Кот Шрёдингера

В своей «классической» версии, как замечал Ролан Барт, «научному языку надлежит быть предельно нейтральным и прозрачным». Он, насколько возможно, объективен и целиком поставлен на службу содержанию. В противоположность литературному языку, он должен описывать объект изучения наиболее универсальным образом. В действительности же, как писал университетский преподаватель Дэвид Локк в своем трактате «Наука как сочинительство»: «История, рассказываемая наукой, всегда правдива, но это никогда не истинная история и всегда не более чем история». Язык научной формулировки участвует в отображении мира. Прежде всего потому, что всякая научная публикация содержит, по словам сэра Питера Медавара (нобелевского лауреата по медицине 1960 года), «точно рассчитанную дозу лицемерия». Имеется в виду отбор результатов и форма их подачи, последовательность цитирования работ и упоминаний их авторов — одним словом, вся организация статьи в соответствии с канонами журнала, ее печатающего. А также потому, что, как выразился физик Эрвин Шрёдингер, «всякое открытие, даже самое эзотерическое и авангардистское, теряет свой смысл вне культурного контекста»: атом Лукреция — совсем не то же самое, что атом Дальтона, который, в свою очередь, не то же самое, что атом Бора, и уж тем более отличен от атома Шрёдингера. И наконец, потому, что некоторые научные работы вдруг, вопреки воле автора, приобретают неожиданный размах, увлекая читателя в область мифа. История про кота Шрёдингера хотя и не очень распространена, но представляет в этом отношении типичный случай.

В известном смысле она родилась из дискуссии о природе атома и элементарных частицах материи. Идея в общих чертах знакома всем. В центре шарик, вокруг — несколько колец. Вдоль одного из них вращается другой шарик, поменьше. Все вместе и есть атом. Эдакая миниатюрная Солнечная система, солнце которой — ядро, а планета-электрон удерживается на орбите силой электрического притяжения. Новозеландский физик Эрнст Резерфорд изобразил его в таком виде в начале XX века после знаменитого эксперимента, когда альфа-частицы (ядра гелия), бомбардирующие тонкий золотой лист, значительно отклонялись от прямолинейной траектории, а иногда и вовсе летели в прямо противоположном направлении, отбрасываемые назад ядрами атомов золота. Уже через семь лет эта модель дышала на ладан, а в конце 1920-х ее благополучно похоронили, хотя до сих пор о ней рассказывают в школе и она остается прочно связанной с привитыми нам представлениями об атоме. Почему же «квантовый» атом, который должен был прийти на смену, так и не вышел за пределы узкого круга специалистов? Именно потому, что его нельзя представить себе, пользуясь привычными образами. Физик Фриц Рорлих справедливо заметил, что «в языке нет слов для квантового мира». Нет и подходящих картинок. Как изобразить нечто, походящее то на волну, то на частицу, а чаще всего — ни на то ни на другое и нисколько не напоминающее что-либо знакомое нам по повседневному опыту? Это невозможно и, более того, прямо противоречило бы традиционному механистическому образу планетарной модели.

Электрон — ни волна, ни частица, — равно как и вся другая составляющая материи, после 1930 года описывается «волновой функцией» (ψ), указывающей, что он как-то проявляет себя в некоей области пространства с более или менее заметной вероятностью. И только в момент наблюдения, то есть измерения, эта волновая функция, представляющая собой каталог, или суперпозицию, всех возможных состояний электрона, как будто сводится к одной-единственной возможности, или к одному единственному состоянию. Физики называют это явление редукцией вектора состояния, и именно оно ответственно за парадокс кота Шрёдингера.

Австриец Эрвин Шрёдингер (1887–1961) — один из пионеров квантовой механики, потрясшей всю физику XX века. Он был философом в не меньшей степени, чем физиком, и считал, что целью всякой науки и показателем ее ценности является ответ на вопрос «Кто мы такие?». Обладая необыкновенно плодотворным умом, в 1944 году он написал книгу «Что такое жизнь?», оказавшую глубокое влияние на создателей молекулярной биологии. Путем аализа связей микроскопического и макроскопического он пришел к гипотезе, что атомы наследственности представляют собой апериодические кристаллические структуры. Среди читателей его книги были и будущие первооткрыватели двойной спирали ДНК.

Но по сути его работы посвящены, во-первых, построению квантовой механики, а во-вторых, — скрытому в ней смыслу. Что такое материя, или, точнее, как наше сознание представляет себе материю? Этот вопрос неотступно преследовал австрийского физика. Обильную пищу для размышлений ему дала опубликованная Эйнштейном в 1935 году статья, в которой вопрос о законности квантовой механики ставится в свете проблемы измерений. По мнению Шрёдингера, функция ψ (ее называют «пси-функция») описывает реальность единой системы. В глазах Эйнштейна — напротив: она дает статистическое описание совокупности систем, и он будет придерживаться этой точки зрения до последнего вздоха.

В последовавшей переписке, датированной августом 1935 года, видно столкновение двух метафор. обозначившее природу меняющейся парадигмы.

Предположим, — пишет Эйнштейн Шрёдингеру, — что системой является некое вещество в состоянии неустойчивого химического равновесия, например бочка пороха, которая может в любой момент взорваться из-за внутренних сил и среднее время жизни которой порядка одного года. В принципе эту систему очень легко представить в квантовой механике. Вначале ее волновая функция характеризует ее состояние как полностью определенное. Но из твоего уравнения следует. что по происшествии года это будет уже не так. Пси-функция будет описывать своего рода смесь, включающую систему, еще не взорвавшуюся, и систему, которая уже взорвалась. Самая искусная интерпретация не позволит преобразовать эту функцию в адекватное отражение реального положения вещей.

