Почему для понимания природы важно взаимовлияние физических систем
В XX веке квантовая теория пришла на смену классической физике, которая уже не могла ответить на многие вопросы ученых. С тех пор она помогла сделать важнейшие открытия и легла в основу самых продвинутых технологий. Однако, разрушив прежнюю картину мира, «новая физика» не предложила собственный вариант описания действительности. В книге «Гельголанд. Красивая и странная квантовая физика» (издательство «Бомбора»), переведенной на русский язык Андреем Дамбисом, физик-теоретик Карло Ровелли рассказывает, как с помощью квантовой теории мы переосмысляем устройство мира. Предлагаем вам ознакомиться с фрагментом о том, как квантовая механика определяет свойства объекта через его взаимодействие с другими сущностями.
В небольшой физической лаборатории, где ученые исследуют микроскопические объекты вроде атома или фотона в цейлингеровском лазере, ясно, кто наблюдатель: это, конечно же, ученый, который готовит, наблюдает и измеряет исследуемый квантовый объект с помощью своих приборов, регистрирующих излучаемый атомом свет или место прихода фотонов.
Но огромный мир состоит не из ученых-экспериментаторов или измерительных приборов. Что такое наблюдение в отсутствие измеряющего ученого? Что говорит нам квантовая теория в случае отсутствия наблюдателя? Что говорит нам квантовая теория о происходящем в другой галактике?
Я считаю, что ключ к ответу и суть излагаемых в этой книге идей состоит в простой констатации того факта, что сам ученый вместе с его измерительными приборами — тоже часть природы. А квантовая механика описывает то, как одна часть природы проявляет себя для другой части природы.
Суть описываемой здесь «реляционной» квантовой теории интерпретации (то есть интерпретации в терминах «отношений») состоит в том, что теория описывает не то, как квантовые объекты проявляют себя для нас (или для специальных «наблюдающих» сущностей). Она описывает то, как любой физический объект проявляет себя для любого другого физического объекта. Как любой физический объект воздействует на любой другой физический объект.
Мы мыслим о мире в терминах объектов, вещей, сущностей (ученые называют все это физическими системами) — это может быть фотон, кот, камень, часы, дерево, мальчик, страна, радуга, планета, скопление галактик... Никакой из этих объектов не существует в гордом одиночестве. Наоборот, они только и делают, что воздействуют друг на друга. Для понимания природы следует наблюдать именно эти взаимодействия, а не изолированные объекты. Кот слышит тиканье часов, мальчик бросает камень, камень смещает воздух на своем пути, ударяется о другой камень и приводит его в движение, продавливает землю в месте падения, дерево впитывает энергию солнечного света, синтезирует кислород, которым дышат обитатели страны, наблюдая звезды, а сами звезды движутся в галактике, влекомые силой притяжения других звезд... Наблюдаемый нами мир находится в состоянии постоянного взаимодействия — это плотная сеть взаимного влияния.
Объекты характеризуются тем, как они взаимодействуют. Если бы существовал объект без взаимодействий, ни на что не влияющий, ни на что не воздействующий, не излучающий свет, не притягивающий, не отталкивающий, «неприкосновенный», ничем не пахнущий... то он все равно что не существовал бы вовсе. Невзаимодействующие объекты — это все равно что объекты, пусть и «существующие», но никак нас не касающиеся. Даже непонятно, что может означать «существование» подобных объектов. Мир, который мы познаем, который нас касается, который нас интересует, который мы называем реальностью, представляет собой огромную сеть взаимодействующих сущностей, которые проявляют себя друг для друга посредством взаимодействия, частью которой мы являемся. Именно эта сеть и есть предмет нашего обсуждения.
Одна из таких сущностей — это наблюдаемый Цейлингером в лаборатории фотон. А еще одной такой сущностью, так же как и фотон, и кот, и звезда, является сам Антон Цейлингер. Ты, читающий эти строки, — это еще одна сущность, также как и я, пишущий их зимним канадским утром, когда небо за окном моего кабинета еще темное, сидящий рядом с янтарного цвета мурлыкающей кошкой, которая свернулась клубком между мной и компьютером, на котором набираю этот текст, — мы все представляем собой сущности наравне с другими сущностями.
