Слово «революция» – слишком мягкое выражение для описания возникновения квантовой теории, нового взгляда на природные процессы, протекающие в мире атомов и элементарных частиц. Квантовая теория была создана в 20-е годы прошлого века группой молодых физиков, главную роль в которой играли Эрвин Шредингер, Вернер Гейзенберг, Поль Дирак, Вольфганг Паули, Нильс Бор и Макс Борн.

Эти молодые революционеры перевернули физику с ног на голову: были поставлены под вопрос причинно-следственные связи, пространственное расположение частиц и одновременность. В мире квантов все происходит не так, как в привычном для нас мире. В 1935 году Эрвин Шредингер придумал знаменитый пример с котом, который может быть одновременно живым и мертвым, для того чтобы проиллюстрировать таинственный мир квантов и показать, что в квантовой механике существует понятие суперпозиции состояний частиц. Квантовые частицы могут одновременно находиться здесь и там, точно так же как гипотетический кот может быть одновременно живым и мертвым.

Мысленный эксперимент Шредингера заключался в том, что кота помещают в закрытый ящик. В ящике находится стеклянный флакон с синильной кислотой, соединенный с механизмом, который разбивает флакон, высвобождает пары синильной кислоты и убивает кота, если расщепляется атом радиоактивного вещества, небольшое количество которого тоже находится в ящике. Идея Шредингера заключалась в том, что расщепление атома является квантовым событием, то есть подчиняющимся законам квантовой механики. Радиоактивный атом находится в смешанном состоянии, и это состояние передается коту с помощью макроскопического механизма, соединенного с флаконом цианида, пары которого действуют на кота. Так как мы не знаем, расщепился атом или нет, кот, следовательно, находится в суперпозиции двух состояний: живом и мертвом – до тех пор, пока мы не откроем ящик и не свернем волновую функцию (одна из характеристик кванта – это волна; свертывание волновой функции превращает квантовую суперпозицию в определенное конечное состояние), и кот впадет в одно из двух состояний – живое или мертвое (рис. 8).

Рис. 8. Квантовое чудо – частица может находиться в суперпозиции двух состояний, как кот Шредингера, который может быть одновременно и живым, и мертвым

Помимо суперпозиции состояний, возможной благодаря волновой природе материи на микроскопическом уровне, существует множество других явлений, заставляющих квантовые частицы вести себя очень странно. Две или более частицы могут быть настолько глубоко связаны друг с другом, что ведут себя как одна частица, даже если находятся на расстоянии полутора километров друг от друга. Эта идея принадлежит Эйнштейну, использовавшему ее для нападок на квантовую теорию, которую он не любил, хотя сам явился одним из ее создателей, когда открыл фотоэлектрический эффект, показывающий, что свет ведет себя как поток частиц. (До этого свет считали волной; сегодня мы знаем, что свет одновременно проявляет и волновые, и корпускулярные свойства.)

В 1935 году Эйнштейн и двое его коллег предложили «парадокс» квантовой механики, названный по их именам (Эйнштейн, Подольский, Розен) парадоксом ЭПР. Эйнштейн пытался использовать ЭПР-парадокс для того, чтобы дискредитировать только что созданную квантовую теорию (в этом отношении он потерпел неудачу, поскольку квантовая теория сумела доказать свою состоятельность). Парадокс заключается в том, что если принять всерьез волновое строение материи, то частицы, взаимодействующие в прошлом, останутся связанными между собой, и если волновая функция, которая ими управляет, вдруг свернется (даже если в настоящий момент частицы находятся в разных местах), то подобным образом будут вынуждены поступить и другие частицы. Много лет никто из физиков не знал, как быть с головоломкой парадокса ЭПР: если частицы и в самом деле ведут себя именно так, то этот феномен может опрокинуть все наши представления о локальности – любой находящийся здесь объект может подвергнуться влиянию события, происшедшего на большом удалении от него.

