Только представьте себе странность подобной ситуации. Предположим, у вас есть два одинаковых маленьких шарика. Один – на Земле, а второй – вы каким-то необычным образом забросили в Туманность Андромеды. Как только вы закрутите шарик здесь, тот, который в другой галактике, моментально начнёт крутиться с той же скоростью, но в противоположном направлении. Напомню, что расстояние от нас до Туманности Андромеды луч света способен преодолеть лишь за 2.5 миллиона лет. Неужели информация может распространяться быстрее света?

Нет, постулаты теории Эйнштейна не нарушаются. Запутанность квантового состояния не позволяет отправить информацию и энергию на другой конец Вселенной из-за принципа запрета Паули⁷. Он утверждает, что две взаимосвязанные частицы в одной системе не могут существовать в одном состоянии. Хотя, по факту, взаимозависимость партнёров проявляется именно со сверхсветовой скоростью. Информационная связь частиц является очень прочной и мгновенной. Доказано, что она не зависит от пространства, времени и скорости света.

Поразительно осознавать, что, согласно квантовой механике, что-то, что вы делаете здесь и сейчас, может быть мгновенно связано с тем, что происходит на другом краю Вселенной. Два объекта могут быть разделены космологическим расстоянием и всё же быть не полностью независимыми друг от друга. Их объединяет квантовая связь.

Мы знаем, что классическая система всегда делится на части. Её общие свойства зависят от свойств составляющих компонентов.

Запутанная система совершенно другая. Её невозможно разделить. Запутанные частицы, разделённые огромным расстоянием в пространстве, связывают весь космос в единое целое.

Получается, что такие главные категории классической физики, как пространство и время, неожиданно уходят на дальний план.

Главным фактором структуры реальности оказывается запутанность квантовых состояний. Для поддержания связи между квантовыми системами пространство и время не нужно. За этим выводом следуют чрезвычайно глубокие последствия.

Если классическая теория вторична, то мы просто вынуждены рассматривать пространство и время как категории, выводимые из другой физики. Более фундаментальной. Такой физики, где пространство и время отсутствуют.

Теперь на время вернёмся к нашему коту в коробке, чтобы понять ещё один базовый постулат квантовой механики – принцип Суперпозиции.

Из эксперимента Шрёдингера следует вывод о том, что пока наблюдатель не откроет коробку, кот будет одновременно пребывать в состоянии «жив-мёртв». С точки зрения классической физики такие альтернативные, взаимоисключающие состояния не могут быть реализованы одновременно. Кот либо жив, либо мёртв, но никак не комбинация того и другого.

Однако, в квантовой физике у объекта может быть парадоксальное объединённое состояние «жив-мёртв», то есть ни то, ни другое, а как бы между ними. Именно такое положение называется Суперпозицией.

В реальном мире мы не наблюдаем «мёртво-живого» кота, но в квантовой реальности это возможно. Именно взаимозависимость частиц в Суперпозициях приводит к их запутанности.

Суть в том, что состояния квантово-механической системы являются векторами. Поэтому их можно складывать и умножать. Значит, возможна любая комбинация этих состояний. Принцип Суперпозиции объясняет каким образом объект «одновременно» находится в разных местах.

Каким образом частица покидает состояние Суперпозиции и проявляется в классическом мире?

Обычно люди думают, что частицы похожи на маленькие шарики. Но это совсем не так.

Скорее они напоминают небольшие облачка.

Наиболее вероятно «отловить» частицу, обнаружить её во время измерения в самой «плотной» части облачка. Конечно, это условное описание для наглядности. Никаким бесформенным объектом частица в реальности не является.

Она вообще не объект в общепринятом понимании этого термина. Дело не в том, что мы не знаем координаты частицы. Их просто не существует в принципе. Частицы нужно рассматривать как возбуждения квантового поля.

В 1926 году Макс Борн⁸ предположил существование в природе так называемой волны вероятности. Её невозможно увидеть или измерить. Она простирается через всё пространство Вселенной. Волна вероятности представляет собой функцию координаты частицы. Борн назвал её волновой функцией.