Если квантовая механика описывает то, как фотон проявляет себя для Цейлингера, и это две физические системы, то, следовательно, эта теория должна описывать также и способ проявления любого объекта для любого другого объекта. В сущности, происходящее между фотоном и наблюдающим его Цейлингером ничем не отличается от происходящего с любыми другими двумя взаимодействующими объектами, когда они, взаимодействуя между собой, проявляют себя друг для друга.
Очевидно, что существуют особые физические системы, являющиеся наблюдателями в строгом смысле, — то есть такие, которые обладают органами чувств, памятью, работают в лаборатории и при этом макроскопичны... Но квантовая механика описывает не только такие системы, но и элементарную и универсальную грамматику физической реальности, которая является объектом не только лабораторных измерений, но также и вообще любых взаимодействий.
При таком подходе ничего особенного в квантовомеханических «наблюдениях» — то есть «наблюдениях» в гейзенберговском смысле — нет. С точки зрения теории, в наблюдателях нет ничего особенного: любое взаимодействие физических объектов является наблюдением, а любой объект следует считать наблюдателем всякий раз, когда рассматривается проявление для него других объектов. То есть при рассмотрении проявления свойств других объектов для данного объекта. Квантовая механика описывает проявление вещей друг для друга.
Я считаю, что открытие квантовой механики состоит в том, что свойства любой вещи — это не что иное, как характер ее воздействия на другие вещи. Существует только взаимодействие с другими вещами. Квантовая теория — это теория о взаимовлиянии вещей, и это лучшее из имеющихся на сегодня описаний природы.
Это простая мысль, но у нее есть два радикальных вывода, которые открывают концептуальный простор, необходимый для понимания квантовой теории.
Не бывает свойств без взаимодействия
Бор говорит о «невозможности четкого отделения поведения атомных систем от взаимодействия с измерительным прибором, с помощью которого устанавливаются условия явления».
В 40-х годах прошлого века, когда Бор писал эти строки, приложения теории ограничивались лабораторными измерениями свойств атомных систем. Почти столетие спустя мы знаем, что теория эта справедлива для всех объектов во Вселенной и поэтому «атомные системы» следует заменить на «любой объект», а «взаимодействие с измерительным прибором» на «взаимодействие с чем угодно».
Если посмотреть на замечание Бора с этой точки зрения, то оно отражает лежащее в основе теории открытие: невозможность отделить объект от взаимодействий, при которых проявляются соответствующие свойства, и от объектов, для которых они проявляются. Объект характеризуется тем, как он воздействует на другие объекты. Сам объект — это всего лишь множество его взаимодействий с другими объектами. Реальность представляет собой эту самую сеть взаимодействий, вне которой вообще непонятно, о чем идет речь. Вместо того чтобы рассматривать физический мир как множество объектов с определенными свойствами, квантовая механика предлагает нам взглянуть на физический мир как на сеть отношений, узлы которой — это сами объекты.
Но нет никакой необходимости всегда и в обязательном порядке приписывать свойства чему бы то ни было, даже если это нечто не взаимодействует с другими объектами, — это не только излишне, но и может ввести в заблуждение. Это значит говорить о несуществующем: не бывает свойств вне взаимодействия.
Смысл изначальной догадки Гейзенберга в том, что обсуждение свойств орбиты электрона, пока он ни с чем не взаимодействует, бессодержательно. Электрон не движется по какой-то орбите, потому что его физические свойства лишь те, что определяют характер его воздействия на нечто иное, например на излучаемый им свет. Если электрон ни с чем не взаимодействует, то у него нет свойств.
Это радикальный переход. Все равно что сказать, что любая вещь представляет собой только то, как она воздействует на нечто иное. Когда электрон не взаимодействует с чем-либо, у него нет физических свойств. У него нет ни положения, ни скорости.
Подробнее читайте:
Ровелли, Карло. Гельголанд. Красивая и странная квантовая физика / Карло Ровелли ; [перевод с итальянского Андрея Дамбиса]. — Москва : Эксмо, 2024. — 176 с. — (Большая наука).