Работавший в Европейском центре по ядерным исследованиям североирландский специалист по квантовой теории Джон Белл спустя 30 лет принял всерьез парадокс Эйнштейна и в 1960-е годах опубликовал статьи, содержавшие так называемые теоремы Белла, которыми можно воспользоваться для выявления подобной взаимозависимости в реальном мире. Серия экспериментов, проведенных в Калифорнии Джоном Клаузером и в парижском Университете Орсэ Аленом Аспектом, действительно подтвердила наличие такой зависимости: частица одной локальности ведет себя согласованно с частицами, находящимися на другом конце помещения или на другом конце Вселенной. Мало того, эти изменения в состоянии частиц происходят мгновенно, то есть быстрее, чем световой сигнал смог бы доставить информацию от одной частицы к другой.

Но это не единственная странность мира квантовой механики. В этом мире невозможно отличить причину от следствия, то есть сказать, загорелся ли лес от непотушенной спички, или спичка вспыхнула в результате лесного пожара. Для того чтобы решить проблему причинно-следственных отношений в квантовой механике, ученым пришлось прибегнуть к теории вероятностей.

За странные вероятностные законы квантовой механики немедленно ухватились «научные атеисты», используя их как аргумент в своих утверждениях об отсутствии Бога. По их мнению, эти вероятностные правила и законы каким-то образом заменяют Бога. Научные атеисты считают, что поскольку у нас есть квантовые законы, нам самим еще не вполне понятные, постольку у нас нет нужды в «творце». Согласно Лоуренсу Крауссу, «все мы (в буквально смысле этого слова) возникли из квантового ничто». Но ведь сами по себе правила квантовой механики не подразумевают того, что наша Вселенная обязательно возникла из пустоты.

Помимо того что мы не вполне понимаем саму квантовую теорию, мы еще и не знаем границ ее применимости: неизвестно, где на шкале размерностей находится та точка, в которой объекты перестают вести себя по законам привычной классической механики и начинают действовать в соответствии со странными законами квантовой физики.

Хорошая научная теория позволяет делать достоверные предсказания относительно результатов будущих наблюдений. Однако законы квантовой механики настолько своеобразны, что могут предсказывать лишь вероятности возможных результатов наблюдений. Квантовая механика опирается на представление, согласно которому частица является одновременно и волной. Волновые процессы приводят к распределению вероятностей возможных исходов любого эксперимента. В соответствии со стандартной или копенгагенской интерпретацией (немецкий физик Вернер Гейзенберг, предложивший такую интерпретацию, работал в то время в Копенгагене под руководством пионера квантовой механики, датского физика Нильса Бора), мы можем предсказать лишь вероятность исхода данного эксперимента, а не его конкретный результат. Согласно Гейзенбергу и Бору, волновые свойства частицы исчезают, когда мы ее регистрируем и измеряем. В результате измерения мы получаем конкретную величину из распределения вероятностей (которая представляет собой квадрат амплитуды волновой функции в данной точке).

Есть и альтернативная, хотя и менее правдоподобная, интерпретация квантовой механики, предложенная Хью Эвереттом, – теория «множества миров». Это предположение еще более фантастическое, нежели вероятностный подход: то, что не происходит здесь и в данный момент, на самом деле происходит в другом мире. Мы проводим опыт и получаем один из множества возможных результатов, заложенных в волновой функции любой частицы. Поскольку другие исходы опыта тоже возможны, постольку, согласно теории Эверетта, они действительно происходят, но в других мирах.

Но если теория не может предсказать действительный результат, то она не дает нам совершенного знания. Таким образом, вызывает большие подозрения попытка использовать квантовую физику для опровержения существования Бога. Это сильный аргумент против позиции «новых атеистов», которые утверждают, будто квантовая механика «говорит нам», что Вселенная возникла из пустоты. К этому аргументу «новых атеистов» мы еще вернемся.

Один из самых волнующих эпизодов моей карьеры математика и ученого имел место осенью 1972 года, когда мне выпало счастье познакомиться с одним из отцов квантовой теории Гейзенбергом, который в том году посетил физический факультет Калифорнийского университета в Беркли, где я изучал физику. Гейзенберг провел с нами незабываемую беседу, описав свое открытие принципа неопределенности, управляющего поведением квантов.

