Реальності немає. Фізики розгадали загадки кота Шредінгера і одного Вігнера

Кіт Шредінгера народився в далекому 1935 р. і давно вже став мемом. Про нього згадують всякий раз, коли хочуть сказати, що хтось або щось перебуває одночасно у двох взаємовиключних станах: і живий, і мертвий, і можливий і заборонено, і наявний і відсутня, перебуває і тут і там.

За цим мемом стоїть глибока загадка. Можливо, найглибша з усіх, з якими стикалася наука. Загадка не просто про природу або структурі нашої реальності, а про саме її існування. І ось днями були оприлюднені результати фізичного експерименту, який дав на цю загадку відповідь. Переконливий - і приголомшливий.

Втім, спочатку все-таки треба розповісти про кота. А також про ще один, пов'язаному з ним персонажа фізичної фольклору, - одного Вігнера.

Як Ейнштейн надихнув на кота Шредінгера

Народився кіт Шредінгера в ході багаторічного спору, розпочатого ще в 1927 р. між двома великими фізиками - Альбертом Ейнштейном і Нільсом Бором. Обидва вони були засновниками квантової теорії і лауреатами Нобелівської премії, безмежно поважали один одного, але їх погляди на реальність кардинально розійшлися. Ейнштейн відкидав проповедуемую Бором і його послідовниками інтерпретацію квантової механіки, яка стверджує, що будь-яка мікрочастинка може перебувати одночасно в різних взаємовиключних станах. Щоб відстояти свою точку зору, Ейнштейн пропонував все нові і нові уявні експерименти.

В серпні 1935 р. він звернувся до одного з основоположників квантової механіки, теж лауреату Нобелівської премії Ервіну Шредингеру з новою ідеєю. Розглянемо бочонок з сипучим порохом, який коли-небудь в майбутньому році спонтанно запалиться. Спочатку він має строго певний стан - "барило з невзорвавшимся порохом". Але через рік, згідно квантової механіки, це вже якась суміш ще не та вже вибухнули систем". Однак, доводив Ейнштейн Шредингеру, "в дійсності немає перехідного стану між вибухнув і невзорвавшимся порохом". Бочонок або вибухнув, або ні.

Шредінгер визнав цей уявний експеримент переконливим і перейшов на бік Ейнштейна в суперечці з Бором. Наприкінці 1935 р. вийшла стаття, в якій Шредінгер творчо розвинув ідею Ейнштейна. Саме там з'явилися рядки про якогось кота, якому судилося довге життя.

Помістимо кота в невелику сталеву камеру. Туди ж помістимо лічильник Гейгера з крихітним шматочком радіоактивної речовини. Шматочок настільки малий, що за годину може статися розпад ядра одного атома, але з однаковою ймовірністю це може і не відбутися. Якщо розпад станеться, трубка лічильника Гейгера розрядиться і з допомогою реле приведе в дію молоток, який розіб'є ампулу з цианистоводородной кислотою, в результаті чого кіт буде отруєний.

Згідно Шредингеру і здоровому глузду кіт мертвий чи живий залежно від того, чи стався радіоактивний розпад. І це не залежить від того, відчинили камеру чи ні. Але, згідно Бору і його послідовникам, з'ясувати долю кота може тільки акт спостереження. А поки камеру не відкрили і не подивилися на кота, той одночасно і мертвий, і ожив.

Звичайно, сам по собі цей уявний експеримент нічого не довів. Адже перевірити, "а як насправді" (тобто живий кіт чи ні, поки камера закрита), уявлялося неможливим. Ейнштейн, Шредінгер і їхні нечисленні прихильники вважали достатнім, що вони показали абсурдність ймовірнісної інтерпретації квантової механіки. А Бор і його послідовники наполягали: реальність саме така - абсурдна.

Якщо замінити кота на Декарта

І все ж ситуація виявилася не безнадійною (в сенсі можливості експериментально з'ясувати, "а як насправді"). Шредінгер відводив своєму коту виключно пасивну роль (від нього нічого не залежить), а тому фізику, який відкриває камеру, щоб з'ясувати результати, - роль виключно активну (він сам не залежить ні від чого). Але чи це так?

Щодо кота можна припустити, що він досить тямущий, щоб самому себе спостерігати. Іншими словами, "насправді" кіт сам з'ясовує, живий він чи ні, всякий раз, коли спостерігає сам себе. І тільки у короткі миті між цими актами самоспостереження залишається незрозумілим: чи він живий, чи мертвий, чи живий, і мертвий одночасно. Зрозуміло, якщо кіт відчує характерний запах гіркого мигдалю (що свідчить про появу в повітрі парів цианистоводородной кислоти) і скаже собі: "Ах, я вмираю!" після цього його майбутнє визначено однозначно, він не воскресне.

