Мое любимое неприятное элегантное объяснение: квантовая теория

Рафаэл Буссо

Профессор теоретической физики Калифорнийского университета в Беркли

Наверное, о моих любимых объяснениях уже пишут другие авторы, которые раньше взялись за выполнение домашнего задания. Хотя я и физик-теоретик, но запросто мог бы выбрать теорию Дарвина. Ближе к области моих научных интересов – теория относительности. Вывод Эйнштейна о том, что невесомость представляет собой свойство самого пространства-времени, окончательно раскрыл великую тайну (почему гравитация действует одинаково на любые тела). Поэтому, для разнообразия, я внесу некоторое уточнение и обращусь к моему любимому неприятному элегантному объяснению – квантовой теории.

Трудно представить другое объяснение, которое имело бы такое же широкое применение, как революционная теория квантовой механики, созданная в первой четверти XX века. Почему атомы стабильны? Почему горячие предметы светятся? Почему я могу провести рукой по воздуху, но не могу просунуть ее сквозь стену? Какая энергия питает Солнце? Странные механизмы квантовой механики составляют основу нашего поразительно точного, количественного обоснования этих и многих других явлений.

Квантовая механика – действительно странная теория. Электрон может выбрать любую траекторию между двумя положениями, в которых его можно обнаружить, и бессмысленно выяснять, какую именно. Мы должны принять без объяснений, что невозможно одновременно определить импульс и положение электрона. На какое-то время мы должны были даже поверить, что существуют два разных закона для времени: уравнение Шрёдингера описывает ненаблюдаемое время, но при попытке измерить время вторгается таинственный «коллапс волновой функции». Последний, предполагавший, что разумный наблюдатель может воздействовать на фундаментальный закон физики, был вытеснен позднее концепцией «декогерентности». Воздух и свет в помещении, в классической физике практически не влияющие на точность измерения, в корне меняют описание любого объекта в квантовой механике, если он не был тщательно изолирован от своего окружения. Это тоже странно. Но проведите вычисления, и вы убедитесь, что так называемый коллапс волновой функции не нужно было постулировать как самостоятельное явление. Так или иначе, он вытекает из уравнения Шрёдингера, раз уж мы принимаем во внимание роль окружения.

Квантовая механика причудлива, но это не значит, что она неверна. Судьей выступает природа, и эксперименты подтверждают многие из наиболее экстравагантных особенностей теории. Квантовая механика не лишена элегантности – это довольно простая концепция с широкими возможностями давать объяснения явлениям. Но вот что меня тревожит: мы не уверены в том, что квантовая механика ошибочна.

Многие великие теории физики содержат в себе зачатки собственного опровержения. Это прекрасное качество. Оно намекает на будущие выдающиеся открытия и революционные концепции. В один прекрасный день красивое объяснение, которое изменило наше представление о Вселенной, заменит другое, еще более основополагающее открытие. Количественно новая теория должна соответствовать старым экспериментальным данным. Но качественно она должна основываться на новых концепциях, позволяя задать немыслимые до сих пор вопросы и получить на них ответы.

Ньютон, например, был обеспокоен тем, что его теория гравитации предполагает мгновенное взаимодействие на сколь угодно далеком расстоянии. Общая теория относительности Эйнштейна разрешила эту проблему и в качестве побочного продукта оставила нам подвижное пространство-время, черные дыры и расширяющуюся Вселенную, которая, возможно, имела отправную точку.

Общая теория относительности, в свою очередь, всего лишь обычная теория. Она основывается на заведомо ложной предпосылке, что импульс и положение могут быть определены одновременно. Это прекрасно подходит для яблок, планет и галактик – крупных объектов, для которых силы тяготения имеют существенно большее значение, чем для мельчайших частиц квантового мира. Но в принципе теория неверна. В ней есть зачаток опровержения. Общая теория относительности не может быть последним словом в науке, а только приближением к более общей квантовой теории гравитации.

Но как обстоит дело с самой квантовой механикой? Где ее слабое место? Поразительно, но неизвестно, есть ли оно вообще. Само название основной задачи теоретической физики – квантование общей теории относительности – не оставляет надежды на сохранение квантовой теории в неприкосновенности. Теория струн, на мой взгляд, наиболее удачное, хотя и неполное, решение поставленной задачи на сегодняшний день – это чистая квантовая механика, без каких бы то ни было изменений по сравнению с концепцией, доведенной до завершения Гейзенбергом, Шрёдингером и Дираком. На самом деле, математическая строгость квантовой механики с трудом поддается каким-либо изменениям, – нужны ли они или нет с точки зрения исследователя.

Тем не менее существуют робкие намеки, что квантовую механику ждет судьба предшествующих теорий. Самое интересное, по-моему, – это фактор времени. В квантовой механике время служит важным эволюционным параметром. Но в общей теории относительности время – всего лишь одно из свойств пространства-времени, концепция, из которой, как мы знаем, есть исключения, и она рушится глубоко внутри черной дыры. Трудно представить, как может работать квантовая механика там, где время больше не имеет значения. Если квантовая механика представляет опасность для общей теории относительности, то существование исключений предполагает, что общая теория относительности также угрожает квантовой механике. Разворачивающаяся битва обещает захватывающее зрелище.