Квадрат этой функции определяет вероятность обнаружения частицы в том или ином месте пространства. Отдельную частицу можно обнаружить только в одном месте. Но распределение множества частиц по разным местам подобно волне. Волновая функция определяет вероятность попадания частицы в одно из этих мест. Пик волны – это точка максимальной вероятности, указывающая, в каком месте пространства скорее всего окажется частица. С течением времени пик волны смещается в пространстве в соответствии с математическим уравнением, предложенным Шрёдингером. То есть, в квантовом мире частица ведёт себя подобно волне.

Суперпозиция квантовых состояний распространяется не только на отдельную частицу, но и на их группу. Поскольку частицы спутаны между собой, то волновая функция Суперпозиции всей квантовой системы одновременно описывает качества каждой частицы, её составляющей.

Суперпозиция распадается в тот момент, когда вы измеряете, или, если угодно, наблюдаете положение частицы. Открыв коробку, вы увидите живого или мёртвого кота. Аналогично, частица моментально среагирует на акт наблюдения и займет определённое место в пространстве.

Разумеется, вы не в буквальном смысле слова смотрите на частицу, а измеряете её положение. Её волна вероятности в этом месте поднимается на самый пик, достигая ста процентов, а во всех остальных местах коллапсирует. Каждый раз при взгляде на вероятностную неопределённость, она «схлопывается», превращаясь в привычную реальность.

При наблюдении волны вероятности она мгновенно коллапсирует везде, кроме одного выделенного места. Таким образом, реальность базируется на вероятностных волнах, при этом увидеть их невозможно, потому что сам акт наблюдения разрушает подобный план.

Волновая функция уничтожается самим актом наблюдения и объект становится реальным. Соответственно, главное предназначение волновой функции заключается в том, что она позволяет нам узнать точную вероятность обнаружения объекта в конкретном состоянии.

Физики сегодня в целом понимают механизм преобразования вероятностного квантового мира в привычный нам материальный. Однако, к сожалению, по-настоящему глубокого осознания того, что представляет собой волновая функция, нет.

Сложность в том, что не ясно, почему и каким образом частица «выбирает» единственный из множества вариантов будущего. Совершенно непонятно вследствие чего из бесконечного числа альтернатив реализуется именно «наше» Мироздание.

В 1952 году Дэвид Бом⁹ выдвинул идею причинной интерпретации квантовой механики. Учёный предположил, что, помимо волновой функции, во Вселенной существуют дополнительные «скрытые» переменные.

Всё неопределённое – на самом деле чётко определено. Реальность – реальна. И Природа прекрасно знает значения этих «скрытых» переменных. И частица тоже знает. А вот люди – нет.

По мнению Бома, электрон находится в строго определённом месте, а волновая функция как бы направляет частицу в разные стороны, определяя её колебательные движения. Никакого коллапса волновой функции нет, и она никуда не исчезает. Делая измерения, мы просто обнаруживаем место, где всё это время находилась частица. Но мы не знаем, какая она сейчас и какая будет в следующее мгновение. Однако, всё же влияем на неё самим актом своего наблюдения.

Базовая волна, или, говоря по-другому, квантовый потенциал Мироздания исходит из «скрытой», недоступной обычному наблюдению области Вселенной и направляет поведение частиц в нашем мире.

Глубинный уровень реальности Бом назвал «скрытым» порядком, где состояния частиц строго закодированы. Наша реальность или «явный» порядок основывается на «скрытом» и происходит из него.

При таком подходе, странное поведение частиц является не более, чем поверхностным человеческим восприятием. На самом деле оно организовано на глубинном уровне и определяется квантовым потенциалом. Вселенная во всех пространственных масштабах является квантовой. Классическая физика просто является удобным приблизительным описанием природы.

Может ли быть, что вся Вселенная является частью огромной сверхволновой функции? Теоретически, да.

Поскольку каждая частица связана с волной, то последняя обладает информацией о вероятности обнаружения частицы в любой точке. Ранняя Вселенная в момент Большого Взрыва была микроскопической. Этот момент характеризуется максимальным переплетением всех сил и энергий. Если сегодня частица способна существовать одновременно во многих состояниях, то можно допустить, что когда Вселенная сама была размером, сопоставимым с размером частицы, то она тоже существовала во многих состояниях. Именно такое исходное положение может описывать гипотетическая сверхволновая функция.

Интересно, что при таком подходе внутри Вселенной наблюдатель не нужен. А снаружи? Это вопрос.

