Квантовая механика значительно изменила наши представления о реальности, утверждая, что мир на своем фундаментальном уровне фундаментально случаен. Известная всем нам классическая физика, созданная английским физиком Исааком Ньютоном представляла нашу вселенную как огромный, идеально отлаженный часовой механизм. В этой системе, зная координаты и импульс каждой частицы, можно было безошибочно предсказать будущее и реконструировать прошлое. Однако в начале XX века Копенгагенская интерпретация, сформулированная Нильсом Бором и Вернером Гейзенбергом, разрушила этот детерминизм. Она провозгласила: частица не имеет конкретной траектории, пока мы за ней не наблюдаем, а сама реальность подчиняется лишь законам вероятности. Подобный взгляд на мир устраивал далеко не всех. Альберт Эйнштейн категорически отказывался признавать эту концепцию, бросив свою знаменитую фразу: «Бог не играет в кости».
Он был убежден, что квантовая механика неполна, и за видимым хаосом скрываются еще не обнаруженные, «скрытые параметры».
Решение, которое искал Эйнштейн, в 1952 году предложил американский физик Дэвид Бом. Он разработал механику Бома (или причинную/пилотную интерпретацию), которая вернула в квантовый мир строгий причинно-следственный детерминизм. В его теории частицы всегда имеют точные координаты и траектории, а их движением управляет особое квантовое поле — волна-пилот. Вселенная Бома снова стала предсказуемой, но за это пришлось заплатить отказом от локальности: всё в мире оказалось мгновенно связано со всем остальным.
От теории к практике: где работает детерминизм Бома
Долгое время концепция Бома считалась чисто философской альтернативой, не имеющей практического веса. Однако сегодня, на пороге новой технологической революции, ее прикладное значение раскрывается в самых передовых областях науки:
- Моделирование квантовых систем и гидродинамические аналоги: Ученые создают макроскопические системы с каплями силиконового масла на вибрирующей поверхности. Эти капли ведут себя в точности как частицы Бома, взаимодействуя с собственной волной. Это позволяет «увидеть» квантовые эффекты вживую и проектировать новые материалы.
- Расчет сложных химических реакций: В квантовой химии траекторный подход Бома позволяет точнее моделировать поведение электронов при разрыве и создании химических связей в больших молекулах, обходя вычислительные тупики стандартного уравнения Шрёдингера.
- Траекторная квантовая криптография: Понимание точных, пусть и скрытых от стандартного наблюдателя, путей движения фотонов открывает новые методы защиты данных и детекции попыток перехвата информации в квантовых сетях.
С начала 20-го столетия исследователи предложили самые разные и необычные варианты интерпретации квантовой механики, которые призваны ответить на ряд важных фундаментальных вопросов. касающихся окружающей нас реальности. Один из предложенных здесь весьма оригинальных подходов допускает возможность существования параллельных вселенных. В книге «Это все квантовая физика! Непочтительное руководство по фундаментальной природе всего», переведенной на русский язык Анастасией Бродоцкой, физик Жереми Харрис рассказывает, что интерпретации квантовой механики могут рассказать об устройстве нашего мира и том, какое место в нем занимают люди. Предлагаем вам ознакомиться с фрагментом, в котором Дэвид Бом создает детерминистическую вселенную.
Механика Бома
Если вы спросите случайного прохожего, что, по его мнению, самое странное в квантовой механике, он, скорее всего, ответит: «Отвали от меня, извращенец! Ты кто вообще такой? Дети, подождите в машине!» Но если вам попадется человек, у которого есть настроение поболтать и который читал какую-нибудь книжку по этой теме, он, вероятно, согласится, что самое странное в квантовой механике — то, что согласно ей частицы могут находиться в нескольких местах одновременно.
Поэтому, если на дворе пятидесятые, а вы суперодаренный физик-теоретик, твердо решивший сделать квантовую механику менее странной, вам стоит подумать над разработкой теории, которая заставляет частицы существовать в каждый момент времени только в одном месте.
Но это будет непросто. Эксперименты четко показывают, что частицы могут существовать одновременно в нескольких местах. К счастью для вас, однако, большинство результатов, которые вам придется объяснить, получены в разных вариантах довольно простого опыта — эксперимента Юнга на двух щелях. Если вам удастся в рамках своей новой теории объяснить эти результаты, вы будете свободны.
Может, вам даже дадут нобелевку-другую, и вы наконец сможете позволить себе ту футболку с Че Геварой за двести пятьдесят баксов, о которой всегда мечтали.
Примерно так рассуждал Дэвид Бом, когда взял на себя задачу произвести революцию в квантовой физике, избавив ее от идеи, что частицы могут находиться в нескольких местах одновременно. В чем же заключалась теория Бома и как она объясняла эксперимент на двух щелях?
