Реальности нет. Физики разгадали загадки кота Шредингера и друга Вигнера

Кот Шредингера родился в далеком 1935 г. и давно уже стал мемом. О нем вспоминают всякий раз, когда хотят сказать, что кто-то или что-то пребывает одновременно в двух взаимоисключающих состояниях: и жив и мертв, и возможен и запрещен, и наличествует и отсутствует, пребывает и здесь и там.

За этим мемом стоит глубокая загадка. Возможно, самая глубокая из всех, с какими сталкивалась наука. Загадка не просто о природе или структуре нашей реальности, а о самом ее существовании. И вот на днях были обнародованы результаты физического эксперимента, который дал на эту загадку ответ. Убедительный - и ошеломительный.

Впрочем, вначале все-таки нужно рассказать о самом коте. А также о еще одном, связанном с ним персонаже физического фольклора, - друге Вигнера.

Как Эйнштейн вдохновил Шредингера на кота

Родился кот Шредингера в ходе многолетнего спора, начавшегося еще в 1927 г. между двумя великими физиками - Альбертом Эйнштейном и Нильсом Бором. Оба они были основателями квантовой теории и лауреатами Нобелевской премии, безмерно уважали друг друга, но их взгляды на реальность кардинально разошлись. Эйнштейн отвергал проповедуемую Бором и его последователями интерпретацию квантовой механики, утверждающую, что любая микрочастица может пребывать одновременно в различных взаимоисключающих состояниях. Чтобы отстоять свою точку зрения, Эйнштейн предлагал все новые и новые мысленные эксперименты.

В августе 1935 г. он обратился к одному из основоположников квантовой механики, тоже лауреату Нобелевской премии Эрвину Шредингеру с новой идеей. Рассмотрим бочонок с сыпучим порохом, который когда-нибудь в будущем году спонтанно воспламенится. Сначала он имеет строго определенное состояние - "бочонок с невзорвавшимся порохом". Но через год, согласно квантовой механике, это уже "некая смесь еще не и уже взорвавшихся систем". Однако, доказывал Эйнштейн Шредингеру, "в действительности нет переходного состояния между взорвавшимся и невзорвавшимся порохом". Бочонок либо взорвался, либо нет.

Шредингер счел этот мысленный эксперимент убедительным и перешел на сторону Эйнштейна в споре с Бором. В конце 1935 г. вышла статья, в которой Шредингер творчески развил идею Эйнштейна. Именно там появились строки о некоем коте, которому была суждена долгая жизнь.

Поместим кота в небольшую стальную камеру. Туда же поместим счетчик Гейгера с крошечным кусочком радиоактивного вещества. Кусочек настолько мал, что за час может произойти распад ядра одного атома, но с равной вероятностью это может и не произойти. Если распад произойдет, трубка счетчика Гейгера разрядится и с помощью реле приведет в действие молоток, который разобьет ампулу с цианистоводородной кислотой, в результате чего кот будет отравлен.

Согласно Шредингеру и здравому смыслу кот мертв либо жив в зависимости от того, произошел ли радиоактивный распад. И это не зависит от того, открыли мы камеру или нет. Но, согласно Бору и его последователям, выяснить судьбу кота может только акт наблюдения. А пока камеру не открыли и не посмотрели на кота, тот одновременно и мертв, и жив.

Конечно, сам по себе этот мысленный эксперимент ничего не доказал. Ведь проверить, "а как на самом деле" (то есть жив кот или нет, пока камера закрыта), представлялось невозможным. Эйнштейн, Шредингер и их немногочисленные сторонники считали достаточным, что они показали абсурдность вероятностной интерпретации квантовой механики. А Бор и его последователи настаивали: реальность именно такова - абсурдна.

Если заменить кота на Декарта

И все же ситуация оказалась не безнадежной (в смысле возможности экспериментально выяснить, "а как на самом деле"). Шредингер отводил своему коту исключительно пассивную роль (от него ничего не зависит), а тому физику, который открывает камеру, чтобы выяснить результаты, - роль исключительно активную (он сам не зависит ни от чего). Но так ли это?

Насчет кота можно предположить, что он достаточно смышлен, чтобы самому себя наблюдать. Иными словами, "на самом деле" кот сам выясняет, жив он или нет, всякий раз, когда сам себя наблюдает. И только в краткие мгновения между этими актами самонаблюдения остается неясным: то ли он жив, то ли мертв, то ли жив и мертв одновременно. Разумеется, если кот почувствует характерный запах горького миндаля (свидетельствующий о появлении в воздухе паров цианистоводородной кислоты) и скажет себе: "Ах, я умираю!" - то после этого его будущее определено однозначно, он не воскреснет.

