Гельголанд. Красивая и странная квантовая физика

Есть еще один способ избежать бесконечного размножения миров и наших собственных копий. Такую возможность дает группа так называемых теорий «со скрытыми переменными». Идею лучшей из них подсказал де Бройль, выдвинувший концепцию волн вещества, а сама теория была разработана Дэвидом Бомом.

Дэвид Бом был американским ученым, у которого была трудная жизнь оттого, что он был коммунистом с не подходящей для этого стороны железного занавеса. В эпоху маккартизма он был под следствием, а в 1949 году – арестован и пробыл небольшое время в заключении, после чего был освобожден, но его все равно уволили из Принстонского университета. Бом был вынужден эмигрировать в Южную Америку, где американское посольство изъяло у него паспорт из опасений, что он отправится в Советский Союз…

Теория Бома проста: волновая функция ψ электрона – это реальная сущность, как и в случае многомировой интерпретации, но помимо волновой функции существует также и собственно электрон – реальная материальная частица, у которой в любой момент есть определенное положение. Таким образом, разрешается проблема связи теории с наблюдаемыми явлениями. Речь идет о единственном и однозначном положении, как в классической механике, и никакой «квантовой суперпозиции». Волновая функция ψ изменяется в соответствии с уравнением Шредингера, в то время как реальный электрон движется в физическом пространстве, направляемый волновой функцией ψ. Бом исследовал уравнение, описывающее, каким образом волновая функция ψ может реально «направлять» электрон⁴⁵.

Идея блестящая: интерференционные явления определяются волновой функцией ψ, которая направляет объекты, но сами объекты при этом не находятся в состоянии квантовой суперпозиции. Они в любой момент находятся в определенном точно заданном положении. Кот или бодрствует, или спит. Но его волновая функция ψ состоит из обеих составляющих: одной, соответствующей реальному коту, – и второй, представляющей собой «пустую» волну без реального кота, но эта пустая волна может порождать интерференцию с реальным котом.

Вот почему мы видим кота или бодрствующим, или спящим, и при этом все же наблюдаются интерференционные эффекты: кот, конечно же, находится в одном-единственном состоянии, но при этом во втором состоянии находится часть его волновой функции, которая и порождает интерференцию.

Это объясняет описанный выше опыт Цейлингера. Почему, когда я перекрываю один из путей для фотона, это влияет на прохождение фотоном другого пути? Ответ: фотон проходит по одному-единственному пути, а вот его волновая функция – по обоим. Моя рука изменяет волновую функцию, которая, в свою очередь, направляет фотон иначе, чем в отсутствие перекрывающей один из путей руки. Таким образом, моя рука влияет на будущее поведение фотона, даже если этот фотон проходит далеко от руки. Прекрасное объяснение.

Интерпретация со скрытыми переменными возвращает квантовую физику в лоно классической: все детерминировано и предсказуемо. Если нам известны положение электрона и значение волновой функции, то можем предсказать все.

Но все не так просто. Фактически мы никогда не знаем состояния волновой функции, потому что никогда не видим ее, а только лишь сам электрон⁴⁶. Следовательно, поведение электрона определяется переменными, которые остаются «скрытыми» от нас (волновая функция). Переменные скрыты в принципе – мы вообще никак не можем их определить, и поэтому эта теория называется интерпретацией со скрытыми переменными⁴⁷.

Но если принять эту теорию, то придется признать существование целой недоступной для нас физической реальности, которая при ближайшем рассмотрении нужна лишь, чтобы мы не волновались по поводу того, о чем теория не говорит. А стоит ли предполагать существование ненаблюдаемого и никак не влияющего на нас мира, не предусмотренного квантовой механикой, исключительно лишь чтобы уберечь нас от страха неопределенности?

У этой интерпретации есть и другие трудности. Теория Бома нравится многим философам потому, что она дает концептуально ясную картину. Но она не нравится физикам, потому что любые попытки ее применения к более сложным задачам, чем случай одной-единственной частицы, приводят к нагромождению проблем. Например, волновая функция ψ множества частиц не является множеством волновых функций отдельных частиц – эта волна распространяется не в физическом, а в абстрактном математическом пространстве⁴⁸. Исчезает интуитивно понятное и ясное представление о реальности, которое теория Бома предлагает в случае одной частицы.