Если мы найдём ответ на самый сложный вопрос квантовой теории, возможно, это позволит нам переосмыслить само понятие «реальности»
Летом 2025 года физики собирались на немецком острове Гельголанд, чтобы отметить 100-летие создания квантовой механики. За столетие, прошедшее после теоретического шедевра Вернера Гейзенберга — созданного им как раз во время выздоровления от сенной лихорадки на этом острове, — эта теория стала ещё более точной в своих описаниях и успешной в применении. Благодаря таким технологиям, как квантовые компьютеры, мы стоим на пороге революции, которая обещает привнести квантовый мир во многие аспекты нашей жизни.
Однако до сих пор нет единого мнения о том, что всё это означает — о том, что квантовая механика может рассказать нам о фундаментальной природе реальности. Рассмотрение этого вопроса переносит нас из области физики в сферу философии. Хотя физики лучше всего подходят для разработки и расширения математических основ квантовой теории, а также для разработки экспериментов по её проверке, для концептуального осмысления полученных результатов нужны философы от физики: именно они обладают инструментами, позволяющими поместить эти основы в контекст и вписать их в целостную картину реальности.
Давние споры
Тем не менее, физики и философы не могут прийти к единому мнению даже по поводу базовых вещей. Среди философов от физики, да и среди некоторых физиков, часто звучит мнение, что в учебниковой формулировке квантовой механики существует «проблема измерения» — чрезмерный акцент на роли наблюдателей и их наблюдений, который не даёт даже начать отвечать на вопросы о связи этой теории со структурой реальности. Многие физики с этим не согласны: некоторые даже утверждают, что именно акцент на наблюдателях является ключом к раскрытию более глубокого смысла квантовой механики.
Эти два лагеря по‑прежнему воюют друг с другом. Но, возможно, есть способ примирить их — переосмыслив связи между идеями, которые существуют уже более полувека.
Разногласия относительно сути квантовой механики начинаются с её описания физических систем с помощью «волновых функций», которые присваивают вероятности множеству возможных значений измеримых свойств системы — например, таких, как её положение. Повторные измерения одной и той же квантовой системы дают диапазон результатов в соответствии с вероятностями, заложенными в волновой функции. Стандартное объяснение происходящего опирается на копенгагенскую интерпретацию — подход, отстаивавшийся Гейзенбергом и датским физиком Нильсом Бором в первые годы развития квантовой теории. Согласно ей, у свойств физических объектов отсутствуют определённые значения до тех пор, пока объекты не вступают во взаимодействие с внешним наблюдателем или измерительным прибором. Это взаимодействие между наблюдателями и квантовыми системами имеет решающее значение для формирования определённой реальности. Обычно это явление описывается как «коллапс волновой функции», хотя Бор и Гейзенберг скептически относились к интерпретации этого коллапса как подлинного физического процесса.
Копенгагенская интерпретация с самого начала вызывала споры. Нильс Бор и Альберт Эйнштейн, два титана физики, на протяжении десятилетий вели знаменитую дискуссию о её обоснованности, которая продолжалась вплоть до смерти Эйнштейна в 1955 году. Гораздо позже физик Джон Белл изложил [1] ряд возражений против интерпретаций квантовой механики, в которых измерение играло фундаментальную роль. Согласно этой точке зрения, наблюдатели и измерения — это неточные и субъективные понятия, не соответствующие фундаментальным физическим сущностям; они, скорее, возникают из сложного поведения более базовых сущностей и поэтому не должны упоминаться в фундаментальных физических законах.
На протяжении десятилетий предлагались альтернативные интерпретации квантовой механики, исключающие упоминание об измерениях или наблюдателях из фундаментального описания квантового мира. Существуют, например, теории спонтанного коллапса, в которых волновые функции коллапсируют в определённые версии реальности независимо от какого‑либо наблюдателя или процесса измерения [2, 3]. А интерпретация «множества миров», впервые предложенная [4] физиком Хью Эвереттом в его докторской диссертации в Принстонском университете в Нью‑Джерси в середине 1950-х годов, предполагает, что наблюдатели не вызывают коллапс волновой функции в момент измерения. Вместо этого они попадают в одну из нескольких параллельных вселенных, соответствующих возможным исходам, закодированным в волновой функции. Проводя измерение, наблюдатели не играют никакой фундаментальной роли в создании реальности, а лишь выбирают свой путь через неё.