Вот что ответил бы сам Бом, если бы писал эту книгу.
Бом: Поговорим об эксперименте на двух щелях. Пучок света направлен на две небольшие щели. Свет частично проходит сквозь щели и попадает на расположенный невдалеке экран. Звучит знакомо?
Вы: Да, я читал первую главу. Но это было уже давно, поэтому я рад, что Жереми придумал такой изощренный способ напомнить обо всем — и мне не придется перелистывать назад.
Бом: Да, славный парень этот Жереми. Так или иначе, вы, наверное, помните, что в эксперименте на двух щелях, если закрыть одну щель и оставить открытой другую, вы увидите пятно света с той стороны, где находится открытая щель, как, собственно, и ожидали:
А если открыть обе щели, появятся не два пятна (одно от левой щели, другое от правой), а какая-то странная интерференционная картина:
Объяснить это можно только одним способом: свет от одной щели как-то взаимодействует со светом от другой, и они сложным образом смешиваются, что и дает узор.
Вы, наверное, думаете: «Ладно, с этим можно смириться — вероятно, частицы света от одной щели каким-то затейливым образом сталкиваются с частицами от другой, вот и получается такая интерференционная картина».
Но тут-то и начинаются странности: интерференционная картина получается, даже если частицы света проходят сквозь щели по одной. Но если сквозь щели проходит одномоментно только одна частица света, с чем же она может взаимодействовать? Неужели сама с собой?
Вот это всех и пугает — мысль, что одна-единственная частица каким-то образом проходит сквозь обе щели и интерферирует сама с собой, порождая затейливый узор. Но я считаю это бредом.
Вы: А какова альтернатива?
Бом: Думаю, все упускают из виду, что частица — лишь часть некоего целого.
Согласно моей теории, каждая частица сопряжена с волной, которая контролирует ее движение.
Задача волны — расходиться от частицы во все стороны и смотреть, что там.
В зависимости от того, что волна видит, она управляет движением частицы, подталкивая ее в ту или иную сторону. Представьте, что волна — это разведчик, который исследует мир вокруг частицы и докладывает ей об увиденном, но одновременно и проводник, который говорит частице, как двигаться в ответ.
Вы: На той стороне улицы стоит какой-то дядька в плаще и черном костюме и смотрит на нас.
Бом: А знаете, что самое удивительное? Если посмотреть на уравнения квантовой механики под определенным углом и как следует прищуриться, их вполне можно интерпретировать как именно такую картину!
Вы: Хорошо, как же эта ваша теория «частица плюс волна» объясняет тот диковинный узор, который мы получаем в эксперименте на двух щелях?
Бом: Начнем вот с чего. Я согласен с другими физиками, которые говорят, что свет от одной щели, должно быть, взаимодействует со светом от другой и от этого возникает узор. И я согласен: это может происходить, только если свет каким-то образом проходит через обе щели одновременно. Или, по крайней мере, какая-то часть этого света.
Но если я прав, то через обе щели одновременно проходит не частица, а только ее волна.
Пройдя сквозь обе щели, волна может провзаимодействовать сама с собой, а поскольку она руководит движениями частицы, эти взаимодействия сказываются на том, в какое место частица попадет. Вот как мы можем объяснить затейливую интерференционную картину без необходимости представлять, будто бы частица прошла сквозь две щели сразу.
Если закрыть одну щель, волна не сможет провзаимодействовать сама с собой — и узор исчезнет (рис. на стр. 218).
Я не возражаю против идеи, что свет проходит сквозь обе щели одновременно, я не согласен насчет того, какая его часть это делает. Думаю, это волна, о существовании которой никто не догадывается. Все остальные считают, что это сама частица, которая каким-то образом оказывается в двух местах одновременно.
Вы: Дядька в плаще так и стоит на той стороне улицы. Пойти спросить, не федерал ли он?
Теория Бома позволяла спасти представление о том, что частица может существовать в конкретный момент времени только лишь в одном месте, ценой введения новой физической сущности — волны, сопряженной с каждой частицей. У этой интерпретации есть некоторые странные следствия, в том числе сверхсветовые эффекты. Когда направляющая волна натыкается на что-то и думает: «Ой, подтолкну-ка я лучше свою частицу», этот толчок должен пройти расстояние от объекта, который заметила волна, до частицы со скоростью, во много раз превосходящей скорость света. Каждая частица во вселенной регулярно нарушает скоростной режим, установленный Эйнштейном!
Даже законы Ньютона и те не убереглись от теории Бома. Толчки, которые получает от своей направляющей волны частица, могут заставить ее изменить скорость или направление движения, даже если на нее не действовали никакие силы. (Толчок, получаемый от волны, — не сила в общепринятом смысле слова.) Вот вам и школьная физика.
