Возможно, принцип неопределенности представляет собой нечто большее, чем просто выражение того, чего мы не можем знать. Он выражает скорее пределы определения некоей концепции. В этом смысле он согласуется с описанием электрона при помощи волновой функции, которое вообще не предполагает, что электрон имеет какое-либо точное положение в пространстве до наблюдения. Сам Гейзенберг сформулировал следующую точку зрения на головоломку о том, что представляет собой реальность:
Я считаю, что возникновение классической «траектории» можно четко определить следующим образом: «траектория» возникает только благодаря тому, что мы ее наблюдаем[63].
Что на самом деле говорит нам принцип неопределенности Гейзенберга – серьезный вопрос. Означает ли он, что мы никаким образом не можем узнать точное положение и импульс электрона в один и тот же момент? Или же что они вообще не существуют? Дело не в том, что мы не можем их узнать, а в том, что эти параметры вообще не имеет смысла определять для электрона. Наблюдение есть творение.
Некоторое время я никак не мог поверить, что такие фундаментальные свойства, как положение и импульс, возникают, только когда их измеряют. Импульс электрона может измениться после его вылета из узкой щели, но должен же он иметь какое-то точное значение даже до того, как мы его измерим? Я могу согласиться с тем, что мы не знаем этого значения, пока не определим этот импульс при помощи измерительных приборов, но такого, что остается неизвестным, пока не будет измерено, вообще на свете немало. Однако квантовая физика уверяет нас, что такая вера в существование точного значения до измерения ошибочна. Свойства частицы создаются именно нашим взаимодействием с системой. Возможно ли, чтобы наш акт измерения создавал реальность этой частицы?
Я не одинок в своих сомнениях. Например, Эйнштейн был одним из тех, кто пытался оспорить идею о том, что параметры, подобные положению и импульсу, остаются неопределенными до тех пор, пока они не будут наблюдаться. Конечно, говорил он, когда частица летит в вакууме, такие свойства на самом деле должны иметь явные значения. Мы можем не знать, чему они равны, или располагать приборами или математическими методами для их определения, но они в любом случае существуют, они в любом случае осмысленны. Не следует смешивать эпистемологию с онтологией. Даже если мы не можем одновременно знать положение и импульс (эпистемология), это не значит, что они не существуют (онтология).
Однако мне пришлось расстаться с такой интуитивной верой в существование объектов до измерения, когда я прочитал о замечательной теореме Белла, которую открыл в 1964 г. североирландский физик Джон Белл. Его теорема объяснила, почему некоторые свойства частицы не могут существовать до того, как они будут измерены. Если попытаться заставить их существовать до измерения, приходишь к противоречию. Как показал Белл, поскольку система не знает заранее, какие именно измерения мы решим произвести, то присвоить свойствам значения, которые учли бы все возможные измерения, невозможно без получения результатов, противоречащих известным нам теоретическим и экспериментальным данным. Это все равно что решать головоломку судоку, которая содержит ошибку. Как ни старайся вписать во все клетки правильные значения, все равно получается столбец или строка, содержащие два одинаковых числа.
Поскольку с математической точки зрения теорема Белла совершенно неопровержима, мне пришлось согласиться с тем, что измерение, по-видимому, действительно создает свойства частицы. Но у меня все еще остаются сильные сомнения в том, что результат акта измерения столь случаен, как уверяет нас современная теория.
Скрытая машина
Теорема Белла означает, что следует смириться с неизбежным и признать, что квантовая игральная кость не брошена, пока на нее никто не смотрит. Только измерение останавливает качение кости и заставляет ее решить, какой стороной она выпала. Но так ли случаен результат, как предполагает квантовая физика? Я знаю, что поведение моей игральной кости из казино на самом деле не вполне случайно. То, какой стороной падает кость, в конечном счете определяет некий физический механизм. Я подозреваю, что дело может обстоять таким же образом и с излучением моей банки урана.
Признаюсь, что у меня есть тайное подозрение, что квантовая физика – лишь временный мостик на пути к более полному пониманию поведения фундаментальных частиц. Наверняка, как и в случае игральной кости, должен существовать какой-то механизм, решающий, когда кусок радиоактивного урана испустит очередную альфа-частицу или в какой участок детектора попадет электрон, пролетевший через двойную щель.
