Основы реальности. 10 фундаментальных принципов устройства Вселенной - [58]

Исходя из этого опыта, Бор развил принцип дополнительности в мощный метод, позволяющий проникнуть в суть вещей. Из точных наук этот мудрый метод перекочевал и в философию.

ПРИНЦИП КОМПЛЕМЕНТАРНОСТИ В КВАНТОВОЙ МЕХАНИКЕ

В квантовой механике ключевой способ описания объекта, будь то электрон или слон, — его волновая функция. Волновая функция объекта — своего рода заготовка, которую мы можем превратить в прогнозы относительно его поведения. Мы можем совершать с волновой функцией разные манипуляции, получая ответы на разные вопросы. Если мы хотим предсказать, где будет находиться объект, мы должны обработать его волновую функцию одним способом, а если интересуемся скоростью — то другим.

Если не вдаваться в детали, эти два способа исследования волновой функции похожи на два способа анализа музыкального произведения: гармонический и мелодический. Гармонический анализ локален, только, в отличие от частицы, здесь отслеживается не точка в пространстве, а момент времени. Мелодический анализ исследует более общие свойства. Гармония — аналог местоположения, а мелодия — скорости.

Мы не можем провести эти два вида анализа одновременно. Они мешают друг другу. Если вы хотите узнать о местоположении, придется обработать информацию о волновой функции таким образом, что будут уничтожены данные о скорости, и наоборот.

Хотя точные детали сложны, я все же подчеркну: все сказанное основывается на прочном математическом фундаменте. В современной квантовой теории дополнительность — факт, а не голословное утверждение.

До сих пор я обсуждал принцип квантовой дополнительности, используя такие понятия, как волновые функции и обработка информации. Но мы можем рассмотреть ситуацию более конкретно, с другой — экспериментальной — точки зрения. Вместо того чтобы спросить, как исследовать волновую функцию частицы и сделать прогнозы о ее поведении, мы спросим, как нам взаимодействовать с частицей, чтобы измерить ее свойства.

В рамках математического аппарата квантовой механики комплементарность положения частицы и ее скорости формулируется как теорема. Но так можно описать природу, а не раскрыть истину. В действительности многие основатели квантовой теории, включая Эйнштейна, скептически относились к ее сложившейся математической форме. Из невозможности квантовой теории одновременно предсказать положение и скорость должна следовать наша неспособность одновременно измерять эти свойства в эксперименте. Иначе нам потребовался бы новый математический аппарат, пригодный для описания таких измерений.

Вскоре после того, как молодой Вернер Гейзенберг заложил основы современной квантовой теории, он осознал ее поразительный математический результат: положение и скорость не измерить одновременно. Он сформулировал этот вывод как «принцип неопределенности». И ключевой вопрос, который он ставит, таков: правильно ли описываются конкретные факты, то есть события, которые мы наблюдаем в физическом мире? Гейзенберг, а затем Эйнштейн и Бор — все они ломали голову над ответом.

На уровне физического поведения комплементарность отражает два ключевых момента. Первый заключается в том, что для измерения свойств чего-либо вы должны с этим чем-либо взаимодействовать. Другими словами, наши измерения не фиксируют реальность, а только «берут с нее пробу». Вот как это изложил Бор:

В квантовой теории <…> логическое осмысление ранее неизвестных фундаментальных закономерностей <…> потребовало осознания того, что невозможно провести четкое разделение между независимым поведением объектов и их взаимодействием с измерительными приборами.

Второй ключевой момент, усиливающий первый, таков: точные измерения требуют сильного взаимодействия с измерительными приборами.

Помня об этом, Гейзенберг рассмотрел множество способов измерить положение и скорость элементарных частиц и обнаружил, что все они согласуются с его принципом неопределенности. Этот анализ укрепил уверенность в том, что странный математический аппарат квантовой теории — отражение странных явлений в физическом мире.

Факт, что наблюдение — активный и «агрессивный» процесс — стал отправной точкой анализа Гейзенберга. Без него мы не можем использовать математический аппарат квантовой теории для описания физической реальности. Однако это разрушает модель мира, которую мы выстраиваем в детстве. Согласно ей, существует точная граница между нами самими и внешним миром, обладающим свойствами, которые мы открываем путем наблюдений. Осмыслив открытия Гейзенберга и Бора, мы понимаем: это не так. Наблюдая за миром, мы участвуем в его построении.

Гейзенберг работал над принципом неопределенности в Институте Нильса Бора в Копенгагене. У этих двух создателей квантовой теории были горячие дискуссии, и между ними возникли своего рода отношения наставничества. Ранние идеи Бора о дополнительности возникли как интерпретация работ Гейзенберга.

Эйнштейн не разделял мнения Бора и Гейзенберга. Ему не нравилась идея комплементарности — сама мысль, что могут быть правильные, но несовместимые точки зрения. Он надеялся, что возникнет более полное понимание, которое объединит их, — например, что найдется способ измерить одновременно и положение, и скорость (или импульс