как, собственно, устроена квантовая реальность и наши взаимоотношения с ней, при том что мир вокруг нас совсем не выглядит квантовым. Выяснить это непросто: квантовая реальность прячется за сложением эффектов, происходящих от огромного числа объектов, а непосредственно «подглядеть» за ними поодиночке очень непросто уже по той причине, что квантовые объекты вообще никак не выглядят. Достигнутые успехи в понимании квантовой природы потребовали мышления с опорой не на наглядность, а на логику, вовлекающую математические абстракции. Но при этом в известной мере стирается грань между самими объектами и языком, на котором мы их обсуждаем. Не так просто разграничить три типа «вещей»: квантовую теорию как формально-математическую схему (необычайно успешную, как уже было сказано), квантовый мир «сам по себе» (ускользающий от прямого рассмотрения) и результаты измерений, которые мы получаем, изучая квантовые системы.

Недоговоренности по поводу того, «что есть что» в мире и в наших представлениях о нем, ничуть не мешают успехам квантовой механики, но только усиливают желание предложить интерпретации – основанные на некоторых дополнительных предположениях пояснения о том, «что все-таки происходит», что именно описывает квантовая теория и как оно связано с наблюдаемой структурой мира. В подавляющем большинстве традиционных руководств по квантовой механике вопросы различных интерпретаций практически не обсуждаются как слишком философские, да и не нужные для вычислений, но здесь им будет уделено должное внимание. Интерес к ним, надо сказать, составляет тенденцию последнего времени, отмеченную среди прочего недавней Нобелевской премией по физике и подпитываемую перспективой квантовых вычислений и расширяющимися экспериментальными возможностями.

Что же в книге? Разбиение на главы отражает содержательную часть, а не исторические вехи, как уже было сказано. Вот подсказки для нетерпеливых. Самые «веселые» (в значении, близком к «беззаботные») главы – 11 и 12; самые «практичные» (при общем отсутствии акцента на практических аспектах) – 17 и 18; самые сложные – 24 и 25; самая загадочная – 21; основные в отношении базисного содержания квантовой механики – 8, 9 и 10; самые «исторические» (при общем отсутствии акцента на исторических аспектах) – 6, 14 и 23. Про не упомянутые здесь главы нельзя сказать, что у них нет никаких качеств, просто не видно какого-то одного заведомо доминирующего. Для тех, кто не собирается читать по порядку, но сначала все же наткнулся на этот абзац, вот кратчайшее описание содержания.

Вслед за вводной главой 1 главные качественные особенности квантового мира обсуждаются в главах 2–5. Основные мотивы здесь – возникновение дискретности (глава 2), несовместимость различных свойств друг с другом (которую я называю враждой, чтобы избежать технически очень нагруженного высказывания; главы 3 и 4) и индетерминизм (глава 5). Промежуточный итог в некотором роде подводится в главе 6, отчасти с критических позиций, которые в свое время отстаивал Эйнштейн. Он руководствовался определенными представлениями об устройстве реальности, и в книге эти вопросы также появляются в этой главе. До некоторой степени техническое, но совершенно необходимое для всего дальнейшего «отступление» в главе 7 посвящено спину.

В главах 8 и 9 появляется основное средство для описания состояний квантовых систем – фундаментальное эволюционное уравнение, к которому «сама тянется рука» каждого профессионала перед лицом едва ли не любой квантовой задачи. Вооружившись этим знанием, в главе 10 мы на новом уровне возвращаемся к индетерминизму, а конкретно к вероятностям.