Во всяком случае, понятно, что сверхволновая функция может существовать только в весьма отличном от нашего «сверхпространстве». Логично допустить, что в таком мире в принципе допустимо присутствие «сверхнаблюдателя».

Акт наблюдения вообще является неотъемлемой частью квантовой механики именно как катализатор выделения реального события из общей неопределённости. До того, как кто-либо измерит положение частицы, бессмысленно спрашивать, где она находится. Она никогда не занимает никакого определённого места. Оно возникает лишь тогда, когда на частицу кто-то «смотрит». До и после наблюдения она имеет лишь потенциальное положение, определяемое волной вероятности.

Важно понять суть данного вывода. Ошибочно думать, что частица имеет какое-то положение, а мы просто не можем его определить, пока не «посмотрим». Никакого «места тайного пребывания» нет. Увидев частицу, мы не фиксируем ранее объективно существующий «кусочек» реального мира. Мы эту реальность создаём сами актом своего наблюдения. И это просто поразительно.

Квантовая механика требует присутствия наблюдателя. Сама по себе она не предсказывает единственного результата наблюдения. Она предлагает множество сценариев. При этом определяет вероятность реализации каждого из них. Но сами события становятся реальными и покидают квантовую неопределённость лишь под влиянием наблюдения.

Здесь существует большая проблема – квантовая механика не может объяснить, как будет выглядеть мир в наше отсутствие. Это умозаключение порождает удивительные вопросы. Если дерево упадёт в лесу, где его никто не наблюдает, то произведёт ли оно грохот? Если вы повернулись спиной к дереву и не смотрите на него, продолжает ли оно пребывать в реальном мире или его волна вероятности расплывается? Остался ли лес на своём месте, когда вы отвернулись?

Ещё одной проблемой квантовой теории является вопрос разделения мира.

Допустим, вы производите измерение частицы в лаборатории. Я, в свою очередь, в это время наблюдаю за вами со стороны через стекло из соседней лаборатории. С вашей точки зрения, между вами и наблюдаемой частицей можно провести разделительную линию. Вы и частица – две независимых, отдельных системы. На ваш взгляд.

Однако, для меня, как для стороннего наблюдателя, и вы, и частица и вся ваша лаборатория являются единой системой. С моей точки зрения.

Получается, что вы и я описываем две разные грани реальности. То, что вы рассматриваете как измерение вами частицы, я расцениваю как две взаимодействующие физические системы – частицу и вас. И непонятно, мнение кого из нас, в принципе равноценных наблюдателей, более «правильное». Кто наблюдает «по-настоящему верно», вы или я?

Любую квантовую систему невозможно измерить, не нарушив её состояния. Чем больше информации извлечено при измерении, тем сильнее нарушение. Правильное описание квантового измерения должно включать в себя не только измеряемый объект и измерительное устройство, но и наблюдателя. Особенно интересным представляется соображение, что даже не просто наблюдателя, а его сознания, в котором отображается результат измерения. Может быть, критически важным является не просто наблюдение, а именно осознанное наблюдение?

В этой связи, наиболее принципиальной проблемой квантовой механики является вопрос о том, что значит «правильно» наблюдать.

Обязательно ли в качестве наблюдателя должен выступать человек? Или, как указывал Эйнштейн, достаточно беглого взгляда мыши. А, может, хватит воздействия бактерии для того, чтобы волновая функция «схлопнулась».

Если же необходимо обязательное участие разума, то какое именно существо можно назвать допустимым наблюдателем?

Например, является ли таковым робот или специально настроенная «смотрящая на космос» компьютерная программа?

Кто наблюдал Вселенную до момента появления разумного человека на Земле? Внеземной интеллект или гипотетическое «чистое сознание»?

Наконец, что произойдет с миром, когда в очень далёком будущем существование любого наблюдателя станет физически невозможным из-за разрушения материи?

Есть ли разница между тем, что «знает» Природа и тем, что «знает» наблюдатель? Например, в случае кота Шрёдингера представляется очевидным, что, когда экспериментатор еще «не знает» жив кот или нет, Природа или какой-то «истинный сверхнаблюдатель» уже должны точно «знать». Это очень важный философский вопрос.

Глубокий подход к пониманию квантовой механики предложил Ричард Фейнман.

Представьте себе, что вам надо пересечь комнату по оптимальному маршруту. Для решения этой несложной практической задачи в классическом мире вы просто пойдете по кратчайшему пути от точки А до точки В.