В ответном письме Шрёдингер возражает:

В изолированной комнате находится счетчик Гейгера и малое количество урана — настолько малое, что в течение следующего часа вероятность деления одного атома в точности равна вероятности, что ни один атом не распадется. Промежуточный размножитель устроен так, что деление единственного ядра приводит к разрушению склянки, содержащей синильную кислоту. Это склянка и еще — прискорбное обстоятельство — некий кот также находятся внутри комнаты. Тогда по прошествии часа пси-функция всей системы будет содержать смесь в равных долях мертвого кота и кота живого, sic venia verbo[35].

Отсюда возникает проблема квантового измерения. Нужно в тот или иной момент произвести редукцию волнового пакета, то есть перейти от суперпозиции двух состояний (мертвого кота и живого кота) к одному-единственному.

Очевидно, есть только два решения. Первое, идеалистическое, долгое время защищали Юджин (Ойген) Вигнер и Джон (Янош) фон Нейман; оно заключается в том, что суперпозиция состояний исчезает в тот момент, когда наблюдатель заглядывает в комнату в окошко. Если же предположить, что по каким-то причинам окошко для наблюдателя недоступно, но в нем установлен фотоаппарат, пленку которого можно проявить лишь по происшествии года, то трудно настаивать, что восприятие состояния кота наблюдателем действительно задним числом. С точки зрения материалистического решения редукция волнового пакета происходит в момент срабатывания механизма, разбивающего склянку, так как именно переход от микроскопического уровня (атома урана) к макроскопическому (устройству механизма) уничтожает квантовые эффекты. Заметим, что у этого решения есть свои трудности: в числе прочих — возможность мгновенной передачи действия на расстояние.

Одним словом, история с котом показывает, что присутствие наблюдателя искажает наблюдение. Это искажение влечет за собой редукцию волнового пакета, а следовательно — к счастью, — и возникновение осязаемого результата (наблюдаемая траектория в пузырьковой камере, мерцание экрана и, наконец, жизнь или смерть кота). Но квантовая теория, столь могучая в решении своих задач, не предлагает никакой корректной теории измерения. В этом и заключается вопрос, поставленный парадоксом Шрёдингерова кота.

Что нам еще расскажет этот котик? Прежде всего, что у нас пока нет никакого Священного Писания, где изложена объективная правда о существующем мире и управляющих природой законах, не зависящих от присутствия или отсутствия открывающих их людей-наблюдателей. Бор и Гейзен берг верили (теперь известно, что с «квантовой» точки зрения они были не правы): мы не можем наблюдать за объектом, не воздействуя на него и не изменяя его. Для них, по словам Шрёдингера, «таинственная граница между объектом и субъектом разрушена». Сам же он не придерживался подобных взглядов. «Созерцающий дух не является физической системой и не может взаимодействовать ни с какой физической системой». Шрёдингер любил Эдгара По и приводил в пример рассказа «Маска красной смерти»: смельчак-танцор, рискнувший снять маску с незнакомца, не видит за ней ничего, кроме пустоты. Таким же образом, наблюдателя невозможно обнаружить в нашем представлении мира просто потому, что он и сть наше представление мира и, будучи причастен целому, не может проявиться в его части.

Кроме того, кот говорит нам: я жив и существую как таковой в аргументации Шрёдингера. Физике довольно непривычно обращение к столь сложным системам. Именно это и лишает метафору законных оснований, так как, будучи живым, кот непременно оказывается системой открытой и не изолированной. А классическая квантовая теория, построенная Нейманом, умеет описывать только замкнутые, а значит, изолированные системы. В современной интерпретации теории (в частности, Роланом Омнесом, Войцехом Зуреком и Робертом Гриффицем) акцент ставится на взаимодействии системы, прибора и окружающей среды. По утверждениям специалистов, именно «декогеренцией», вызываемой средой, объясняется очевидная редукция вектора состояния.

Почему место (скромное) в общей культуре занял только кот плюс разве что связанные с ним принцип неопределенности[36] и общее представление об индетерминистской физике? На то есть три причины. Во-первых, идейная сложность квантовой механики (математический ее аппарат не сложнее, чем у общей теории относительности) придает ей эзотерическую ауру, весьма удобную для тех, кто хочет утвердиться в роли гуру: в начале восьмидесятых годов рекламный плакат «трансцендентальной медитации» представлял на левой половине список заповедей, а на правой — самые герметические из уравнений квантовой механики и теории относительности. Во-вторых, в нестабильную эпоху наука, умеющая управляться с неопределенностью, несколько ободряет. Наконец, в-третьих, квантовая физика со всеми своими парадоксами (никуда без покровительственной тени Эйнштейна — говорят, он так никогда и не отказался от поисков «элемента реальности») искала большего, чем любая другая физическая теория: секрет природы мира, лежащего вне теней на стене пещеры. Вот почему, в то время как бодлеровские коты «со зрачками таинственными» флиртуют с потусторонним, кот Шрёдингера, а на самом деле — стоящий на пороге зверь флиртует с реальностью.

Примечания:

3

Получилось! (англ.)

35

С позволения сказать (лат.).

36

Введенный в 1927 году Гейзенбергом, этот принцип утверждает невозможность одновременно приписать частице определенное местоположение и определенную скорость: чем лучше известно ее положение, тем меньше мы можем узнать о ее скорости, и наоборот. Сейчас принято говорить об индетерминизме, подчеркивая. что ограничение лежит в самой природе частиц, а вовсе не в свойствах измерительных приборов.