Эйнштейн явно придерживался того же мнения, что и выражает его знаменитое высказывание:
Квантовая механика, несомненно, впечатляет. Но внутренний голос говорит мне, что это еще не окончательная истина. Эта теория дает нам многое, но почти ни на шаг не приближает нас к тайне Всевышнего. Во всяком случае, я убежден, что в кости Он не играет[64].
Он считал, что за этой завесой, которая кажется нам непроницаемой, должна скрываться какая-то объективная реальность. Он верил, что должны существовать еще меньшие шестеренки, определяющие результаты измерений, даже если мы и не в состоянии до них добраться.
Повторюсь, что в этом отношении я согласен с Эйнштейном. Я уверен, что существует какой-то внутренний механизм – даже если он пока что нам и неизвестен, – который определяет результат, взаимодействуя с измерительным прибором. Я готов признать, что такой механизм может производить результаты, соответствующие модели случайности, так же как моя игральная кость. Но что-то, определяющее эти результаты, должно существовать. Может быть, в частицах находящегося в моей банке урана установлены микроскопические часы: если в момент измерения секундная стрелка находится между 0 и 30, то уран испускает излучение; если стрелка находится между 30 и 60, то излучение не регистрируется.
Если такие внутренние часы существуют, то, как мы увидим далее, они должны представлять собой в высшей степени замечательный механизм, причем противоречащий другому аспекту здравого смысла. Мне кажется, что такой механизм должен располагаться вблизи банки с ураном. Он может быть внутри частиц, содержащихся в уране, и быть так мал, что мы не сможем его увидеть. Возможно, мы никогда не сумеем его исследовать. Проблема заключается в том, что сценарий, впервые придуманный Эйнштейном и его коллегами Борисом Подольским и Натаном Розеном, показал, что, если бы такой механизм существовал, его можно было бы переместить хоть на другой край Вселенной и расположить сколь угодно далеко от моего куска урана. Возможно, это и так, но представляется весьма удивительным, что если нечто подобное скрытым часам, которые принимают решение о моменте испускания ураном альфа-частицы, существует, то оно представляет собой механизм, охватывающий всю Вселенную.
Сценарий, который предложили Эйнштейн, Подольский и Розен, использует идею так называемой «квантовой зацепленности»[65]. Можно создать две частицы, свойства которых коррелируют в том смысле, что измерение свойств одной из частиц заставляет вторую соответствовать этим результатам. В качестве аналога можно представить себе ситуацию с двумя игральными костями, устроенными так, что, когда на одной из них выпадает шестерка, вторая должна упасть таким же образом. Изготовить пару таких взаимно зацепленных кубиков было бы довольно трудно – именно потому, что механизм, определяющий, как выпадет кость, управляется ее взаимодействием с локальными условиями и кажется невозможным понять, как он может управлять поведением второй кости. Однако в квантовой физике создание таких зацепленных и взаимозависимых частиц вполне возможно, но свойства скрытого механизма, определяющие поведение таких зацепленных частиц в случае измерения, чрезвычайно странны.
Чтобы продемонстрировать удивительную нелокальную природу такого механизма – если он вообще существует, – предположим, что две зацепленные квантовые кости отправлены на противоположные концы Вселенной. При измерении первой из квантовых костей она должна решить, какая грань на ней выпала, и это решение мгновенно определяет, какая грань выпала на второй кости, находящейся на другом краю Вселенной. Некоторых ученых, в том числе и Эйнштейна, сильно беспокоило такое «пугающее» дистанционное действие. Эйнштейн считал, что результат броска кости может быть каким-то образом определен заранее, до отправления частиц на противоположные концы Вселенной. Но это было до того, как Белл доказал свою теорему, которая утверждает, что установить свойства квантовой частицы до измерения невозможно. Не забываем: измерение есть творение.
