Если мы признаем, что квантовые числа — это подлинная суть реальности, а не частицы, пространство или время, тогда перед нами открывается удивительное и прекрасное новое видение мира.

Оригинал статьи

Многие считают, что рождение квантовой механики произошло на маленьком, безлесном острове Гельголанд, куда летом 1925 года отправился молодой Вернер Гейзенберг. Именно там он набросал основы того, что впоследствии стало самым блестящим и успешным способом объяснения реальности. В центре его подхода лежало решение сосредоточиться исключительно на том, что наблюдатели обнаруживают при измерении частиц.

Это было озарение гения, но оно же запутало физиков на сто лет. Большая часть трудностей сводится к вопросам о том, кто такой наблюдатель и что именно считается наблюдением. Должны ли мы верить, что реальность каким-то образом зависит от того, что мы на неё смотрим?

Я считаю, что пришло время выйти из этого метафизического тупика. Я размышлял о квантовой теории большую часть своей карьеры и пришёл к выводу, что нам не нужны наблюдатели — говорить о них просто бессмысленно. Существует гораздо более последовательный и разумный способ описания квантового мира, и я хотел бы сейчас им с вами поделиться, вместе с тремя решающими экспериментами, которые могут доказать мою точку зрения.

Хотя эта концепция, на мой взгляд, логически весьма убедительна, она уводит нас в неизведанную область. Дело не только в том, что наблюдатели не существуют — не существует и самих частиц. А пространство и время? До них мы ещё дойдём. Безусловно, это глубокие воды, но стоит в них зайти, потому что, делая это, мы начинаем находить подсказки о том, что может лежать за пределами квантовой теории в её нынешнем виде.

Для начала давайте совершим краткий обзор современной физики и того клубка проблем, который она создаёт. Наблюдатели были ключевым элементом физики задолго до появления квантовой механики: они сыграли решающую роль в развитии как специальной, так и общей теории относительности Альберта Эйнштейна. Последняя утверждает, что пространство и время соединены в единую ткань — пространство-время, — и именно искривление этой ткани создаёт гравитацию. Позже я оспорю эту точку зрения, но одно из следствий исходной идеи состоит в том, что наблюдатели, находящиеся в местах с разной кривизной пространства-времени, будут испытывать течение времени с различной относительной скоростью.

Когда мы преподаём теорию относительности, мы часто говорим о наблюдателях, представляя их как людей. Но на самом деле время, которое испытывает любое движущееся тело (например, атом), изменяется в зависимости от гравитационного поля, в котором оно находится. Эти различия вовсе не обязательно должны быть зафиксированы наблюдением, поэтому нет необходимости выделять особую категорию «наблюдателей».

Общая теория относительности — это первый из двух столпов современной физики. Второй — сама квантовая теория. Её суть в том, что реальность на самом фундаментальном уровне делится на дискретные кусочки. Например, когда атомы поглощают или испускают энергию, это происходит не непрерывно, а в порциях определённого размера. Но и в квантовой теории наблюдатель тоже встроен в саму структуру, потому что она различает состояние частиц «до» и «после» наблюдения. До наблюдения мы описываем их с помощью волновой функции — уравнения, задающего диапазон возможных свойств, то есть суперпозицию. После наблюдения считается, что эта суперпозиция «схлопывается» в конкретное значение.

Проблема в том, что это вызывает массу вопросов, главный из которых — как и почему происходит это «схлопывание». Из этого рождаются парадоксы, например парадокс «друга Вигнера», предложенный физиком Юджином Вигнером несколько десятилетий назад. Он представил себе «друга» внутри изолированной лаборатории, который производит квантовое измерение, пока сам Вигнер находится снаружи. Проблема возникает, когда мы сравниваем их описания реальности: Вигнер ничего не наблюдал, поэтому для него вся лаборатория описывается размытой волновой функцией, тогда как для его друга есть вполне определённый результат. Этим парадоксом Вигнер ставил вопрос: откуда мы знаем, в какой момент наблюдение становится окончательным?