С этого момента становятся видны основные «недоговоренности» квантовой механики. Они представляют собой определенный вызов, и значительная часть книги (главы 11, 12, 13, 19, 20) посвящена вариантам ответа на него – интерпретациям квантовой механики. Они кажутся мне интересными не только каждая сама по себе, но еще и тем, насколько они непохожи. Мы пока не в состоянии эмпирически обосновать выбор между ними, но прогресс в технологиях уже позволил получить от природы ответ на конкретный вопрос о том, как в квантовой реальности (не) могут присутствовать скрытые параметры – «еще более глубокий» слой реальности. Эта история, начало которой восходит к сомнениям Эйнштейна, а кульминация на данный момент отмечена Нобелевской премией 2022 года, излагается в главах 14, 15, 16. Здесь не обошлось без некоторой исторической канвы, а на первом плане оказалась квантовая запутанность.

Возможности квантовой механики в действии иллюстрируются на примере квантовой телепортации (глава 17) и квантовых вычислений (глава 18). Комбинация нескольких концепций в главе 21 позволяет заострить и уточнить вопросы об устройстве квантовой реальности. Столь важная для нас метаморфоза – «превращение» квантового мира внутри вещей в окружающий нас классический мир – обсуждается в главе 22.

Завершающие главы 23, 24, 25 – это переход от квантовой механики к релятивистской квантовой теории поля, начинающийся с бессмертной саги с Дираком в главной роли. Впрочем, кульминационную в этом сюжете главу 24 придется, возможно, пропустить из-за заметного превышения допустимого уровня абстракции (я надеюсь, что читатель великодушно простит мне «выпадение» около 4 % общего объема книги). Для «валидации» всей конструкции квантовых полей в глазах тех читателей, у кого она вызвала легкую оторопь, в главе 25 появляется Стандартная модель. Путеводитель по этой фундаментальной теории там искать не следует, но мне кажется важным в завершение книги добраться до самой квантовой «сердцевины».

В конце для справки приведены кратчайшие биографические сведения о почти всех упоминаемых в книге людях.

Если в этой книге есть сквозная тема, то это запутанность. Это существенно квантовое явление когда-то воспринималось как экзотика, но сейчас играет все более определяющую роль в нашем понимании того, как функционирует квантовый мир, одновременно находя применение в такой практической области, как тайнопись. Запутанность не сконцентрирована в какой-то одной главе, поэтому может оказаться полезным отдельный краткий путеводитель по тем местам, где она встречается.

Впервые запутанность упоминается в главе 6. Вообще-то она представляет собой свойство волновой функции, с которой мы знакомимся только в главе 8, и там, с учетом приобретенного знания, она обсуждается с использованием метафоры «квантового казино» (которая по существу является слегка замаскированной формой абстрактного математического определения). Запутанность, которая в согласии с фундаментальными правилами должна бы наблюдаться, но не наблюдается («практические» кошки не запутываются по Шрёдингеру), – предмет беспокойства и обсуждения начиная с главы 10. Разрешение противоречия, обсуждаемое в главе 11, основано на идее, что запутанности в мире не меньше, а больше, чем представляется: запутываются в том числе хозяева и хозяйки кошек, из-за чего их «копии» расходятся по различным вселенным. В главах 15 и 16 запутанность возникает во всей полноте как средство задавать природе тонкие вопросы о том, когда и как квантовые объекты приобретают свои свойства. В главе 17 запутанность – главная идея, потому что на ней и основана квантовая телепортация. В полной мере работает запутанность и в главе 18, где без нее от квантовых вычислений не осталось бы практически ничего. В главе 20 именно запутанность приводит к немедленному распространению локализации с одного электрона «на всю кошку». В главе 21 она играет не последнюю роль в знаменитом конфликте восприятий, намекающем на «конфликтную» структуру квантовой реальности, а в главе 22 она же делает все возможное, чтобы конфликты замаскировать и создать у всех нас иллюзию гладкой классической реальности.