У этой идеи много противников, не в последнюю очередь потому, что потенциально бесконечное число параллельных вселенных кажется расточительным решением проблемы измерения. Однако доминирующей точкой зрения среди философов стало мнение, что только отталкиваясь от «объективных», свободных от наблюдателя математических моделей и вырвавшись из тисков (по их мнению) запутанной и сбивающей с толку копенгагенской интерпретации, мы сможем начать делать конкретные выводы о том, что квантовая механика говорит нам о фундаментальной природе Вселенной (или, если верна теория множественных миров, мультивселенной) [5, 6].
Однако многие физики, занимающиеся фундаментами квантовой теории, придерживаются противоположной точки зрения: хотя в копенгагенской интерпретации и нет абсолютной истины, квантовая механика действительно заставляет по‑новому переосмыслить роль наблюдателя в фундаментальных научных теориях. Согласно этой точке зрения, формулировки квантовой механики, приведённые в учебниках, не сталкиваются с «проблемой» измерения. В них наблюдатели и измерения занимают центральное место — но так и должно быть. Интересный вопрос заключается не в том, как избавиться от наблюдателей, а в том, как понять их роль и что это означает для взаимосвязи квантовой теории с миром за пределами наблюдателя.
Создание Вселенной
Несколько современных интерпретаций квантовой механики основываются на этой идее. К ним относятся квантовое байесианство, или QBism, которое интерпретирует квантовые состояния с точки зрения субъективных вероятностей, которые агенты присваивают событиям [7], а также подходы Антона Цайлингера [8] и Часлава Брукнера [9], квантовых физиков из Венского университета, которые подчёркивают центральную роль информации. Однако эта работа ведётся в основном без поддержки философов физики, которые по‑прежнему неохотно принимают то, что они считают основной ошибкой копенгагенской интерпретации и её производных: фундаментальную роль наблюдателей.
Одной из распространённых причин, объясняющих такое неприятие [6, 10], является то, что такой шаг можно было бы приравнять к принятию инструментализма: идеи о том, что теория не даёт истинного описания реальности, а является инструментом, позволяющим наблюдателям делать более точные предсказания о ней. Если цель состоит в том, чтобы понять фундаментальную природу реальности с помощью квантовой физики, то любая инструменталистская интерпретация, таким образом, является тупиком.
Инструментализм продвигался в ранние годы существования копенгагенской интерпретации — он явно прослеживается, например, в работах Гейзенберга. Однако сегодня физики чаще склоняются к реализму, рассматривая квантовую механику как попытку познать фундаментальную структуру реальности. По словам Кристофера Фукса, физика из Массачусетского университета в Бостоне и одного из создателей QBism, «в квантовой теории на карту поставлена сама природа реальности. Следует ли понимать реальность как нечто, совершенно невосприимчивое к нашим вмешательствам, или же следует рассматривать её как нечто, реагирующее на само существование людей?» [11]. С этой точки зрения привилегированный статус наблюдателей в создании реальности является отличительным утверждением квантовой механики.
Эта позиция имеет мало общего с инструментализмом. Однако она действительно следует по пути идеализма — философской концепции, согласно которой реальность в основном состоит из ментальных сущностей, таких как идеи. Современные философы науки решительно выступают против этой концепции, и эта позиция не является чисто догматической. Идеализм был доминирующей позицией на протяжении большей части 2500-летней истории западной философии и определял творчество влиятельных мыслителей — от Платона в Древней Греции до Джорджа Беркли, Иммануила Канта и Георга Вильгельма Фридриха Гегеля в XVIII и XIX веках. Отвергли его лишь в XX веке, после длительного ряда прорывов в физике, химии, молекулярной биологии и нейробиологии, которые установили молекулярную природу биологических процессов, развенчали многие представления о работе мозга и развеяли представления о «жизненных силах», которые якобы придавали жизнь инертной материи [12].
Квантовая физика сыграла огромную роль в формировании этой редукционистской, якобы объективной картины мира — той самой, на которую ссылается Белл в своей критике [1], — которая ясно показывает, что человеческие наблюдатели не являются фундаментальными сущностями. Поэтому может показаться странным, что всё больше физиков, занимающихся фундаментальными вопросами квантовой теории, склонны рассматривать наблюдателей именно как такие сущности.
Одна из выдающихся фигур физики XX века, Джон Арчибальд Уилер, упорно отстаивал этот подход. Среди работ Уилера — новаторские ранние исследования с Бором в области ядерного деления, а также значительный вклад в изучение общей теории относительности и чёрных дыр (термин, который как раз он и популяризировал), однако его вклад в фундаментальные основы квантовой механики, на мой взгляд, не получил должного признания. Кроме того, я считаю, что ключ к выходу из нынешнего тупика в понимании квантовой механики может заключаться в переосмыслении его идеи «соучаствующей вселенной» [participatory universe] — концепции, согласно которой реальность не является статичной, а формируется восприятием сознательных наблюдателей, — а также в мотивах, побудивших его выдвинуть эту идею.