Для більшої ясності замінимо кота на Декарта - великого французького мислителя першої половини XVII ст., знаменитого серед іншого висловом Cogito ergo sum, що в перекладі з латинського означає "Я мислю, отже я єсмь". Припустимо, Декарт не просто самоосознает себе, а й веде лабораторний щоденник, де щомиті записує результати самоспостереження: "Я єсмь", "Я єсмь", "Я єсмь"... - поки не розіб'ється ампула з цианистоводородной кислотою.

І ось тут навіть в рамках ймовірнісної інтерпретації можливі дві версії. Перша стверджує, що реальності немає (вона ще не встановилася), поки не проведено спостереження. Але як тільки щось кимось (або чимось, наприклад, відеокамерою) наблюдено, воно вже реально. Декарт, безсумнівно, існує в той самий момент часу, коли самоосознает: "Я єсмь".

Друга версія набагато радикальніше. Вона каже, що хай собі хоч кіт Шредінгера, хоч сам Декарт себе самонаблюдает, але поки ми його не бачимо, він для нас одночасно і живий, і мертвий. І тільки коли ми відкриємо камеру і подивимося туди, встановиться "реальність для нас": він чи мертвий, чи живий. І ця "реальність для нас" зовсім не обов'язково повинна збігтися з "реальністю для нього", яку він спостерігав сам.

Як Вігнера придумав собі друзів

Ці міркування можна поширити і на того фізика-експериментатора, який відкриває камеру, щоб з'ясувати результати. Адже він теж, як і кіт, частина системи, тільки більшою - "лабораторія з камерою з котом".

У 1961 р. видатний представник наступного покоління фізиків-теоретиків Юджин Вігнер (1963-го він теж став лауреатом Нобелівської премії) модернізував уявний експеримент Шредінгера (сам Ервін Шредінгер помер на початку 1961-го, його натхненник Альберт Ейнштейн - у 1955-му, їх завзятий опонент Нільс Бор - у 1962-му). Будучи істинним теоретиком, Вігнера постарався максимально дистанціюватися від лабораторії і розташував між собою і котом ланцюжок друзів.

Отже, перший друг Вігнера відкриває камеру і спостерігає стан кота (який, як ми пам'ятаємо, сам весь час себе спостерігав). Припустимо, один бачить живого кота. Це означає, що система "камера з котом" переходить в стан "ядро не розпалося, ампула не розбилася, кіт живий". Таким чином, в лабораторії кіт визнаний живим. Перший друг Вігнера в цьому впевнений (весь час був упевнений сам кіт).

Проте в коридорі за межами лабораторії знаходиться другий друг Вігнера. Він ще не знає долю кота. І не знає, в чому там собі впевнений перший друг. Лише після того, як двері лабораторії відкриється і буде оголошений результат спостереження, другий друг Вігнера дізнається, що кіт живий. Це означає, що система "лабораторія з камерою з котом" перейде в стан "кіт живий, це наблюдено першим другом".

Однак десь в іншому місті перебуває третій друг Вігнера, який не знає долю кота, поки йому не повідомить про неї другий друг. А де-то ще четвертий один Вігнера з нетерпінням чекає дзвінка від третього друга. І так далі - на кожному етапі система включає все більше і більше ланок, поки нарешті не охопить всю Земну кулю.

Нарешті чи? Є ще інші планети, зірки, інші зоряні скупчення, інші галактики, інші скупчення галактик. Згідно Вигнеру кота можна визнати повністю живим (або повністю мертвим) тільки тоді, коли всі спостерігачі у всесвіті дізнаються результат експерименту. До цього моменту в масштабі всесвіту кіт залишається живим і мертвим одночасно.

І навіть коли всі-всі-всі друзі Вігнера пронаблюдают один за одним по ланцюжку, залишається ще остання інстанція, яка здатна поглянути на всесвіт зовні і тим самим остаточно визначити долю кота. Правда, сам Вігнера зі скромності не став акцентувати на своїй божественній ролі.

Як реалізували ідею Вігнера

Юджин Вігнер покинув цей світ 1 січня 1995 р. А через 24 роки, в лютому 2019-го міжнародна група фізиків з Шотландії (Університет Хериота - Вати в Единбурзі), Франції (Університет Гренобль Альпи) та Австрії (Інсбрукський університет) під керівництвом Массіміліано Пройетти оприлюднила результати свого експерименту, який дозволив перевірити ідею Вігнера. Свої висновки фізики назвали просто і однозначно: "Експериментальний відмову від незалежності спостерігача в квантовому світі".

Це повідомлення відразу ж почали бурхливо обговорювати як експериментатори, так і теоретики, не чекаючи навіть (що трапляється досить часто), коли вийде стаття групи Пройетти в якомусь престижному фізичному журналі. 12 березня про експеримент розповів сайт MIT Technology Review під шокуючим заголовком "Квантовий експеримент показує, що об'єктивної реальності не існує". Це породило лавину публікацій в науково-популярних онлайн-виданнях. І загалом експеримент групи Пройетти заслуговує такої уваги.