В квантовом мире такой подход неприемлем. В нём вы должны учесть все возможные пути, соединяющие А и В. Не просто прямые, удобные, оптимальные, кратчайшие дороги, а буквально все. Все внутрикомнатные и внутридомовые, внутрирайонные и внутригородские траектории, вообще все возможные варианты прохождения по Земле, в том числе через Северный Полюс и вершину Эвереста. Но это только начало.

Квантовая теория распространяется на всю Вселенную. Поэтому вы должны учесть также пути, которые ведут вас из одного конца комнаты в другой через Луну и Марс, ближайшую звезду и центр Млечного Пути, через Туманность Андромеды и даже те, которые распространяются назад во времени вплоть до момента Большого Взрыва.

Неважно, что практически все эти маршруты кажутся вам необычными, дурацкими, нереальными, противоречащими «здравому смыслу» и «житейскому опыту». По законам квантового мира надо учесть все пути без какого-либо исключения.

Рассмотрев такой сценарий, Фейнман проделал сложнейшие вычисления, называемые функциональным интегрированием. Он приписал каждому пути определённую математическую величину. Сложение величин всех возможных путей дало вероятность перехода из точки А в точку B в соответствии с постулатами квантовой механики. Проще говоря, учёный произвел математическое суммирование всех возможных траекторий.

Итог, полученный Фейнманом, оказался поистине поразительным. Выяснилось, что сумма величин, включающих пути, большинство из которых прямо нарушают законы Ньютона и Эйнштейна, в среднем уравновешивалась и давала очень небольшое число. Но, самое главное заключалось в том, что наибольшей итоговой величиной обладал тот самый первый путь на основе классической физики, когда вы просто не задумываясь пересекаете комнату по оптимально короткому маршруту.

Это чрезвычайно важный научный результат.

Получается, что путь, основанный на «здравом смысле», является наиболее вероятным с точки зрения квантовой механики.

Говоря по-другому, как бы странно это ни казалось, каждый раз просто идя по комнате, вы каким-то неведомым образом сопоставляете и исследуете все пути, ведущие к далёким звёздам и Большому Взрыву, суммируете их, и останавливаете свой выбор на наиболее вероятном. Причём путь, который привел бы вас прямиком в другую галактику, отклонён от классического на очень незначительную величину. Но, на наше счастье, эта дорога очень маловероятна, иначе все земляне уже давно бы разбрелись по просторам Вселенной.

И это не фантастическая гипотеза. Это сама природа квантовых флуктуаций, представляющих пути, сумма которых весьма мала.

Проверенные математические способы формулировки квантовой теории сегодня базируются именно на интегралах по траекториям. Поэтому можно утверждать, что наше представление о реальности, основанное на «здравом смысле», на поверку оказывается всего лишь наиболее вероятным состоянием из бесконечного числа возможных.

В мире очень немного людей, кто понимает квантовую механику на интуитивном уровне, то есть улавливает самую суть того, что в действительности происходит вокруг нас. И это вполне объяснимо, так как такое понимание практически полностью разрушает привычное представление о реальности.

Сужу по собственному опыту. Чем больше я стал разбираться в квантовой механике, тем нелепее она для меня выглядит. Но верность этой теории неоднократно измерена с высочайшей точностью. Несмотря на кажущуюся абсурдность, она является самой точной физической теорией в современной науке.

Мне почему-то кажется, что дальнейшее развитие квантовой физики, неизбежно приведёт к ещё более потрясающим результатам. Наука только начинает разбираться в истинной структуре Мироздания. Не удивлюсь, если более совершенная теория будет ещё сильнее противоречить «здравому смыслу».

Если вы мало что поняли, прочитав эту главу, не переживайте – именно так и должно быть.

Квантовая механика по своей сути не приспособлена к осознанию именно человеческим мозгом. Наш организм эволюционирует в классическом мире, мир лёгких частиц – не наш. Поэтому в квантовой теории немудрено запутаться даже самому проницательному читателю. В этом вы равны, например, тому же Эйнштейну. Главное в другом. Для понимания квантовой физики совершенно не обязательно вызубрить соответствующие уравнения, надо стремиться интуитивно уловить её принципы. А это большая проблема.

Чёткого понимания ни природы Реальности, ни реальности Природы у нас пока что нет.