Для пущей ясности заменим кота на Декарта - великого французского мыслителя первой половины XVII в., знаменитого среди прочего изречением Cogito ergo sum, что в переводе с латинского означает "Я мыслю, следовательно я есмь". Допустим, Декарт не просто самоосознает себя, а и ведет лабораторный дневник, где ежесекундно записывает результаты самонаблюдения: "Я есмь", "Я есмь", "Я есмь"... - пока не разобьется ампула с цианистоводородной кислотой.

И вот тут даже в рамках вероятностной интерпретации возможны две версии. Первая утверждает, что реальности нет (она еще не установилась), пока не проведено наблюдение. Но как только что-то кем-то (или чем-то, например, видеокамерой) наблюдено, оно уже реально. Декарт, несомненно, существует в тот самый момент времени, когда самоосознает: "Я есмь".

Вторая версия гораздо радикальнее. Она говорит, что пусть себе хоть кот Шредингера, хоть сам Декарт себя самонаблюдает, но пока мы его не видим, он для нас одновременно и жив, и мертв. И только когда мы откроем камеру и посмотрим туда, установится "реальность для нас": он или мертв, или жив. И эта "реальность для нас" вовсе не обязательно должна совпасть с "реальностью для него", которую наблюдал он сам.

Как Вигнер придумал себе друзей

Эти рассуждения можно распространить и на того физика-экспериментатора, который открывает камеру, чтобы выяснить результаты. Он ведь тоже, как и кот, часть системы, только большей - "лаборатория с камерой с котом".

В 1961 г. выдающийся представитель следующего поколения физиков-теоретиков Юджин Вигнер (в 1963-м он тоже стал лауреатом Нобелевской премии) модернизировал мысленный эксперимент Шредингера (сам Эрвин Шредингер умер в начале 1961-го, его вдохновитель Альберт Эйнштейн - в 1955-м, их заядлый оппонент Нильс Бор - в 1962-м). Будучи истинным теоретиком, Вигнер постарался максимально дистанцироваться от лаборатории и расположил между собой и котом цепочку друзей.

Итак, первый друг Вигнера открывает камеру и наблюдает состояние кота (который, как мы помним, сам все время себя наблюдал). Предположим, друг видит живого кота. Это означает, что система "камера с котом" переходит в состояние "ядро не распалось, ампула не разбилась, кот жив". Таким образом, в лаборатории кот признан живым. Первый друг Вигнера в этом уверен (как все время был уверен сам кот).

Однако в коридоре за пределами лаборатории находится второй друг Вигнера. Он-то еще не знает судьбу кота. И не знает, в чем там себе уверен первый друг. Лишь после того, как дверь лаборатории отворится и будет оглашен результат наблюдения, второй друг Вигнера узнает, что кот жив. Это означает, что система "лаборатория с камерой с котом" перейдет в состояние "кот жив, это наблюдено первым другом".

Однако где-то в ином городе пребывает третий друг Вигнера, который не знает судьбу кота, пока ему не сообщит о ней второй друг. А где-то еще четвертый друг Вигнера с нетерпением ждет звонка от третьего друга. И так далее - на каждом этапе система включает все больше и больше звеньев, пока наконец не охватит весь Земной шар.

Наконец ли? Есть еще другие планеты, другие звезды, другие звездные скопления, другие галактики, другие скопления галактик. Согласно Вигнеру кота можно признать полностью живым (или полностью мертвым) только тогда, когда все наблюдатели во вселенной узнают результат эксперимента. До этого момента в масштабе вселенной кот остается живым и мертвым одновременно.

И даже когда все-все-все друзья Вигнера пронаблюдают друг за другом по цепочке, остается еще последняя инстанция, которая способна взглянуть на вселенную снаружи и тем самым окончательно определить судьбу кота. Правда, сам Вигнер из скромности не стал акцентировать на своей божественной роли.

Как реализовали идею Вигнера

Юджин Вигнер покинул этот мир 1 января 1995 г. А через 24 года, в феврале 2019-го международная группа физиков из Шотландии (Университет Хериота - Ватта в Эдинбурге), Франции (Университет Гренобль Альпы) и Австрии (Инсбрукский университет) под руководством Массимилиано Пройетти обнародовала результаты своего эксперимента, который позволил проверить идею Вигнера. Свои выводы физики озаглавили просто и однозначно: "Экспериментальный отказ от независимости наблюдателя в квантовом мире".