Звичайно, ні живого кота, ні ланцюжок друзів-спостерігачів в експеримент не залучали. Але для реалізації ідеї Вігнера цього і не потрібно. Достатньо перевірити, як співвідносяться реальності для трьох ланок: об'єкт - спостерігач над об'єктом - спостерігач над спостерігачем. А далі можна з повним на те підставою припустити, що додавання нових ланок (спостерігач над спостерігачем над попереднім спостерігачем і т. д.) вже нічого принципово не змінить.

Спосіб, як здійснити це на практиці, придумав в минулому році Каслав Брукнер з Віденського університету (Австрія). Він запропонував використовувати метод так званого заплутування частинок. Сценарій Брукнера називається розширеним, оскільки в ньому використовуються три пари ланок: два об'єкта, плюс два спостерігача - один Аліси і друг Боба, плюс два спостерігача над спостерігачами - самі Аліса і Боб.

У ролі всіх цих шести ланок використовуються частинки світла - фотони. Не будемо вдаватися в технічні подробиці, скажемо лише, що ці фотони заплутуються в різних комбінаціях і кожна комбінація багаторазово повторюється для набору статистики.

Виведена формула, що дозволяє розрізнити дві гіпотези. По одній гіпотезі, Аліса і Боб, спостерігаючи своїх друзів, ніяк не можуть змінити результатів вимірювань, проведених друзями над об'єктами. За другою гіпотезою, вимірювання, здійснені друзями, можуть бути переграні в ході того, як над самими друзями проведуть вимірювання Аліса і Боб. Запропонований Брукнером розширений сценарій дає можливість встановити (при належному наборі статистики), яка з двох гіпотез вірна.

Що ж довела група Пройетти

Прорив, який здійснили Пройетти і його колеги, полягає в тому, що вони втілили пропозицію Брукнера в життя. "У нашому шестифотонном експерименті ми реалізували цей розширений сценарій", - стверджують вони.

Їх експеримент тривав 360 годин. Обробивши результати, фізики з'ясували з більш ніж достатнім ступенем точності, що вірна друга гіпотеза. Як зазначають вони самі, "це ставить під сумнів об'єктивний статус фактів, встановлених двома спостерігачами".

Якщо повернутися до наших первісних образів - кіт Шредінгера, один Вігнера і сам Вігнера, - то експеримент показав: один Вігнера може відкрити камеру і зафіксувати стан кота (наприклад, що він живий), але якщо після цього сам Вігнера поспостерігає за котом і своїм другом, то може виявити, що їх стан зовсім інше (наприклад, що кіт мертвий і один зафіксував його смерть).

MIT Technology Review робить наголос саме на цьому моменті: експеримент встановив, що у кожного спостерігача - своя реальність. Як зазначає сайт, фізики давно підозрювали, що квантова механіка дозволяє двом спостерігачам перебувати в різних, суперечливих реальностях. Це показав ще в 1961 р. уявний експеримент, запропонований Вигнером. З тих пір фізики використовували цей уявний експеримент, щоб вивчати природу вимірювання і сперечатися про те, чи можуть існувати об'єктивні факти. Це важливо, тому що вчені проводять експерименти саме для того, щоб встановити об'єктивні факти. Але якщо вони стикаються з різними реальностями, як їм домовитися про те, якими можуть бути ці факти?

Це забезпечувало цікаву тему для розмов після обіду, але понад півстоліття уявний експеримент Вігнера не був чимось більшим, ніж просто уявний експеримент. Однак у минулому році фізики помітили, що останні досягнення в області квантових технологій дозволяють відтворити ідею Вігнера в реальному експерименті. Іншими словами, з'явилася можливість створювати різні реальності і порівнювати їх в лабораторії, щоб з'ясувати, чи можна їх примирити.

І ось тепер фізики провели перший експеримент, який доводить, що два спостерігача можуть перебувати у різних реальностях. Пройетти і його колеги кажуть, що вони вперше в світі створили різні реальності і порівняли їх. І прийшли до висновку, що Вігнера був прав: ці реальності можна зробити непримиренними, щоб неможливо було прийти до єдиної думки про об'єктивні факти. Експеримент чітко продемонстрував: обидві реальності можуть співіснувати, навіть якщо вони суперечать один одному, як і передбачав Вігнера.

Як підкреслює MIT Technology Review, результати експерименту групи Пройетти свідчать про те, що об'єктивної реальності не існує. Звичайно, є й інший варіант. Не виключено, що є лазівка, яку експериментатори пропустили. І хоча фізики завжди намагаються закрити лазівки в подібних експериментах, однак вони визнають, що, можливо, ніколи не вдасться закрити їх всі.