В 1978 году Джон Уилер предложил [13] знаменитый мысленный эксперимент, посвящённый природе квантовой реальности. Он получил название «эксперимент с отложенным выбором» (delayed‑choice experiment). В одном из его вариантов Уилер рассматривает модификацию знаменитого опыта с двумя щелями. Поток отдельных электронов, фотонов, атомов или молекул — вообще любых объектов, подчиняющихся законам квантовой механики, — направляют на экран с двумя узкими щелями.
Если возле щелей установить детектор, то каждый объект проходит либо через одну щель, либо через другую, то есть ведёт себя как обычная частица. Но если никакого детектора у щелей не ставить, а регистрировать объекты только на втором экране, расположенном позади первого, то постепенно на этом экране возникнет интерференционная картина. Она выглядит так, словно каждый объект прошёл сразу через обе щели, распространился в виде волны, а затем интерферировал сам с собой.
В своём эксперименте с отложенным выбором Уилер предложил принимать решение о том, как именно измерять электрон или атом, только после того, как он уже пролетел через щели. И оказалось, что при таком подходе сохраняется та же самая двойственность поведения.
Получается, что выбор способа измерения, сделанный позже, каким‑то образом влияет на то, какой была реальность до этого. Уилер сделал из этого следующий вывод: «Нет никакого парадокса в том, что мы выбираем, что именно произошло, уже после того, как это якобы произошло. На самом деле событие ещё не произошло — оно не становится физическим явлением, пока не станет наблюдаемым явлением» [No phenomenon is a phenomenon until it is an observed phenomenon].
Эта мысль перекликается с известным утверждением Нильса Бора: реальность определяется тем, каким способом мы её измеряем. Позднее эксперимент удалось реализовать в лаборатории, и его результаты подтвердили выводы Уилера [14].
Идея Уилера о «соучаствующей вселенной» оказала влияние как на основы квантовой теории, так и на теорию квантовой информации — изучение того, как квантовые системы могут использоваться для решения задач обработки информации. Однако для меня особенно поучительно то, что он разработал и продвигал эту концепцию только после того, как был ярым сторонником совершенно иного подхода.
В 1950-х годах Уилер был научным руководителем Эверетта в Принстоне во время работы над докторской диссертацией, в которой тот разработал интерпретацию «многих миров». Уилер был настолько увлечён этой идеей, что даже убеждал Эверетта поехать в Копенгаген, чтобы лично обсудить её с Бором. Когда Эверетт отложил поездку, Уилер сам обсудил эту идею с Бором и его группой. Бор и другие утверждали, что Эверетт неверно понял копенгагенскую интерпретацию, которая не требовала никаких изменений.
На пути к примирению
Многие пытались объяснить, почему Уилер впоследствии отвернулся от предложения Эверетта и вместо этого начал развивать свою идею «соучаствующей вселенной»: возможно, это было проявлением уважения к его наставнику Бору или собственным навязчивым неудобством от идеи параллельных вселенных. Однако, на мой взгляд, эта предпосылка неверна. Уилер никогда полностью не отвергал интерпретацию Эверетта; он считал её совместимой со своей идеей «участвующей вселенной». По крайней мере на начальном этапе он не видел в теории «многих миров» противоречия с копенгагенской интерпретацией, как это стало восприниматься впоследствии.
Уилер рассматривал концепцию «множества миров» как основу, позволяющую дать квантовое описание всего пространства‑времени без обращения к внешней системе или наблюдателю, тем самым обеспечивая более прочную концептуальную основу для копенгагенской интерпретации. Когда в 1957 году диссертация Эверетта была опубликована в журнале «Reviews of Modern Physics» [4], Уилер написал сопроводительную статью, в которой высказал именно эту мысль, объяснив, что формулировка Эверетта «не стремится заменить традиционный формализм внешнего наблюдателя, а призвана дать новый и независимый фундамент для этого формализма» [15].
Если мы поймём, как это может работать, то, возможно, найдём способ выйти из тупика, в котором сегодня находятся философы и физики, и даже способ примирить, казалось бы, непримиримые позиции, уходящие корнями к Бору и Эйнштейну. С самого начала стоит подчеркнуть, что сторонники теории «соучаствующей вселенной» и теории «многих миров» во многом сходятся во мнениях. Обе теории утверждают, что в момент измерения нет необходимости в физическом процессе коллапса волновой функции. Обе теории также избавляют нас от необходимости в том, что Эйнштейн назвал «пугающим дальнодействием» — нелокальных эффектах, при которых изменения в состоянии одного квантового объекта мгновенно влияют на состояние другого, удалённого объекта.