Для некоторых читателей может оказаться полезным и еще один взгляд на часть содержания: с точки зрения уже упомянутых интерпретаций квантовой механики. Вообще их известно немало, поэтому неизбежен отбор. Вот что получилось:

(0) «Копенгагенское» (лучше: стандартное) понимание растворено в начальных главах и «дооформляется» в главе 10. (1) Из твердого следования логике уравнения Шрёдингера и полного доверия волновой функции как адекватному отображению мира вырастает многомировая интерпретация, обсуждаемая в главе 11. (2) В резком контрасте с ней – героический кьюбизм из главы 12, где волновая функция, а заодно и многое другое, оказывается всего лишь содержимым вашей головы. (3) Классике жанра – квантовой механике де Бройля – Бома – посвящена глава 13; уроки в отношении скрытых параметров и нелокальности (извлеченные не сразу, но послужившие триггером для важного дальнейшего развития) обсуждаются в главе 14. (4) Последовательные/основательные истории в главе 19 – это «копенгаген с человеческим лицом» в виде набора правил для любого рассказчика историй «из жизни квантовых объектов»; соблюдение их избавляет от противоречий внутри сюжета, но сюжетов получается столько же, сколько рассказчиков. (5) А в главе 20 постулируется механизм, который, возможно, недопридуман в «копенгагене», – самопроизвольная локализация волновой функции как физический процесс; это, строго говоря, уже не совсем интерпретация квантовой механики, а, скорее, ее развитие в другую теорию. Объять необъятное невозможно: здесь совсем не обсуждаются относительные состояния и модальные интерпретации и лишь едва упомянут супердетерминизм.

Любая форма – это ограничение. Во-первых, объем книги решительно не позволил затронуть даже теоретические аспекты квантовых явлений в веществе и квантовой оптики, не говоря уже о захватывающих экспериментальных подробностях. Эти обширнейшие области, развивающиеся самым активным образом и, собственно, производящие те самые «чудеса без нарушения законов природы», представляют собой все выразительнее звучащую симфонию квантовой теории; на них приходится львиная доля всех ее приложений. Сюда относится, строго говоря, вся электроника, а также фотоника, практическая квантовая криптография и многое другое. Одни только названия разнообразных эффектов звучат сверхзавлекательно (например, «кристаллы времени», «квантовое обращение времени», «топологические изоляторы», «квантовый эффект Зенона», «квантовые радары»). Каждый из них заслуживает отдельного эссе, а поскольку время от времени появляются не менее завлекательные новые эффекты, эта книга никогда не была бы закончена; да и вообще это темы для другой, куда менее «философской» книги. Я рассчитываю, однако, что их растущая актуальность разбудит и более «философский» интерес к тому, что лежит в основе как всех практических приложений квантовой теории, так и определяемых ею фундаментальных аспектов мироустройства.

Во-вторых, я полностью отдаю себе отчет, что и по поводу любого из затронутых в книге вопросов можно высказаться точнее и глубже, да и вообще сказать больше, в том числе добавив (иногда и правда занятные) исторические подробности. Если читатель захочет обратиться к другим источникам, чтобы в этом убедиться, моя задача будет выполнена.

Еще, пожалуй, стоит с достаточной определенностью высказаться по поводу недосказанностей квантовой механики, которые я здесь подробно обсуждаю. Самое несуразное, что можно заключить из их наличия, – это что существующая квантовая теория представляет собой конгломерат произвольных заявлений, каждое из которых можно по желанию заменить на какое-то другое. Ничего подобного. Математическая схема квантовой механики последовательна и лишена внутренних противоречий; она позволяет получать численные предсказания, которые подтверждаются опытными фактами. Необходимости в каких бы то ни было изменениях фундаментальных квантовых идей замечено не было, никаких указаний на это ниоткуда не поступает. Возможности их дополнения, как и их интерпретации в привычных нам терминах, обсуждаются, однако и они, при всем имеющемся разнообразии, далеки от «произвольных», и несколько конкурирующих идей сосуществуют тут до тех пор, пока это, опять же, позволяют логическая последовательность и согласие с опытом{2}.