Очевидно, что теория Бома требовала переписать большинство учебников физики. Доходы издательства «Кембридж Юниверсити Пресс» взлетели бы до небес. Но еще эта теория существенно изменила бы нашу повседневную жизнь.
Детерминизм — не приговор
Мы уже говорили, что детерминистические теории исключают свободу воли, поскольку предполагают, что все наши решения предопределены. Вселенная Бома в этом отношении такая же, что несет ожидаемые последствия: сомнения в существовании свободы воли рискуют перевернуть наши теории права с ног на голову и не позволят ни обвинять преступников, ни обосновывать наказания даже за самые тяжкие правонарушения.
Однако мы не говорили о психологической травме, которую наносит человеку теория, гласящая, что будущее предначертано. Некоторым это осознание дается особенно тяжело, и запросто можно впасть в экзистенциальный кризис, стоит только задуматься о том, что, как ни старайся, все равно никогда не получится сделать ничего такого, что не было суждено с самого начала. «Какой смысл вставать утром с постели? — спросим мы с вами. — Я могу просто смириться с тем, что моя участь раз и навсегда предрешена, и провести день, компульсивно открывая и закрывая приложения соцсетей. Я ведь все равно ничего не решаю, так какая разница?»
Люди часто считают, будто детерминизм подразумевает, что наши решения ничего не значат, а следовательно, можно даже и не пытаться. Но такая позиция называется иначе — «фатализм», и это совсем не то же самое, что детерминизм.
На деле детерминизм и фатализм — понятия практически противоположные. В детерминистической вселенной, как у Бома, вы не можете свободно принимать решения, однако на самом деле они значат больше, а не меньше.
А все потому, что детерминизм проводит прямую линию между действиями и их последствиями. Между тем, что вы делаете сегодня, и тем, что будете делать завтра, нет места случайности, которая вечно мутит воду. Если вы говорите себе, что, узнав о теории Бома, утопите горе в ведерке мороженого «Бен и Джерри» со вкусом бостонского кремового торта, вы обременяете себя всеми последствиями этого решения (набор веса, повышение сахара в крови, упадок сил, недоумение, почему было просто не купить бостонский кремовый торт, и тому подобное).
В этом-то и дело. Если прошлое определяет будущее, то настоящее — и решения, которые вы в нем принимаете, — тоже это делает. Ваши решения имеют значение в самом буквальном смысле, и вы испытаете на себе их неизбежные последствия. И последствия будут куда приятнее, если вам досталось тело, которому предопределено отреагировать на этот абзац возгласом: «Знаете что, это истинная правда, и с этого момента я собираюсь взять жизнь за рога!»
Философствовать вообще опасно, а путать детерминизм с фатализмом — это именно то, к чему иногда приводит философствование.
И все же нельзя отрицать, что картина Бома может вызвать у многих людей мощный психологический сдвиг. Если однажды окажется, что она верна, ждите взлета продаж книг по самопомощи — «Куриный суп для вашей предопределенной мясной машины» разойдется миллионными тиражами. Но пока не стоит запускать принтеры, потому что в теории Бома есть по меньшей мере одна довольно-таки фундаментальная проблема.
Бом вверх дном
Теория Бома строится на переменной местоположения. Она исходит из того, что у каждой частицы есть местоположение. Мало того, она предполагает, что любое наблюдаемое свойство частицы можно вывести, зная только ее местоположение (плюс некоторые подробности того, чем занята направляющая волна).
Однако выяснилось, что по математическим причинам подход Бома работал бы точно так же, если бы он назначил специальной, наиглавнейшей переменной не местоположение, а импульс. В результате получилась бы совершенно иная теория — и иная картина реальности, — но она позволяла бы делать точно такие же предсказания, как и теория, основанная на местоположении.
Так почему же Бом решил построить свою теорию на одной переменной, а не на другой? Ответ в том, что местоположение ему просто больше нравилось. Самое главное предположение его теории не подкреплено ничем, кроме эстетического убеждения, что местоположение как переменная красивее импульса.
Дальше — хуже. Мало того, что Бом мог бы построить свою теорию на импульсе, а не на местоположении, выяснилось, что она работала бы точно так же, если бы он использовал в качестве специальной переменной какую угодно комбинацию местоположения и импульса. Например, он мог выбрать странную гибридную переменную, представляющую собой смесь из равного количества местоположения и импульса, а мог смешать их в пропорции два к одному.
Таких комбинаций местоположения и импульса буквально бесконечное множество, а это значит, что теория Бома — это вовсе не одна теория, а бесконечное множество теорий, из которых он решил отдать предпочтение одной конкретной версии (той, где мы делаем вид, будто главное — местоположение частицы) без всяких особых причин, лишь потому, что она «кажется красивее» остальных.
