На самом деле никто не понимает квантовую механику. Так как ученые умудряются ее применять?

Представьте себе самую мощную и точную теорию, когда-либо созданную человечеством. Теорию, благодаря которой работают лазеры, компьютеры, смартфоны и медицинские томографы. Она предсказывает результаты экспериментов с невероятной точностью. Звучит как триумф науки, не так ли? А теперь представьте, что никто, включая самих создателей этой теории, по-настоящему не понимает, как она работает.

Добро пожаловать в странный, запутанный и бесконечно увлекательный мир квантовой механики.

Недавно ведущий научный журнал Nature провёл опрос среди ведущих физиков мира, и его результаты лишь подтвердили то, о чём в научном сообществе давно шептались: спустя столетие после своего рождения квантовая теория остаётся яблоком раздора. У учёных нет единого мнения о том, что она говорит нам о самой природе реальности. Этот парадокс лучше всего описывает знаменитая, хоть и немного отчаянная фраза: «Заткнись и считай!» Она стала своего рода девизом для поколений физиков, которые научились виртуозно применять квантовые уравнения, но предпочли не задаваться вопросом, что же за ними стоит.

Но почему вообще возникла такая ситуация?

Проблема на уровне атомов

Всё началось на заре XX века, когда привычная и уютная классическая физика дала сбой. Оказалось, что законы, прекрасно описывающие движение планет и падение яблок, совершенно не работают в микромире. Там, на уровне атомов и элементарных частиц, реальность вела себя… странно.

Частицы вроде электронов и фотонов вели себя то как крошечные шарики, то как волны, распространяющиеся в пространстве. Более того, они могли одновременно находиться в нескольких местах сразу (это явление назвали суперпозицией) и обладать целым набором скоростей до тех пор, пока кто-нибудь не пытался их измерить. Это настолько противоречило здравому смыслу, что требовало совершенно нового подхода.

И он появился. В 1920-х годах Эрвин Шрёдингер и Вернер Гейзенберг создали математический аппарат — ту самую квантовую механику. Вместо точных предсказаний она оперировала вероятностями. Её уравнения не говорили, где находится электрон, а лишь описывали вероятность найти его в той или иной точке. Этот инструмент, известный как «волновая функция», оказался невероятно успешным. Но он оставил открытым главный вопрос: что происходит с электроном, пока мы на него не смотрим?

Классический ответ: загадочный кот и роль наблюдателя

Самый старый и до сих пор самый популярный ответ на этот вопрос известен как копенгагенская интерпретация, разработанная Нильсом Бором и Вернером Гейзенбергом. Согласно опросу Nature, её придерживаются 36% физиков.

Суть её проста и одновременно головокружительна. Пока мы не измеряем квантовый объект, он не обладает определёнными свойствами. Электрон не находится где-то, он как бы размазан в пространстве в виде волны вероятностей. И только в момент измерения — когда наблюдатель вмешивается — эта волна мгновенно «схлопывается» (происходит коллапс волновой функции), и частица обретает конкретное положение.

Это… немного сбивает с толку, правда? Получается, сам акт наблюдения меняет реальность.

Чтобы показать всю абсурдность этой идеи, Эрвин Шрёдингер придумал свой знаменитый мысленный эксперимент. Представьте себе кота в закрытом ящике. Рядом с ним — механизм, который с 50%-ной вероятностью может высвободить яд. Судьба кота зависит от распада одного радиоактивного атома — чисто квантового события. Пока ящик закрыт, атом находится в суперпозиции «распался» и «не распался». Но если копенгагенская интерпретация верна, то и кот, чья жизнь связана с атомом, тоже находится в суперпозиции: он одновременно и жив, и мёртв. И лишь когда мы откроем ящик, чтобы на него посмотреть, реальность выберет один из вариантов.

Честно говоря, Шрёдингер придумал этот пример не для того, чтобы проиллюстрировать теорию, а чтобы высмеять её. Но, как ни странно, идея прижилась и стала самым известным символом квантовой загадки.

Смелая альтернатива: добро пожаловать в мультивселенную

Многих физиков не устраивает особая роль наблюдателя в копенгагенской интерпретации. Почему человек с прибором должен обладать такой магической силой — заставлять реальность определяться? Это привело к появлению других идей, и самая известная из них — многомировая интерпретация.

Её поддержали 15% опрошенных, и она предлагает куда более радикальный взгляд на вещи. Согласно этой идее, волновая функция никогда не коллапсирует. Вместо этого в момент каждого квантового события Вселенная разветвляется. В одной вселенной кот жив, в другой — мёртв. В одной электрон пролетел через левую щель, в другой — через правую.

Все возможные исходы реализуются, просто каждый — в своей параллельной вселенной. Мы, как наблюдатели, просто путешествуем по одной из бесчисленных ветвей этой разрастающейся мультивселенной. Звучит как научная фантастика, но для многих физиков эта картина математически более элегантна, так как не требует вводить загадочный «коллапс».

Раскол пополам: где кончается магия?

Пожалуй, самый показательный результат опроса касается другого фундаментального вопроса: существует ли чёткая граница между квантовым и классическим мирами?

Задумайтесь на секунду, что это значит. Мы и всё, что нас окружает, состоим из атомов, которые подчиняются квантовым законам. Почему же тогда мы не находимся в суперпозиции? Почему стул — это всегда просто стул, а не вероятностное облако «стульности»?

Оказалось, что физики разделились по этому вопросу ровно пополам: 45% считают, что такая граница существует, и законы физики где-то резко меняются. И ровно столько же, 45%, уверены, что никакой границы нет, а значит, и мы, и стулья, и планеты — всё на самом деле подчиняется квантовой механике, просто на макроуровне её эффекты становятся незаметными.

Это не просто разница во мнениях. Это фундаментальный раскол в понимании устройства мира.

Что дальше? Поиски продолжаются

Итак, что мы имеем в сухом остатке? Самая точная и проверенная теория в истории науки. Полное отсутствие консенсуса о её смысле. И три четверти учёных, которые верят, что однажды на смену квантовой механике придёт новая, более полная теория.

Может показаться, что это провал. Но на самом деле это и есть живая, дышащая наука в её лучшем проявлении. Она не боится признавать: «Мы не знаем». Опрос Nature — это не свидетельство кризиса, а честный снимок переднего края человеческого познания. Физики перестали просто «затыкаться и считать». Они снова задают большие вопросы.

И кто знает, может быть, ответ на загадку кота Шрёдингера приведёт нас к следующей научной революции. Поиски продолжаются.