Попутно я бы предостерег от поверхностных аналогий и параллелей между квантовой механикой и далекими от нее областями. Прекрасно, если методы квантовой механики применимы где-то еще. Квантовая механика, однако, – это вполне конкретная схема, работающая по ясным правилам, и аналогия между каким-то ее аспектом и явлением из другой сферы не означает, что эта последняя имеет в каком бы то ни было смысле квантовую природу. Да, настойчивый вопрос «Как ты ко мне относишься?» влияет на человеческие отношения вопрошающей и ответствующей сторон, и это обстоятельство может даже служить метафорой того факта из квантовой теории, что любое наблюдение представляет собой воздействие, – но не более чем метафорой. Кстати, в книге о квантовой механике без формул какие-то сравнения и метафоры неизбежны, и я прошу читателя не забывать, что любая метафора – не модель явления. Она в лучшем случае передает какую-то часть картины, а потому даже в качестве иллюстрации имеет ограниченное применение. После всех этих предупреждений можно наконец двинуться вперед!

Благодарности. Я благодарен многим, кто (в силу самых разнообразных причин и поводов) разными способами, в основном задавая вопросы или заставляя меня отвечать на незаданные вопросы, побуждал меня думать о том, что в итоге оказалось написанным, или/и о том, что я вычеркнул в последний момент. Среди прочих это Екатерина Абросимова, Михаил Аркадьев, Максим Гревцев, Александр Жаданов, Григорий Ковбасюк, Валентина Овчинникова, Алексей Сивухин, Руслан Смелянский, Янина Хужина, Алексей Шилов. Я также благодарю всех своих слушателей в разных аудиториях за внимание и вопросы, как и всех тех, кто при незапланированных встречах высказывал мне поддержку. В процессе написания мне сильно помогли критические отзывы об отдельных главах, которые я получал от Ирины Гарт, Андрея Когуня, Валентины Овчинниковой, Марии Попцовой, Ксении Семихатовой, Николая Семихатова, Аркадия Цейтлина, Олега Шейнкмана.

Лучшая шутка из всех, что я слышал за последние полгода (уж во всяком случае среди шуток в мой адрес), принадлежит Андрею Когуню: что я являюсь автором локализации терминов Alice и Bob. Эта история тянется с моей предыдущей книги[2], но «Аня» и «Яша» фигурируют и здесь тоже; пожалуй, я в немалой степени сроднился с ними, и мне приятно, что наше сотрудничество продолжается. И не только с ними. Неисчерпаемый потенциал помощи со стороны этих двух ассистентов в проведении мысленных экспериментов далеко превзойден тем вкладом, который внес в эту книгу ее редактор Петр Фаворов. Сделанные им многочисленные разноуровневые улучшения касаются и способа выражения, и смыслов, и все вместе с необычайной точностью способствуют поддержанию того духа книги, который я с самого начала хотел воплотить, но сталкивался с нехваткой выразительных средств. Неблагодарный труд научного редактирования взял на себя Алексей Цвелик; я обязан ему рядом поправок и несколькими очень точными дополнениями, сделанными согласно его предложениям там, где мое знание как раз заканчивалось; моей возросшей верой в себя благодаря его отклику на мои усилия и одновременно осознанием скромности этих усилий перед лицом неисчерпаемости такой темы, как понимание квантовой механики. Я благодарю Павла Подкосова и издательство «Альпина нон-фикшн» за смелое решение издать вторую мою книгу в течение двух лет – и до сих не знаю, подстроило ли издательство мою случайную встречу с Нюсей Красовицкой в дождливый осенний день на одном из мероприятий, куда я пришел по их просьбе. Эта встреча экспоненциально быстро превратилась в ее чудесное решение взяться за иллюстрации к этой книге, невзирая на мои уверения, что сам предмет начисто лишен наглядного представления. Последовавшие затем отчаянные обсуждения несуществующих образов должны были причинять ей нескончаемые мучения, а меня заставляли высказываться более емко и определенно, что в итоге нашло свое отражение и в тексте; поэтому получилось так, что иллюстрации в этой книге – больше, чем просто визуальные метафоры. Вот и первая – приглашающая читателя к необычному.