И если интерпретация Эверетта является правильным способом применения квантовой механики к Вселенной и пространству‑времени в целом, тогда то, чего хотят философы — реальность, в которой наблюдатели сами по себе не являются фундаментальными, а возникают из чего‑то более базового, — может стать одним из возможных вариантов.
Если мы примем интерпретацию множества миров в качестве фундаментального описания реальности, то мы примем точку зрения, согласно которой существует нечто большее, чем просто наша реальность: гораздо больше, включая других наблюдателей в других ветвях эвереттовской мультивселенной. Мы не наблюдаем этих других наблюдателей; более того, согласно идеям Эверетта, мы не можем их наблюдать. Но, следуя точке зрения Уилера, вдохновлённой копенгагенской интерпретацией, нам не обязательно считать эти ненаблюдаемые системы частью нашей реальности — той реальности, которую мы создаём своими действиями «участия наблюдателя», включая наши измерения. Если это так, то копенгагенская и многомировая интерпретации квантовой механики, возможно, способны сосуществовать.
В 1970-х годах Уилер прямо рассматривал подобные идеи. В лекции, прочитанной им перед Американским физическим обществом под названием «Постижима ли Вселенная?», он говорит о том, что человечество имеет представление о Вселенной, «ограждённое несколькими железными столбами достоверных наблюдений», но в котором «большинство стен и башен в этом видении сделаны из папье‑маше, а промежутки между ними зашпаклеваны огромным трудом воображения и теории». Метафора с папье‑маше весьма показательна. Она предполагает, что существует мир, независимый от наблюдателя, но этот мир не является полностью реальным, обладающим всеми чертами мира, который мы воспринимаем. Мы можем признавать существование эвереттовской мультивселенной, одновременно осознавая особый статус тех элементов мультивселенной, которые мы сами можем наблюдать и с которыми можем взаимодействовать.
В последний день двухгодичного курса по квантовым измерениям, который Уилер читал в 1977–1979 годах, он оставил классу доску, заполненную вопросами и афоризмами. Последней фразой на доске было: «Философия слишком важна, чтобы оставлять её на откуп философам» [16]. Действительно, философия сама по себе не способна достичь глубокой истины о фундаментальной реальности. Философы физики должны прислушиваться к физикам и учиться у них — не только о математической структуре их теорий, но и об их смысле, даже когда эти теории, казалось бы, указывают на такие представления о реальности, которые могут вызывать дискомфорт.
Философам не следует характеризовать Бора, Уилера и их интеллектуальных последователей как инструменталистов, которые не считают, что квантовая механика описывает глубинную природу реальности. Более правильным способом интерпретации их идей является то, что они требуют новой концепции значения термина «реальность». Это могло бы стать первым шагом на пути к примирению физиков и философов, возвращению их к диалогу с целью осмысления концептуальной основы, которая в ближайшие годы может стать неотъемлемой частью нашей жизни.
Ссылки
1. Bell, J. Phys. World 3, 33–40 (1990).
2. Ghirardi, G. C., Rimini, A. & Weber, T. Phys. Rev. D 34, 470–491 (1986).
3. Pearle, P. Phys. Rev. A 39, 2277–2289 (1989).
4. Everett III, H. Rev. Mod. Phys. 29, 454–462 (1957).
5. Albert, D. Z. Quantum Mechanics and Experience (Harvard Univ. Press, 1994).
6. Maudlin, T. Philosophy of Physics: Quantum Mechanics (Princeton Univ. Press, 2019).
7. Fuchs, C. A., Mermin, D. & Schack, R. Am. J. Phys. 82, 749–754 (2014).
8. Zeilinger, A. Nature 438, 743 (2005).
9. Brukner, C. Nature Phys. 16, 1172–1174 (2020).
10. Becker, A. What is Real? (Basic, 2018).
11. Fuchs, C. in Information and Interaction (eds Durham, I. T. & Rickles, D.) 113–134 (Springer, 2017).
12. Papineau, D. in Physicalism and its Discontents (eds Gillett, C. & Loewer, B.) 3–36 (Cambridge Univ. Press, 2001).
13. Wheeler, J. A. in Mathematical Foundations of Quantum Theory (ed. Marlow, A. R.) 9–48 (Academic, 1978).
14. Ma, X., Kofler, J. & Zeilinger, A. Rev. Mod. Phys. 88, 015 005 (2016).
15. Wheeler, J. A. Rev. Mod. Phys. 29, 463–465 (1957).
16. Misner, C. W., Thorne, K. S. & Zurek, W. H. Phys. Today 62, 40–46 (2009).