Некоторые физики считают, что квантовую теорию нужно подправить, чтобы решить эти проблемы. Но я так не думаю. Чтобы объяснить свой взгляд, нужно понять явление запутанности, которое Эрвин Шрёдингер называл «характерной чертой квантовой теории». Квантовая запутанность часто воспринимается как нечто таинственное, но на самом деле это просто особая связь между двумя квантовыми объектами, при которой, измерив один, вы сразу узнаёте нечто о свойствах другого. И вот ключевой момент: когда мы говорим об «наблюдении», на самом деле, по моему мнению, мы говорим о моменте, когда две системы становятся квантово запутанными друг с другом. Причём тем, что вступает в запутанность, может быть человек — «наблюдатель» — но вовсе не обязательно.

Позвольте привести пример. Есть знаменитый эксперимент, в котором частица света — фотон — находясь в состоянии суперпозиции, проходит через два отверстия в экране одновременно, создавая интерференционную картину, когда достигает второго экрана. Но если мы наблюдаем, через какое отверстие проходит фотон, интерференция исчезает. Однако прежде чем сделать вывод, что именно наблюдение «схлопывает» суперпозицию, стоит помнить: если мы запутаем фотон с чем-то ещё таким образом, что станет известно, через какое отверстие он прошёл, мы получим тот же самый эффект.

Следовательно, нам стоит перестать говорить о «наблюдателях» и начать говорить о запутанности. Кстати, этот подход также устраняет вопрос, который поднимал Вигнер своим парадоксом. Не существует «окончательного» наблюдателя — на самом деле не существует наблюдателей вообще. Что действительно происходит, так это то, что система и наблюдатель (который сам является системой) вступают в запутанность.

Главное, что я хочу, чтобы вы вынесли из этого: квантовая теория уже содержит всё необходимое для понимания реальности. Нужно лишь принять все её следствия всерьёз — даже если они кажутся странными. Итак, давайте посмотрим, куда это нас приведёт, начав с центральной идеи физики — частиц.

Нереальность частиц

Чтобы разобраться с этой концепцией, сначала нужно понять, что такое поля. Поле — это сущность, которая существует повсюду и изменяется со временем. Эту идею впервые предложил Майкл Фарадей в первой половине XIX века. В классической теории электромагнитного поля значения электрического и магнитного полей представляют собой обычные (или классические) числа, называемые c-числами (от англ. classical numbers), например, «5 метров». Каждой точке пространства соответствуют три числа, описывающих электрическое поле, и три числа, описывающих магнитное.

В квантовой теории мы, напротив, говорим о квантовых полях, где каждая точка пространства описывается не одним числом, а таблицей чисел. Эти таблицы называются квантовыми числами или q-числами (от англ. quantum numbers). Именно поэтому многие считают статью Гейзенберга 1925 года началом квантовой физики: он первым предложил заменить координаты и импульсы частиц на q-числа. Разница между c-числами и q-числами проста, но глубоко значима — мы ещё вернёмся к этому.

Однако не все готовы принять все последствия концепции квантовых полей. Когда физики взяли классическое электромагнитное поле и подвергли его квантованию, это означало, что поле может колебаться в большем числе мод, чем раньше. В квантовом поле существует четыре таких моды, и теория предсказывает, что поле может проявляться как частицы — в данном случае фотоны — в каждой из них. Но вот странность: мы можем обнаружить фотоны только в двух из этих четырёх мод. Две другие компенсируют друг друга и недоступны для наблюдения — даже в принципе. Эти «фантомные» фотоны, таким образом, ненаблюдаемы, но неизбежны.

Философски тревожно? Возможно. Но в науке это не редкость. Мы часто вводим гипотетические сущности, потому что без них объяснительная сила теории рушится.

Я считаю, что не стоит игнорировать такие странности — наоборот, их нужно принимать. Моя коллега из Оксфорда, Киара Марлетто, и я предположили, что, хотя эти «призраки» не могут быть напрямую обнаружены, они могут запутываться с электронами при определённых условиях, и эту запутанность, по сути, можно было бы зафиксировать. В нашей статье 2023 года мы описали, как это можно сделать: поместив электрон в состояние суперпозиции, где, если мы правы, он должен запутаться с «призраками». Такое взаимодействие можно было бы выявить с помощью очень точного измерения. Эксперимент сложный, но вполне реализуемый с использованием современных технологий. Это был бы квантовый аналог встречи с призраком.