Это сообщение сразу же стали бурно обсуждать как экспериментаторы, так и теоретики, не дожидаясь даже (что случается весьма нечасто), когда выйдет статья группы Пройетти в каком-либо престижном физическом журнале. 12 марта об эксперименте рассказал сайт MIT Technology Review под шокирующим заголовком "Квантовый эксперимент показывает, что объективной реальности не существует". Это породило лавину публикаций в научно-популярных онлайн-изданиях. И в общем-то эксперимент группы Пройетти заслуживает такого внимания.

Конечно, ни живого кота, ни цепочку друзей-наблюдателей в эксперимент не вовлекали. Но для реализации идеи Вигнера этого и не нужно. Достаточно проверить, как соотносятся реальности для трех звеньев: объект - наблюдатель над объектом - наблюдатель над наблюдателем. А дальше можно с полным на то основанием предположить, что добавление новых звеньев (наблюдатель над наблюдателем над предыдущим наблюдателем и т. д.) ничего уже принципиально не изменит.

Способ, как осуществить это на практике, придумал в прошлом году Каслав Брукнер из Венского университета (Австрия). Он предложил использовать метод так называемого запутывания частиц. Сценарий Брукнера называется расширенным, поскольку в нем используются три пары звеньев: два объекта, плюс два наблюдателя - друг Алисы и друг Боба, плюс два наблюдателя над наблюдателями - сами Алиса и Боб.

В роли всех этих шести звеньев используются частицы света - фотоны. Не будем вдаваться в технические подробности, скажем лишь, что эти фотоны запутываются в различных комбинациях и каждая комбинация многократно повторяется для набора статистики.

Выведена формула, позволяющая различить две гипотезы. По одной гипотезе, Алиса и Боб, наблюдая своих друзей, никак не могут изменить результатов измерений, произведенных друзьями над объектами. По второй гипотезе, измерения, осуществленные друзьями, могут быть переиграны в ходе того, как над самими друзьями проведут измерения Алиса и Боб. Предложенный Брукнером расширенный сценарий дает возможность установить (при надлежащем наборе статистики), какая из двух гипотез верна.

Что же доказала группа Пройетти

Прорыв, который совершили Прoйетти и его коллеги, состоит в том, что они воплотили предложение Брукнера в жизнь. "В нашем шестифотонном эксперименте мы реализовали этот расширенный сценарий", - утверждают они.

Их эксперимент длился 360 часов. Обработав результаты, физики выяснили с более чем достаточной степенью точности, что верна вторая гипотеза. Как отмечают они сами, "это ставит под сомнение объективный статус фактов, установленных двумя наблюдателями".

Если вернуться к нашим первоначальным образам - кот Шредингера, друг Вигнера и сам Вигнер, - то эксперимент показал: друг Вигнера может открыть камеру и зафиксировать состояние кота (например, что он жив), но если после этого сам Вигнер пронаблюдает за котом и своим другом, то может обнаружить, что их состояние совсем другое (например, что кот мертв и друг зафиксировал его смерть).

MIT Technology Review делает упор именно на этом моменте: эксперимент установил, что у каждого наблюдателя - своя реальность. Как отмечает сайт, физики давно подозревали, что квантовая механика позволяет двум наблюдателям пребывать в разных, противоречивых реальностях. Это показал еще в 1961 г. мысленный эксперимент, предложенный Вигнером. С тех пор физики использовали этот мысленный эксперимент, чтобы изучать природу измерения и спорить о том, могут ли существовать объективные факты. Это важно, потому что ученые проводят эксперименты именно для того, чтобы установить объективные факты. Но если они сталкиваются с разными реальностями, как им договориться о том, какими могут быть эти факты?

Это обеспечивало интересную тему для разговоров после обеда, но более полувека мысленный эксперимент Вигнера не был чем-то большим, чем просто мысленный эксперимент. Однако в прошлом году физики заметили, что последние достижения в области квантовых технологий позволяют воспроизвести идею Вигнера в реальном эксперименте. Иными словами, появилась возможность создавать разные реальности и сравнивать их в лаборатории, дабы выяснить, можно ли их примирить.

И вот теперь физики провели первый эксперимент, который доказывает, что два наблюдателя могут пребывать в разных реальностях. Пройетти и его коллеги говорят, что они впервые в мире создали разные реальности и сравнили их. И пришли к выводу, что Вигнер был прав: эти реальности можно сделать непримиримыми, чтобы невозможно было прийти к единому мнению об объективных фактах. Эксперимент четко продемонстрировал: обе реальности могут сосуществовать, даже если они противоречат друг другу, как и предсказывал Вигнер.

Как подчеркивает MIT Technology Review, результаты эксперимента группы Прoйетти свидетельствуют о том, что объективной реальности не существует. Конечно, есть и другой вариант. Не исключено, что имеется лазейка, которую экспериментаторы пропустили. И хотя физики всегда пытаются закрыть лазейки в подобных экспериментах, однако они признают, что, возможно, никогда не удастся закрыть их все.

