Гельголанд. Красивая и странная квантовая физика

Помните цейлингеровские фотоны, с которых я начал описание квантовых явлений? Они могли проходить «справа или слева» и в конце концов оказываться «вверху или внизу». Это значит, что их поведение можно описать двумя переменными: переменной X, которая может принимать значения «справа» или «слева», и переменной P, которая может принимать значения «вверху» или «внизу». Эти две переменные как положение и скорость частицы – их невозможно определить одновременно. Поэтому если закрыть одну из щелей, соответствующую первой переменной («справа» или «слева»), то вторая переменная оказывается неопределенной – фотоны оказываются случайным образом «вверху» или «внизу». И наоборот, если определенной является вторая переменная, то есть, например, все фотоны оказываются «внизу», то необходимо, чтобы первая переменная была неопределенной, то есть чтобы фотоны могли проходить через любую из двух щелей. Итак, все описываемое явление оказывается следствием одного-единственного уравнения, гласящего, что эти две переменные «некоммутативны» и, следовательно, их невозможно определить обе одновременно.

* * *

Последние соображения скорее технические, и, наверно, стоило поместить их в примечания… Но мы приближаемся к концу второй части книги, и я хотел придать завершенный вид описанию квантовой теории, включая обобщающие ее постулаты об информации и основу ее математической структуры, определяемой одним-единственным уравнением.

Эта структура говорит нам в чрезвычайно краткой форме, что мир не непрерывен, а «зернист» и что существует конечный нижний предел в определении его строения. Переход к малому невозможен до бесконечности. Эта структура говорит нам, что будущее не определяется настоящим, что физические объекты обладают свойствами только по отношению к другим физическим объектам и что эти свойства существуют только при взаимодействии объектов. Результат сопоставления различных «ракурсов» того или иного объекта неизбежно выглядит противоречивым.

Мы не замечаем всего этого в повседневной жизни. Мир кажется детерминированным потому, что явления квантовой интерференции тонут на фоне шума макроскопического мира. Обнаружить их удается только с помощью тонких наблюдений с максимально изолированными объектами⁷⁷.

Когда мы не наблюдаем интерференцию, то можем игнорировать квантовую суперпозицию и толковать ее как наше незнание: пока не откроем сейф, то не знаем, бодрствует кот или спит. Значит, если не видим интерференцию, то можно не думать о том, имеет ли место квантовая суперпозиция. Поскольку в этом месте многие часто путаются, я напоминаю вам, что «квантовая суперпозиция» означает только лишь, что мы наблюдаем интерференцию. В данном случае мы не видим тонкие интерференционные эффекты потому, что они теряются на фоне мирового шума. На самом деле квантовые явления у очень хорошо изолированных объектов проявляются сильнее, чем у малых объектов, что позволяет выделять и обнаруживать тонкие проявления эффектов квантовой интерференции.

Обычно мы наблюдаем мир на больших масштабах и поэтому не видим его «зернистости». Видим усредненные значения огромного числа маломасштабных переменных. Мы видим не отдельные молекулы, а целого кота. При огромном количестве переменных флуктуации становятся несущественными и вероятность приближается к достоверности⁷⁸. Миллиарды прерывистых точечных» переменных трепетного и флуктуирующего квантового мира сводятся к небольшому числу непрерывных и хорошо определенных переменных, знакомых нам по опыту повседневной жизни. На наших масштабах мир напоминает бурный океан, если наблюдать его с Луны – видна лишь ровная неподвижная поверхность шара.

Так что наш повседневный опыт вполне совместим с квантовым миром: квантовая механика включает в себя классическую и наше привычное представление о мире – в качестве приближения. Это как человек с хорошим зрением способен понять восприятие близорукого человека, который не видит кипения воды в стоящей на огне кастрюле. Но на молекулярных масштабах резкое острие стального ножа настолько же зыбкое и нечеткое, как неровная кромка бурного океана, обрушивающегося на белый песчаный берег.

Цельность классического видения мира – это лишь следствие нашей близорукости. «Определенность» классической физики – это всего лишь вероятность. Четкий и ясный мир старой физики – всего лишь иллюзия.

18 апреля 1947 года на Священном острове – острове Гельголанд – британские военные произвели взрыв шести тысяч семисот тонн динамита – взрывчатки, оставленной немецкой армией. Это, вероятно, был самый мощный взрыв неядерных боеприпасов в истории[7]. Гельголанд был полностью разрушен. Словно человечество хотело закрыть портал в реальность, открытый юношей на этом острове.