Что бы означал результат, если бы эксперимент показал, что эти «призраки» действительно могут вступать в запутанность — как я, признаться, полностью ожидаю?
Самое базовое, что мы обычно считаем способным запутываться, — это частица. Но «призраков» нельзя по-настоящему считать частицами. Всё, чем они на самом деле являются, — это q-числа в уравнении. И именно в этом, на мой взгляд, суть: фундаментальны не частицы как человеческое представление, а именно q-числа. Просто так вышло, что частицы обладают q-числами, и это ввело нас в заблуждение, заставив думать, что именно частицы являются первоосновой реальности, тогда как на самом деле ею являются q-числа.

Есть ещё один уровень изящества, который усиливает мой аргумент о том, что частицы не реальны. Возьмём отдельную частицу — скажем, электрон. В терминах обычной квантовой теории мы сказали бы, что до измерения эта частица находится в состоянии суперпозиции: она и здесь, и там одновременно, и обе возможности описываются q-числами. Но теперь изменим точку зрения. Если q-числа — это сама сущность реальности, то эти два q-числа могут быть запутаны друг с другом. Иными словами, можно сказать, что частица в состоянии суперпозиции может быть «запутана сама с собой».

Не все физики согласятся с тем, что это возможно, но более 15 лет назад я предложил эксперимент, который способен установить истину — на этот раз вместе с моим коллегой Джейкобом Даннингемом, ныне работающим в Университете Сассекса (Великобритания).
Возьмём одну частицу и сделаем её состояние делокализованным, то есть переведём её в суперпозицию двух разных физических положений. Чтобы экспериментально подтвердить, что такая суперпозиция действительно является запутанной, необходимо провести отдельные измерения в этих двух местах и проверить, нарушают ли они уравнение, называемое неравенством Белла — ключевым признаком квантовой запутанности.

Уже существуют некоторые свидетельства того, что запутанность одной частицы действительно возможна. В 2004 году Бьёрн Хессмо из Королевского технологического института (KTH) в Швеции и его коллеги провели эксперименты, показавшие, что отдельные фотоны, разделённые на два положения, действительно нарушают неравенство Белла. Другими словами, фотоны не являются фундаментальными элементами реальности — значение имеют их q-числа.
Однако фотоны безмассовы, и пока никто не провёл подобный эксперимент с объектом, обладающим массой — например, атомом или даже гораздо более лёгким электроном, — поскольку такие опыты технически крайне сложны. Но у меня нет никаких сомнений, что результат будет тем же самым.

Реальны ли пространство и время?

Теперь мы готовы поговорить о пространстве и времени. Некоторые считают их последним рубежом физики, и действительно, этот вопрос связан с главной нерешённой проблемой — объединением двух столпов физики, общей теории относительности и квантовой теории, в единую теорию квантовой гравитации.

Поскольку до этого момента я утверждал, что всё следует рассматривать как состоящее из q-чисел, можно было бы ожидать, что пространство и время тоже должны быть квантовыми. И действительно, многие исследователи так полагают.

Но я придерживаюсь более радикальной точки зрения: пространство и время вообще не существуют. Как и «наблюдатели», они — лишь удобные ярлыки, средства учёта, но не физические сущности. Поэтому квантование гравитации не означает квантование пространства-времени. Оно означает квантование самого гравитационного поля — то есть превращение эйнштейновских c-чисел в q-числа, так же, как это делается с другими физическими полями.

Может показаться, что это довольно тонкое различие. Ведь в общей теории относительности гравитационное поле обычно рассматривается как не что иное, как искривление пространства-времени. Но именно здесь я предлагаю иной поворот: искривляется не само пространство или время, а поля — например, электромагнитное поле, которое удерживает всю материю вместе.