Принцип неопределенности Гейзенберга утверждает, что произведение неопределенностей в моменте движения и положения частицы не может быть меньше некоторой постоянной (связанной с постоянной Планка – числом, определенным немецким физиком Максом Планком). Если мы измерим положение частицы, то тем самым нарушим ее состояние, и, следовательно, если мы после этого измерим момент ее движения, то получим значение, отличное от того, какое бы мы получили, если бы измерили сначала момент. Измерение же момента сначала нарушит его, и определенное затем положение будет отличаться от того, какое бы мы получили, если бы сначала измерили положение.

Принцип неопределенности управляет всеми событиями в квантовом мире: значения переменных точно неизвестны. В наиболее распространенной форме принцип неопределенности Гейзенберга расширяют за область нахождения момента и положения частиц и применяют к двум самым важным физическим понятиям – энергии и времени.

Принцип неопределенности утверждает, что на микроскопическом уровне атомов, молекул и более мелких частиц невозможно ничего знать с полной определенностью, любое утверждение будет иметь лишь бóльшую или меньшую вероятность в пределах статистического приближения. Если мы точно знаем значение энергии, то не можем точно знать время, связанное с этим уровнем энергии; если мы точно знаем время протекания процесса, то не можем точно знать количество выделившейся или поглощенной энергии.

Квантовая теория позволяет нам делать вероятностные или статистические предсказания, хотя та же квантовая теория дает возможность точно предсказывать значения природных констант. Вероятностные предсказания квантовой механики относительно результатов экспериментов отличаются беспрецедентной точностью. Если, например, для какого-то эксперимента квантовая теория говорит нам, что имеет место вероятность, равная 0,5 того, что спин данной частицы будет направлен «вверх», и 0,5 – что «вниз», то если в опыте мы измерим спины одного миллиона частиц, то спины практически половины из них будут направлены «вверх», а половины – «вниз».

Квантовая теория, кроме того, весьма успешно предсказывает значения энергетических уровней атома водорода (включая феномен, называемый лэмбовским сдвигом, который объясняют взаимодействием электрона с виртуальными частицами в «вакууме»).

В уравнении, выведенном Эрвином Шредингером в 1925-м и опубликованном 1 января 1926 года (известно как уравнение Шредингера), были использованы волновые свойства материи, открытые за несколько лет до этого Луи де Бройлем. Это «волновое уравнение» является дифференциальным уравнением, задающим поведение квантовых частиц, если рассматривать их как волны. Неопределенность квантового мира проявляется в этом уравнении так же, как и в работах Гейзенберга, так как волна колеблется и ее колебания можно интерпретировать (если возвести их амплитуду в квадрат) как распределение вероятностей состояния частиц, обладающих волновой функцией. То есть можно считать, что поведением малых частиц управляют законы квантовой механики.

Мы знаем, что волны обладают свойством аддитивности. Можно сложить две волны конструктивно (представьте себе две волны в океане, из которых вторая превосходит по амплитуде предшествующую, и их наложение дает в результате волну большей амплитуды, чем у каждой из этих волн) или деструктивно, когда впадина одной волны накладывается на пик другой. В результате мы получаем плоскую сумму двух волн – амплитуды их взаимно уничтожают друг друга.

Именно волновая природа частиц делает квантовый мир таким, какой он есть, и является причиной его странных свойств: волновая природа частиц допускает суперпозицию состояний (Кот в упомянутом выше мысленном эксперименте находится в суперпозиции, являясь одновременно живым и мертвым.) (рис. 9).