Тем не менее работа имеет важные последствия для науки. "Научный метод основан на фактах, установленных путем многократных измерений и согласованных повсеместно, независимо от того, кто их наблюдал", - пишут Пройетти и соавторы. Своей статьей они подрывают эту идею - возможно, смертельно.

Куда делась мышь Эйнштейна

Впрочем, значение эксперимента группы Пройетти заключается не только в том, что он "отменил" объективную реальность. Заодно он опроверг распространенный миф о роли разумных наблюдателей.

Еще в 1932 г. знаменитый математик Джон фон Нейман в своей книге "Математические основы квантовой механики" постулировал, что "измерение или связанный с ним процесс субъективного восприятия является по отношению к внешнему физическому миру новой, не сводящейся к нему сущностью. Действительно, такой процесс выводит нас из внешнего физического мира и вводит в неконтролируемую мысленную внутреннюю жизнь индивидуума". По мнению фон Неймана, загадки квантовой механики связаны именно с ролью разумных наблюдателей. "Опыт может приводить только к утверждениям этого типа: наблюдатель испытал определенное (субъективное) восприятие, но никогда не к утверждениям, таким как: некоторая физическая величина имеет определенное значение", - писал он в своей книге.

Эти и подобные им идеи получили широкое распространение. И в то же время они добавили аргументов критикам квантовой механики. Например, Эйнштейн настаивал на том, что реальность существует "вне нас", независимо от того, наблюдаем мы за ней или нет. Он любил задавать своим гостям следующий вопрос: "Неужели Луна существует только потому, что на нее смотрит мышь?".

Мышь Эйнштейна тоже стала персонажем физического фольклора. Ее ролью было именно создавать объективную реальность. Но теперь мышь Эйнштейна, похоже, отправлена на пенсию. Создавать объективную реальность больше не нужно - поскольку объективной реальности вообще нет, никогда не было и не будет. По крайней мере, если верить результатам эксперимента группы Пройетти.

Сами авторы эксперимента прямо указывают, что все загадки и странности квантовой механики никак не связаны с наличием разумных наблюдателей. "Отсутствие объективности возникает не в чьем-либо сознании, а между зарегистрированными фактами. Поскольку квантовая теория не проводит различий между информацией, записанной в микроскопической системе и в макроскопической системе, выводы для обоих одинаковы: записи измерений конфликтуют независимо от размера или сложности наблюдателя, который записывает их", - пишут Пройетти и соавторы.

И что же дальше

Эксперимент группы Пройетти показал, что квантовый мир гораздо страннее, чем представлялось поначалу. На заре квантовой теории больше всего споров было вокруг так называемого индетерминизма, то есть невозможности точно предсказать будущее. "Квантовая механика действительно впечатляет. Но внутренний голос говорит мне, что это еще не идеал. Эта теория говорит о многом, но все же не приближает нас к разгадке тайны Всевышнего. По крайней мере, я уверен, что Он не бросает кости", - возражал Эйнштейн в конце 1926 г. Максу Борну, который позже получил Нобелевскую премию именно за вероятностную интерпретацию квантовой механики.

Однако со временем накапливались аргументы в пользу того, что не только будущее, но и настоящее и даже прошлое тоже невозможно предсказать точно. В том смысле, что они тоже зависят от наблюдений, которые производятся сейчас или будут произведены в будущем. Пройетти и его коллеги своим экспериментом продемонстрировали, что у каждого наблюдателя может быть своя картина прошлого, настоящего и будущего, и эти картины могут непримиримо противоречить друг другу.

MIT Technology Review прогнозирует: "Следующий шаг - пойти дальше: проводить эксперименты, создающие все более причудливые альтернативные реальности, которые невозможно примирить. Куда это приведет нас, никто не знает. Но Вигнер и его друг наверняка не удивятся".

Также можно предположить новый всплеск конкуренции между различными теоретическими интерпретациями квантовой механики. Сами Пройетти и соавторы указывают на несколько перспективных, по их мнению, вариантов, один из которых - "провозгласить, что "факты мира" могут быть установлены только привилегированным наблюдателем". На роль этого "привилегированного наблюдателя" может подойти и та последняя инстанция (в цепочке друзей Вигнера), которая способна взглянуть на вселенную снаружи.

Уже хотя бы поэтому волна дискуссий вокруг эксперимента группы Пройетти наверняка вовлечет не одних только физиков, но и философов. Тем более что последним в любом случае придется реагировать на опровергнутого Декарта.