Атомы, молекулы, часы и линейки связаны силами электромагнетизма. Роль гравитационного поля — взаимодействовать с этими полями и указывать им, как именно изгибаться. Для удобства мы говорим, что эти поля как бы «расположены» на невидимой сетке, которую называем пространством-временем. Это допустимая абстракция, но не стоит обманывать себя, полагая, что пространство-время является чем-то фундаментальным.

Некоторые мои коллеги, возможно, сочтут такую позицию слишком радикальной, и я признаю: в данный момент трудно представить эксперимент, который мог бы однозначно доказать мою правоту. Но для меня всё это — лишь следствие того, что я воспринимаю квантовую теорию буквально.
Я утверждаю, что гравитация должна рассматриваться как ещё одно квантовое поле — не особое, а подчиняющееся тем же принципам, что и все остальные.

Итак: никаких частиц, никакого пространства, никакого времени.
Вместо этого я полагаю, что фундаментальный элемент природы — это q-число.

Чтобы завершить, давайте рассмотрим, к каким новым идеям может привести полное принятие этого принципа. То, что я собираюсь сказать, напоминает историю, которую часто рассказывают о философе Бертране Расселе. На его лекции по космологии одна слушательница заявила, что Вселенная держится на спине гигантской космической черепахи. Когда Рассел спросил, на чём стоит сама черепаха, она ответила: «Черепахи — до самого низа!»
Моё предложение чем-то похоже, хотя черепах здесь не будет.

Когда мы описываем, как взаимодействуют квантовые поля, мы используем математический инструмент под названием квантовый гамильтониан. Меня давно беспокоит, что в этих гамильтонианах смешиваются q-числа с обычными c-числами — например, с физическими константами вроде скорости света или заряда электрона. Это обычная практика, но, на мой взгляд, что-то в ней не так.
На протяжении последнего столетия физики брали классические уравнения и «оквантовывали» лишь некоторые их части. Но не было бы гораздо изящнее — и ближе к духу той философии, о которой я говорю — если бы все наши уравнения были квантовыми насквозь?

Я не первый, кто задумывается об этом. Ещё в 1980-х годах физик Дэвид Дойч предложил полностью исключить c-числа, превратив все величины в квантовых гамильтонианах в q-числа.
Однако это имело бы любопытные последствия. Рассмотрим лишь один пример — скорость света, которую мы сейчас считаем простым c-числом. Если бы мы превратили её в q-число (а оно, напомню, всегда описывает точку в квантовом поле), это означало бы существование нового квантового поля, связанного со скоростью света.
Это было бы похоже на то, что произошло, когда мы квантовали электромагнитное поле и получили тех самых «призраков»: указание на то, что в реальности есть нечто большее, чем мы думали.

Эта общая идея вполне поддаётся экспериментальной проверке. Если действительно существуют дополнительные квантовые поля, то частицы должны быть способны вступать с ними в запутанность.
Представьте, например, что вы максимально запутали атом и фотон. Если существует ещё одно поле, которое опосредует это взаимодействие, оно должно «включиться в процесс» и создать тройную систему запутанности.
Результат? Сила запутанности между фотоном и атомом окажется слабее, чем ожидалось.

В 2022 году Джим Фрэнсон из Университета Мэриленда в Балтиморе предложил метод обнаружения такой тройной запутанности — по сути, концептуально он довольно близок к эксперименту, который я описывал для выявления «призраков». Пока никто не провёл такого эксперимента, но с точки зрения технологий это вполне осуществимо.

В принципе, можно представить, что процесс квантования можно продвинуть ещё глубже. Q-числа — это таблицы чисел, и ничто не мешает «улучшить» эти таблицы, превратив все обычные числа в них в новые q-числа. А затем повторить то же самое снова.
Получатся таблицы таблиц таблиц. В таком взгляде на мир — это уже не «черепахи до самого низа», а q-числа до самого низа.

Философы терпеть не могут бесконечный регресс. Но у природы нет обязанности соблюдать наши философские приличия.
Возможно, Вселенная — это просто бездонная яма, предлагающая физикам неисчерпаемый запас тайн.