Существует ли объективная реальность независимо от наблюдателя, или окружающий мир обретает конкретные свойства лишь в момент измерения? Ведущий научно-популярного канала PBS Space Time Мэтт О'Дауд разбирает одну из самых радикальных и пугающих концепций квантовой физики — супердетерминизм, который пытается спасти локальный реализм ценой лишения человека свободы воли. В центре внимания оказываются многолетние споры величайших физиков прошлого и современные эксперименты с далекими квазарами, призванные проверить, подчиняется ли Вселенная тотальному изначальному заговору.
🔬 Квантовый кризис реальности и спасительный реализм 0:00
На самом элементарном масштабе наша Вселенная пребывает в состоянии фундаментальной неопределенности. Фотоны могут одновременно проходить через две щели, электроны — обладать спином, направленным и вверх, и вниз, а знаменитые коты — находиться в суперпозиции живого и мертвого состояний. Эти квантовые суперпозиции коллапсируют в одно-единственное состояние лишь тогда, когда ученые пытаются их измерить. Из-за этого складывается впечатление, что физические свойства объектов не принадлежат им изначально, а возникают исключительно как следствие проводимых наблюдений.
Подобное положение дел заставляет некоторых физиков и философов задаваться вопросом, не является ли реальность фундаментально субъективной и существующей лишь благодаря акту наблюдения. Однако большинство исследователей предпочитают верить в реализм — концепцию, согласно которой Вселенная обладает конкретным существованием, независимым от какого-либо наблюдателя. В попытках найти реалистичную интерпретацию квантовой механики ученые разработали несколько моделей:
- Теория волны-пилота (де Бройля — Бома).
- Модели объективного коллапса волновой функции.
- Многомировая интерпретация Эверетта.
Все эти подходы стремятся описать реальность без участия наблюдателя. Но существует еще один «спасательный плот» для реализма, который физика долгое время обходила стороной — супердетерминизм. Его философские и научные последствия могут оказаться самыми тревожными из всех возможных.
🌌 Парадокс Эйнштейна — Подольского — Розена и «жуткое дальнодействие» 1:30
Эрвин Шрёдингер, создавший квантовую механику наряду с Вернером Гейзенбергом, был ярым сторонником реализма. Его знаменитый мысленный эксперимент с запертым в коробке котом на самом деле задумывался как reductio ad absurdum (доведение до абсурда). Шрёдингер хотел наглядно продемонстрировать нелепость экстраполяции квантовой неопределенности, зависящей от наблюдателя, на крупные макроскопические объекты.
Альберт Эйнштейн также не мог смириться с субъективистскими выводами чистой квантовой теории. Вместе со своими коллегами Борисом Подольским и Натаном Розеном он сформулировал знаменитый ЭПР-парадокс, который должен был нанести смертельный удар по этой воображаемой «наблюдателе-центричной» нелепице. В стандартной квантовой механике базовым элементом реальности считается волновая функция, описывающая эволюционирующее распределение вероятностей всех возможных свойств мира. Измерение «схлопывает» волновую функцию, уничтожая все потенциальные альтернативы в пользу одного реального результата.
Волновая функция может связывать информацию о взаимоотношениях между несколькими частицами — это явление называется квантовой запутанностью. Если подготовить пару запутанных электронов, спин каждого из них будет находиться в суперпозиции «вверх и вниз одновременно», но их общая система гарантирует, что их спины направлены строго противоположно друг другу. Измерение одного электрона мгновенно влияет на другой, что Эйнштейн иронично назвал «жутким дальнодействием».
В мысленном эксперименте ЭПР пара запутанных электронов с неопределенным, но противоположным спином отправляется двум ученым в удаленные лаборатории — Элис и Бобу. По правилам квантовой механики, спин электрона не определен до измерения. Если Элис ориентирует свой прибор вертикально, она с вероятностью 50 на 50 получит спин «вверх» или «вниз». Предположим, она измерила спин «вверх». Это автоматически означает, что спин электрона Боба мгновенно становится направленным «вниз», даже если сам Боб еще не приступал к измерениям. Если Боб выберет ту же вертикальную ориентацию, он гарантированно получит спин «вниз».
Проблемы начинаются, если Боб решит изменить ориентацию своего прибора:
- Горизонтальное измерение даст ему случайный результат 50 на 50 (влево или вправо).
- Любой другой промежуточный угол измерения окажется подвержен влиянию первоначального выбора угла, сделанного Элис.
Когда ученые сопоставят результаты, они обнаружат странные корреляции между своими выборами осей измерения и полученными значениями спинов. Причем это влияние кажется мгновенным, независимо от расстояния между лабораториями — будь то разные концы университетского кампуса или противоположные края галактики.
Такой эффект вызывал глубокий дискомфорт у Эйнштейна, ведь фундаментальный постулат теории относительности гласит: ни одно причинно-следственное влияние не может распространяться быстрее скорости света. ЭПР-парадокс должен был доказать, что квантовая неопределенность не может быть окончательной реальностью. Эйнштейн полагал, что каждый электрон обязан нести в себе скрытые параметры — полную информацию о своем физическом состоянии, скрытую от стандартной волновой функции. В таком сценарии спины определены изначально, и никакой выбор Элис не меняет физическое состояние электрона Боба, а корреляции объясняются лишь общей предысторией.