Наибольшие трудности вызывает понимание того, как такое творение, произведенное на одном конце Вселенной, может мгновенно создать новое состояние второй частицы, находящееся на противоположном краю. Если тут действует какой-то внутренний механизм, определяющий результат измерения для второй частицы, то такой механизм воздействует на то, что происходит на другом краю Вселенной. Он не может быть локализован. Такой механизм просто не может быть вставлен внутрь частицы.
Эйнштейн и раньше высказывал озабоченность «пугающим действием на расстоянии», говоря об опыте с двойной щелью. Как фотопластинка может знать, что она не должна регистрировать электрон в одной точке, если он должен быть обнаружен в другой? Как кажется, происходит мгновенное редуцирование волновой функции, причем какой-либо каскадный эффект из точки наблюдения по остальной поверхности пластины отсутствует.
В нашем новом случае имеются две частицы, но, поскольку они в каком-то смысле зацеплены друг за друга, они описываются общей волновой функцией, что делает их подобными частице, детектируемой в опыте с двойной щелью. Такие частицы следует рассматривать как единый целостный объект. Согласно теореме Белла, свойства этих частиц не могут быть установлены до их путешествия на край Вселенной, что означает, что любые механизмы, определяющие их свойства, не могут быть локализованы в частице, но должны охватывать всю Вселенную.
Следовательно, если существует некий механизм, решающий, когда именно мой кусок урана должен испускать излучение (как мечтается моей детерминистической душе), такой механизм должен охватывать всю Вселенную. Он не может сводиться к некоей машине, заключенной внутри куска урана, лежащего на моем столе, потому что такая машина должна быть способна управлять состоянием частиц, находящихся на другом конце Вселенной, если они зацеплены с этим куском урана.
Эти результаты часто демонстрируют для опровержения любых попыток утверждать, что такой механизм, определяющий время испускания ураном альфа-частиц, может существовать. Но на самом деле в них следует видеть лишь условия, которым должна удовлетворять такая скрытая машина. Скрытый механизм может существовать – он просто должен быть очень странным. Как сказал Белл, доказавший, что такие скрытые машины должны охватывать всю Вселенную, «доказательство невозможности доказывает только недостаток воображения».
Однако многие не разделяют мое стремление исключить возможность случайности поведения урана. Это может быть связано с тем, что такая случайность образует в научной картине мира зазор, через который в нее может быть введен фактор, милый сердцу многих, – свобода воли.
Некоторые комментаторы утверждали, что если в квантовой физике действует истинная случайность и современное положение вещей не определяется прошлыми событиями, то это свидетельствует о том, что во Вселенной действует свобода воли. Кажется, что квантовые частицы вольны выбирать, куда им лететь и в каком виде проявляться при измерении. Человек, принадлежащий к макромиру, возможно, и не обладает свободой воли, но такие микрочастицы, по-видимому, могут делать что хотят… в разумных пределах.
Свобода воли таких частиц может быть выражением некоей большей свободы воли. Некоторые религиозные мыслители полагают, что известное неизвестное квантовой физики говорит о возможности существования внешнего агента, действующего в нашем мире и влияющего на его развитие. На сегодняшний день мы не располагаем механизмом предсказания исхода измерения системы, находящейся в состоянии квантовой суперпозиции. Если на долговременном масштабе такие исходы соответствуют результатам, которых мы можем ожидать в наблюдаемых случайных процессах, определение отдельных исходов, по-видимому, может быть делом рук такого агента. Такую возможность создает наша нынешняя неспособность объяснить, как макроскопический мир измерений взаимодействует с квантовым миром. Так может ли неизвестное квантовой физики быть местом, в котором находится теистический Бог? Чтобы добиться хоть чего-нибудь, пытаясь понять, может ли Бог скрываться в уравнениях квантовой физики, мне нужно было найти человека, который чувствует себя одинаково уютно и в храме, и в лаборатории. Поэтому я отправился в Кембридж.
Мясник-вегетарианец
Джон Полкинхорн изучал физику под руководством Поля Дирака в Кембридже, а затем – у Ричарда Фейнмана и Мюррея Гелл-Манна в Калтехе. Лучших учителей просто не бывает. Его исследования, в частности, способствовали подтверждению существования кварков, считающихся многими последним уровнем, до которого можно дойти, углубляясь в строение нашей игральной кости.