Есть и другие потенциальные проблемы, но они более спорные, и физики по сей день продолжают швыряться друг в друга мелом и оскорблениями из-за разногласий в том, как примирить теорию Бома с теорией относительности, как быть со спином и тому подобное.
Однако самая серьезная проблема для людей вроде Бома, которые мечтают о «нормальном», полностью материалистическом описании реальности, состоит совсем в другом. Даже самая приятная, ванильная картина квантовой механики тает и растекается в лужицу странностей при столкновении с тайной, которая не давала науке покоя с тех давних времен, когда ньютоновская физика не была еще даже тенью на стене платоновской пещеры.
Заключение: Возвращение часовщика, или Новая сборка реальности
Механика Бома (или детерминированная пилотная интерпретация) доказывает, что кризис квантовых оснований физики — это не приговор человеческому разуму, а лишь развилка на пути познания. Возвращая в микромир строгий причинно-следственный детерминизм, теория Дэвида Бома излечивает физику от шизофренического дуализма, где макромир подчиняется строгим законам, а микромир — абсолютному хаосу. Оказывается, можно сохранить представление об объективной реальности, существующей независимо от наблюдателя, и признать, что у каждой частицы есть свой четкий маршрут.
Однако цена этого возвращения к порядку радикально меняет контур всей физической картины мира. Вводя концепцию квантового потенциала и нелокальности, механика Бома связывает Вселенную в единую, неделимую ткань. В этой парадигме невозможно изучить изолированную часть, не учитывая состояние целого. Мир Бома — это не набор независимых кирпичиков, а непрерывный квантовый танец, где движение одного электрона на Земле мгновенно срежиссировано состоянием квантового поля на краю галактики.
Перспективы развития и технологический горизонт
Долгое время концепция волны-пилота оставалась на обочине большой науки, уступая прагматичной Копенгагенской формуле «заткнись и считай». Но сегодня, когда технологии подошли к атомарному пределу, бомовский траекторный подход переживает ренессанс и открывает новые горизонты:
- Квантовый инжиниринг и суперкомпьютеры: Понимание точных траекторий частиц внутри квантовых симуляторов позволяет оптимизировать архитектуру кубитов. Это снижает уровень декогеренции (разрушения квантовых состояний) — главной проблемы современных квантовых процессоров.
- Гидродинамические квантовые аналоги (YDS-системы): Развитие макроскопических моделей, имитирующих поведение волны-пилота с помощью капель жидкости, обещает прорыв в понимании хаотических систем. Это может лечь в основу принципиально новых датчиков и гидродинамических вычислительных систем.
- Новая космология и квантовая гравитация: Применение уравнений Бома к ранней Вселенной позволяет обойти сингулярность Большого взрыва без привлечения экзотических сущностей. В перспективе это может стать мостом, объединяющим Общую теорию относительности Эйнштейна и квантовую механику в единую «Теорию всего».
Часто задаваемые вопросы (FAQ)
- Если механика Бома детерминирована, почему мы всё еще не можем предсказать всё со 100% точностью?
Ограничение кроется не в природе Вселенной, а в наших возможностях. Чтобы рассчитать точную траекторию частицы, нам необходимо знать её начальное положение с абсолютной точностью. Однако любое измерение неизбежно вносит погрешность (согласно распределению квантовой вероятности). Физика Бома детерминирована на уровне самой реальности, но остается вероятностной на уровне наших измерений. - Нарушает ли нелокальность Бома теорию относительности Эйнштейна?
Формально — нет. Хотя квантовый потенциал передает информацию о состоянии системы мгновенно (быстрее скорости света), эту нелокальную связь невозможно использовать для передачи полезных сигналов или сообщений человеком. Таким образом, причинность в макромире и постулаты Специальной теории относительности остаются в безопасности. - Чем механика Бома отличается от Многомировой интерпретации Эверетта?
Интерпретация Хью Эверетта предполагает, что при каждом квантовом выборе Вселенная расщепляется на бесконечное множество параллельных миров, в каждом из которых реализуется свой сценарий. Механика Бома обходится одной-единственной Вселенной. Вместо создания новых миров она использует волну-пилот, которая просчитывает все вероятности, но направляет реальную частицу по одному конкретному, физически существующему пути. - Какая интерпретация «правильная» — Копенгагенская или Бома?
С точки зрения математических результатов обе теории дают абсолютно идентичные предсказания для большинства известных экспериментов. Выбор между ними сегодня — это скорее вопрос научной эстетики и философии. Копенгагенский подход выбирает более простую математику ценой отказа от объективной реальности. Подход Бома выбирает понятную реальность ценой усложнения уравнений и признания мгновенных связей во Вселенной.
Эта тайна — сознание.
Источник: https://nplus1.ru/