Тим не менше робота має важливі наслідки для науки. "Науковий метод заснований на фактах, встановлених шляхом багаторазових вимірювань і узгоджених повсюдно, незалежно від того, хто їх спостерігав", - пишуть Пройетти і співавтори. Своєю статтею вони підривають цю ідею - можливо, смертельно.

Куди поділася миша Ейнштейна

Втім, значення експерименту групи Пройетти полягає не тільки в тому, що він "скасував" об'єктивну реальність. Заодно він спростував поширений міф про роль розумних спостерігачів.

Ще в 1932 р. знаменитий математик Джон фон Нейман у своїй книзі "Математичні основи квантової механіки" стверджував, що "вимірювання або пов'язаний з ним процес суб'єктивного сприйняття є по відношенню до зовнішнього фізичного світу нової, яка не зводиться до нього сутністю. Дійсно, такий процес виводить нас із зовнішнього фізичного світу і вводить в неконтрольовану уявну внутрішнє життя індивідуума". На думку фон Неймана, загадки квантової механіки пов'язані саме з роллю розумних спостерігачів. "Досвід може призводити тільки до тверджень цього типу: спостерігач відчув певне (суб'єктивне) сприйняття, але ніколи не до тверджень, таким як: деяка фізична величина має певне значення", - писав він у своїй книзі.

Ці і подібні їм ідеї отримали широке поширення. І в той же час вони додали аргументів критиків квантової механіки. Наприклад, Ейнштейн наполягав на тому, що реальність існує "поза нас", незалежно від того, спостерігаємо ми за нею чи ні. Він любив задавати своїм гостям наступне питання: "Невже Місяць існує тільки тому, що на неї дивиться миша?".

Миша Ейнштейна теж стала персонажем фізичної фольклору. Її роллю було саме створювати об'єктивну реальність. Але тепер миша Ейнштейна, схоже, відправлена на пенсію. Створювати об'єктивну реальність більше не потрібно, оскільки об'єктивної реальності взагалі немає, ніколи не було і не буде. Принаймні, якщо вірити результатам експерименту групи Пройетти.

Самі автори експерименту прямо вказують, що всі загадки та дивацтва квантової механіки ніяк не пов'язані з наявністю розумних спостерігачів. "Відсутність об'єктивності виникає не в чиєму-небудь свідомості, а між зареєстрованими фактами. Оскільки квантова теорія не проводить різниці між інформацією, записаною в мікроскопічній системі і в макроскопічної системи, висновки для обох однакові: записи вимірювань конфліктують незалежно від розміру або складності спостерігача, який записує їх", - пишуть Пройетти і співавтори.

І що ж далі

Експеримент групи Пройетти показав, що квантовий світ набагато дивніше, ніж уявлялося спочатку. На зорі квантової теорії найбільше суперечок було навколо так званого індетермінізму, тобто неможливість точно передбачити майбутнє. "Квантова механіка дійсно вражає. Але внутрішній голос каже мені, що це ще не ідеал. Ця теорія говорить про багато що, але все ж не наближає нас до розгадки таємниці Всевишнього. Принаймні, я впевнений, що Він не кидає кістки", - заперечував Ейнштейн наприкінці 1926 р. Максу Борну, який пізніше отримав Нобелівську премію саме за імовірнісну інтерпретацію квантової механіки.

Проте з часом накопичувалися аргументи на користь того, що не тільки майбутнє, але й сьогодення і навіть минуле теж неможливо точно передбачити. У тому сенсі, що вони залежать від спостережень, які проводяться зараз або будуть вироблені в майбутньому. Пройетти і його колеги своїм експериментом продемонстрували, що у кожного спостерігача може бути своя картина минулого, теперішнього і майбутнього, і ці картини можуть непримиренно суперечити один одному.

MIT Technology Review прогнозує: "Наступний крок - піти далі: проводити експерименти, створюють все більш вигадливі альтернативні реальності, які неможливо примирити. Куди це приведе нас, ніхто не знає. Але Вігнера і його друг напевно не здивуються".

Також можна припустити новий сплеск конкуренції між різними теоретичними інтерпретаціями квантової механіки. Самі Пройетти і співавтори вказують на кілька перспективних, на їх думку, варіантів, один з яких - "проголосити, що "факти світу" можуть бути встановлені лише привілейованим спостерігачем". На роль цього привілейованого спостерігача" може підійти і та остання інстанція (у ланцюжку друзів Вігнера), яка здатна поглянути на всесвіт зовні.

Вже хоча б тому хвиля дискусій навколо експерименту групи Пройетти напевно захопить не тільки фізиків, але й філософів. Тим більше що останнім у будь-якому випадку доведеться реагувати на опровергнутого Декарта.