Рис. 9. Волновые функции в квантовой механике можно складывать и вычитать точно так же, как две океанские волны, которые, складываясь, образуют бо́льшую волну (или меньшую, если они взаимно нивелируют друг друга)

Ричард Фейнман расширил идею суперпозиции, разработав теорию, согласно которой частицы переходят из одного положения в другое, используя «все возможные пути». Так, для того чтобы перейти из точки А в точку Б, частица может воспользоваться не только прямым путем АБ, но «может по дороге заглянуть в ресторан, где подают восхитительные креветки, потом несколько раз облететь Юпитер и только после этого вернуться домой», как пишут Хокинг и Млодинов в своей книге «Высший замысел». Каждый путь из А в Б характеризуется своей вероятностью, и в окончательных вычислениях используют тот, который характеризуется наибольшей вероятностью.

Однако, согласно этой курьезной теории (предсказания которой тем не менее великолепно подтверждаются в экспериментах, и она, таким образом, «работает»), ни у одного процесса не существует определенной «истории»: частица в упомянутом процессе использует все пути из А в Б, но с различной вероятностью. Хокинг и Млодинов опираются на идею Фейнмана для того, чтобы прийти к заключению: у Вселенной нет определенной и точной истории.

Иными словами, авторы имеют в виду, что точно так же, как частица, переходящая из одного положения в другое по всем возможным путям (что бы это ни значило), ведет себя и вся Вселенная. Авторы рассуждают так: во время Большого взрыва или в первые доли секунды после него, пока она была крошечной и компактной (размером с атом или меньше), Вселенная подчинялась законам квантовой механики. Если Вселенная прошла по «всем возможным» путям, прежде чем достигла размера, скажем, песчинки (то есть макроскопического объекта), то до этого момента она не имеет определенной и точной истории. Хокинг и Млодинов пишут:

Квантовая физика говорит нам, что не важно, насколько тщательно наше наблюдение настоящего, так как не поддающееся наблюдению прошлое и скрытое от нас будущее являются неопределенными и существуют лишь как спектр возможностей. Вселенная, согласно законам квантовой физики, не имеет единого прошлого или, иначе говоря, истории.

Итак, никакого единого прошлого и окончательной истории? Это удивительное с точки зрения науки теоретическое утверждение. Оно показывает нам, что в сверхъестественном мире квантовой механики могут твориться весьма странные вещи, опрокидывающие нашу концепцию «истории». Поскольку мы считаем, что некогда Вселенная имела размер квантовой частицы, постольку можно высказывать сколь угодно фантастические гипотезы относительно ее прошлого. Метод «всех возможных путей» Ричарда Фейнмана берет свое начало в одном из самых старых квантовых экспериментов, названном опытом с двумя щелями. Этот опыт был проведен в 1803 году британским врачом Томасом Юнгом, который интересовался очень многими вещами и даже пытался расшифровать египетские иероглифы. В своем эксперименте Юнг пропускал свет сквозь две прорези в непрозрачном экране и проецировал его на второй экран, где становились видны признаки интерференции света. Это опыт доказывает волновую природу света, и эти волны подобны волнам на поверхности воды (кстати, Юнг демонстрировал для сравнения интерференцию и этих волн). Однако то, что в этом случае происходит, стало величайшей загадкой для квантовой физики, и Фейнман назвал ее «Загадкой» с большой буквы.

Ален Аспект говорил мне, когда я посетил его лабораторию в Париже: «Пользуясь современными источниками света, мы можем так контролировать эмиссию света, чтобы прибор излучал за один раз один фотон». Когда источник света испускает единственный фотон и он направляется к экрану с двумя прорезями, интерференция все равно имеет место. Это означает, что каким-то образом фотон проходит через обе прорези, а потом интерферирует сам с собой. Это, кстати, простейший пример суперпозиции состояний: фотон находится в двух местах сразу, одновременно проходя сквозь прорезь 1 и прорезь 2. Фейнман был прав, считая этот феномен воплощением всех загадок квантовой механики.