Сейчас Полкинхорн вернулся в свою альма-матер, и мы договорились встретиться у него дома в Кембридже. Я и сам пять лет занимался исследованиями в Кембридже и всегда с удовольствием туда возвращаюсь, хотя сердце мое отдано темно-синему Оксфорду[66]. Полкинхорн, решивший пройти рукоположение в священники после четверти века работы на передовом крае квантовой физики, – идеальный собеседник для обсуждения теологии квантового непознаваемого. Такой поворот его карьеры многим кажется чересчур резким. Сам он объясняет: «Я оставил науку не потому, что разочаровался в ней, но мне казалось, что примерно за 25 лет я сделал в ней все, что мог. Моя работа была с сильным математическим уклоном, а в математике самые лучшие результаты обычно получают до 45 лет».
Брр… Терпеть не могу, когда так говорят. Я все еще пытаюсь надеяться, что «математика – для тех, кому еще не за сорок» – это миф, что математика – не какой-то там молодежный клуб. Конечно, поскольку я нахожусь по ту сторону этой границы, ничего неожиданного в этом нет. Но пока у меня остаются неразрешенные вопросы, эта надежда заставляет меня продолжать работу. А неразрешенных вопросов на моем столе еще много. Но я, несомненно, могу понять стремление заняться решением новых задач… подобных, например, моим нынешним попыткам разобраться в квантовой физике. Для Полкинхорна таким поворотом стало рукоположение в сан, и он часто шутит над кажущимся противоречием между двумя профессиями, которым он посвятил свою жизнь: «Многие считают, что быть одновременно физиком и священником – занятие странное и даже лицемерное. Это вызывает такое же насмешливое удивление, как, например, мясник, объявивший себя вегетарианцем».
Но сам он думает, что эти две роли гармонично сочетаются друг с другом: «Главная причина попросту в том, что и наука, и теология занимаются поисками истины».
Я поинтересовался, есть ли какие-то вопросы, которые, по его мнению, недоступны той или другой дисциплине.
«Существуют два типа вопросов, на которые наука не может ответить. Некоторые из них происходят из самой науки. Первый тип вопросов – это то, что мы узнали из квантовой физики, что, хотя мир упорядочен, он также обладает смутным и капризным характером, и мы не можем добраться до того ясного, лишенного сомнений постньютоновского мира, который, по-видимому, где-то существует.
Но есть и другие вопросы, которые по самой своей природе не попадают в область действия науки. Я считаю, что наука добилась замечательных успехов, и очень ее уважаю, но этих своих успехов она добилась благодаря ограничению своих притязаний. Наука, по сути дела, задает один-единственный вопрос о том, что происходит в мире: как именно работает мир? При этом она намеренно, по самой своей природе, оставляет за скобками вопросы смысла, ценности и цели».
Мне уже приходилось встречаться с этой предполагаемой разделительной линией: наука определяет «как», а религия – «почему». Мне, однако, кажется, что эта изящная формулировка отражает фундаментально порочный взгляд на науку.
Наука разбирается со множеством вопросов «почему». Почему из моей банки урана вылетают альфа-частицы? Почему траектории планет, обращающихся вокруг Солнца, лежат в одной и той же двумерной плоскости, а не под произвольными углами друг к другу? Почему пчелы строят шестиугольные соты? Почему раз в четыре года численность популяции леммингов резко падает? Почему небо синее? Почему ничто не может перемещаться быстрее скорости света?
Полкинхорн пытается объяснить мне, какие различия он видит между этими двумя подходами.
«Я очень люблю такой бытовой пример: вы заходите ко мне на кухню и видите кипящий чайник. Как ученый я могу объяснить, что чайник кипит, потому что горящий газ нагревает воду и так далее. Но я могу выйти из роли ученого и сказать, что чайник кипит, потому что мне захотелось чаю, – кстати, не хотите ли чашечку?»
Я поймал его на слове и попросил чашку чая. Пока он заваривался, Полкинхорн продолжал: «Мне не нужно выбирать между этими двумя ответами, и если я хочу полностью понять феномен кипения чайника, то я должен ответить на оба вопроса: как оно происходит и почему оно происходит».