Описывая, как Фейнман мог прийти к своей идее всех возможных путей, специалист по теоретической физике Зи Энтони пишет в своей книге «Квантовая теория поля в двух словах»:

Когда-то давно, на лекции по квантовой механике, профессор монотонно описывал студентам эксперимент с двумя прорезями, давая этому феномену стандартное объяснение… Вдруг один студент-ботаник – назовем его Фейнманом – задал вопрос: «Профессор, а что будет, если мы просверлим в экране третье отверстие?» Профессор ответил: «Понятно, что амплитуда частицы, обнаруживаемой в точке 0, будет представлять собой сумму трех амплитуд». Профессор хотел было продолжить лекцию, но Фейнман снова заговорил: «Но что будет, если просверлить в экране четвертое и пятое отверстие?» Профессор начал терять терпение: «Послушайте, умник, по-моему, всей аудитории уже ясно, что нам придется просуммировать свет, проникающий сквозь все отверстия…» Но Фейнман не отставал: «Что будет, если мы добавим еще один экран с просверленными в нем отверстиями?» Профессор окончательно вышел в себя, но Фейнман не унимался: «Но что, если поставить третий, четвертый экран? Что, если я поставлю экран и просверлю в нем столько отверстий, что экран практически перестанет существовать?» Профессор тяжело вздохнул: «Давайте двигаться дальше, у нас еще много материала».

Зи затем соглашается с Фейнманом в том, что эксперимент с двумя прорезями можно расширить и сделать в экране бесчисленное множество таких прорезей. Далее Зи добавляет: «Несомненно, вы поняли, куда клонил этот умный мальчик Фейнман. Особенно мне нравится его замечание о том, что если добавить третий экран и просверлить в нем бесконечное число отверстий, то экран просто перестанет существовать. Это же настоящий дзен!» Фейнману удалось показать, что даже если между источником и детектором будет пустота (не будет никакого барьера с прорезями), то частица все равно пройдет от источника к детектору «всеми возможными путями». Проведенные расчеты подтвердили экспериментальные данные, но важно при этом отметить, что самые «экзотические» пути имеют очень низкую вероятность осуществления. Тем не менее это очень странный взгляд на реальность, и, возможно, правы те, кто утверждает, что квантовая механика не дает действительного представления о реальности.

Знаменитый французский философ и специалист по квантовой теории Бернар д‘Эспанья приходит к выводу о том, что квантовая теория ввиду ее малопонятности не является «реальной» теорией. Д’Эспанья называет ее теорией завуалированной реальности. Таким образом, то, что мы видим в квантовом мире, является «завуалированной» версией того, что в действительности происходит «внутри» черного ящика реальности на микроскопическом уровне. Д’Эспанья поясняет:

Концепция завуалированной реальности… предполагает, что наши великие математические законы являются сильно искаженными отражениями (контурами, которые невозможно точно расшифровать) великих структур «Реального».

В связи с тем что существуют огромные концептуальные трудности в достижении глубокого, фундаментального понимания реальности, скрытой за квантовыми наблюдениями и расчетами, д’Эспанья попытался решить проблему, используя интересную аналогию, перифразировав труды французского физика Эрве Звирна:

Согласно всем объективным данным, наша способность к образованию понятий превосходит таковую у собак, обезьян и других животных. Он [Звирн] задумался над интересным вопросом: можно ли представить себе способность к концептуализации, превышающую нашу так же, как наше мышление превосходит таковое у собак и обезьян. Звирн считает, что с ходу отвечать «нет» было бы с нашей стороны величайшей самонадеянностью… Таким образом, мы остаемся с другой альтернативой и вынуждены признать, что, в конечном счете, нет ничего абсурдного в идее о том, что есть «нечто», не поддающееся понятийному определению.

По мнению д’Эспанья, даже «космическое время» нельзя назвать абсолютным в каком бы то ни было смысле. Он утверждает, что физик может следующим образом интерпретировать идею бессмертия:

Термин «бессмертие»… стал чем-то загадочным, так как неявно постулирует существование абсолютного времени, концептуально предшествующего человеческому разуму. Следовательно, вопрос заключается в том, что не следует ли нам понимать этот термин (в наглядном стиле, к которому вынуждены прибегать религии) как обозначение другой идеи, также принадлежащей к религиозной сфере, – идеи «вечности», каковую следует понимать как уход от времени. По этим же причинам мы должны (а это еще большая дерзость!) разобраться, возможно ли, сосредоточившись на одном Высшем Существе, сделать идею «творения», «акта творения» независимой от времени – по крайней мере от времени, переживаемого человеком, от времени эмпирической реальности.

Д’Эспанья, размышляя, подобно многим другим ученым и философам, о квантовой странности Вселенной, пришел к совершенно иному выводу – он склонен верить в творение и вечность. Возможно, размышления о загадках квантовой механики привели д’Эспанья к мысли повенчать веру с наукой.

Странности квантовой теории вынудили не только д’Эспанья, но и некоторых других ее первопроходцев, например Джона Белла, прийти к заключению, что она не может сказать, что есть, но способна лишь показать нам тень реальности, до сути которой человеку не дано добраться. Физик-теоретик Белл объяснил и истолковал концепцию дальнего взаимодействия – «сверхъестественного действия на расстоянии» Эйнштейна, которое он сам считал невозможным и существование которого Белл тем не менее смог доказать.

В своей книге «Выразимое и невыразимое в квантовой механике» (1987) Белл рассуждает о ее глубоких истинах и об их отношении к чувственно воспринимаемой нами реальности. Ученый рассматривает различные категории сущностей, играющих важную роль в квантовой теории: наблюдаемые объекты, экспериментальный аппарат, который мы используем в квантовых опытах, переменные величины – управляемые человеком и неуправляемые и т. д. Исходя из этого, Белл предлагает концепцию «бытийности». Бытийным он считает любой реальный элемент теории, отличный от тех элементов, реальное существование которых не поддается доказательству. Исследователь называет реальные для нас вещи «бытийными» (в отличие от вещей нереальных, представляющих собой одни лишь математические артефакты). Согласно Беллу, поля (например, магнитное поле Земли) являются бытийностями, так как для нас они реальны, а потенциалы (например, электромагнитный потенциал, используемый для физических расчетов) – нет. Потенциала как такового «в реальности, здесь и сейчас не существует. Он существует только для упрощения математических расчетов». Далее Белл продолжает:

Одной из очевидных не -локальностей квантовой механики является мгновенное в любом, сколь угодно большом пространстве «уничтожение волновой функции» при «измерении». Но это уничтожение не будет нас волновать, если мы лишим волновую функцию статуса бытийности. Мы можем рассматривать волновую функцию как удобный, но несущественный математический инструмент, созданный для обозначения корреляций между процедурой эксперимента и его результатами, то есть между двумя наборами бытийностей.

Как Белл, так и д’Эспанья проводят разграничительную линию между тем, что мы можем понять, имея дело с квантовым миром, и тем, чего мы понять не в состоянии. Оба считают, что «реальность», лежащая в основе квантовой механики, недоступна нашему пониманию. Вполне возможно, что квантовая теория – это одна из тех вещей, постичь которую может лишь сверхчеловеческое существо, которое в сравнении с нами выглядит так же, как мы сами выглядим в сравнении с собаками и обезьянами.

Мы просто не понимаем, что происходит в микроскопическом наномире. Герард’т Хоофт, голландский физик, лауреат Нобелевской премии, решивший одну из самых сложных теоретических задач квантовой теории поля, недавно сказал мне, что в своих новых исследованиях он решил вернуться к основам, чтобы попытаться достичь «лучшего понимания сути квантовой механики». Это еще раз подтверждает: мы до сих пор не понимаем, что на самом деле происходит в микромире. Все, что мы видим, возможно, является лишь тенями на стене пещеры, отбрасываемыми «завуалированной реальностью».

Следовательно, утверждения о том, что квантовая механика каким-то образом «говорит нам», что Вселенная возникла из ничего, не нуждаясь в сотворении (как утверждает, например, Краусс), представляются совершенно безосновательными. Эти утверждения отчасти основаны на неверной интерпретации научных взглядов на то, как во Вселенной образовались частицы. Этот вопрос мы обсудим в следующей главе.