📐 Теорема Белла и экспериментальный вердикт 6:23
В 1960 году, спустя почти 30 лет после публикации статьи об ЭПР-парадоксе, физик Джон Белл предложил способ экспериментальной проверки этого спора. Он математически вывел знаменитое неравенство Белла. Это неравенство должно строго выполняться, если спины электронов заданы с самого начала и скрыты внутри частиц (теория скрытых параметров), но нарушается, если стандартная квантовая механика права и спин остается неопределенным до момента наблюдения.
Прошло еще 20 лет, прежде чем физик Ален Аспект в 1980-х годах успешно провел первое полноценное тестирование неравенств Белла. Результаты эксперимента полностью подтвердили предсказания стандартной квантовой механики. С тех пор были проведены бесчисленные тесты Белла, и все они давали один и тот же результат: квантовая запутанность реальна, а предсказанное Эйнштейном «жуткое дальнодействие» подтверждается практикой.
Тем не менее, результаты тестов Белла не являются окончательным опровержением реализма как такового. Согласно теореме Белла, любая локально-реалистичная теория обязана подчиняться неравенству Белла. Следовательно, зафиксированное в экспериментах нарушение неравенства означает, что в нашей Вселенной нарушается либо реализм, либо локальность. В локально-реалистичной теории любое событие в пространстве и времени может быть вызвано только событиями в его причинно-следственном прошлом — то есть достаточно близкими, чтобы успеть послать световой сигнал.
Физики пытаются спасти реализм разными способами:
- Пожертвовать локальностью ради реализма (как в теории волны-пилота или моделях объективного коллапса).
- Выбрать Многомировую интерпретацию, которая сохраняет локальный реализм, но платит за это колоссальную цену — необходимость существования множества параллельных реальностей.
Если эти варианты кажутся слишком экстравагантными, остается еще одна лазейка, которая наглядно иллюстрируется на пространственно-временной диаграмме, где пространственное измерение отложено по оси X, а время — по оси Y. В рамках локального реализма на измерения Боба могут влиять только события, находящиеся в конусе его прошлого света. Квантовая механика утверждает, что измерение Элис мгновенно влияет на электрон Боба, нарушая локальный реализм. Однако здесь кроется фундаментальная статистическая уловка.
🕸️ Супердетерминизм: лазейка в теореме Белла 9:22
Результаты тестов Белла выглядят необъяснимо запутанными только потому, что измерения Боба оказываются скоррелированы с выбором настроек прибора, сделанным Элис. Но это становится аномалией лишь в том случае, если мы предполагаем, что решения Элис и Боба являются полностью независимыми событиями, формирующимися непосредственно в настоящий момент. Локальность и реализм были бы спасены, если бы состояния электронов определялись в точке пересечения конусов их прошлого света. Что, если будущие решения ученых также предопределены внутри этого общего прошлого?
В теореме Белла, помимо локальности и реализма, есть еще одно критически важное, но часто незамечаемое условие — статистическая независимость измерений. Теорема исходит из постулата, что Элис и Боб обладают абсолютной свободой воли при выборе углов измерения, либо их генераторы случайных чисел работают абсолютно независимо. Однако если проследить световые конусы прошлого достаточно далеко назад, окажется, что в наблюдаемой Вселенной взаимосвязано абсолютно все.
Что, если эти древние причинно-следственные связи создают тонкие, но достаточные корреляции между якобы «свободными» решениями ученых и исходными квантовыми состояниями измеряемых частиц? Такой путь решения ЭПР-парадокса и называется супердетерминизмом. По сути, супердетерминизм — это классический физический детерминизм, утверждающий, что Вселенная и любая система в ней развиваются строго предсказуемым образом, уникально определяемым законами физики и начальным состоянием Большого взрыва.
Однако обычный детерминизм сам по себе не гарантирует той поразительной конвергенции в эволюции частиц, которая необходима для объяснения квантовых корреляций. Именно для этого нужна приставка «супер». Ряд критиков утверждает, что супердетерминизм требует некоего «космического заговора» взаимодействий, заставляющего два несовершенных «мясных компьютера» (мозга ученых) делать строго определенный выбор на основе тончайших взаимодействий, произошедших в далеком прошлом. В то же время другие физики, такие как Сабина Хоссенфельдер, заявляют, что супердетерминизм представляет собой самое чистое и логичное решение ЭПР-парадокса.
🔭 Космический тест Белла: проверка вселенского заговора 11:45
Чтобы полностью закрыть супердетерминистическую лазейку, физикам необходимо провести тест Белла, в котором выбор направления измерений был бы абсолютно статистически независимым. На Земле это сделать невозможно: конусы прошлого любых двух точек в пределах видимой Вселенной неизбежно пересекаются, если отмотать время назад. Все объекты имеют общую причинно-следственную связь. Тем не менее, ученые могут развести «принимающих решения» субъектов и измеряемые частицы так далеко, чтобы их световые конусы пересекались как можно глубже в прошлом.
Именно так родился проект «Космический тест Белла» (Cosmic Bell test), реализованный исследовательской группой Антона Цайлингера из Венского университета в 2017 году. В ходе этого уникального эксперимента вместо земных генераторов случайных чисел физики использовали свет от двух далеких звезд. Случайный цвет индивидуальных фотонов, прилетевших от этих светил, определял ориентацию поляризационных фильтров в установке. Физики использовали поляризацию фотонов вместо спина электронов, но математическая суть осталась неизменной.
Эксперимент зафиксировал нарушение неравенств Белла с чрезвычайно высокой статистической значимостью. Это доказало, что никакие локально-реалистичные факторы не могли вмешаться в решения измерительных приборов, за исключением гипотетического и крайне маловероятного сценария, в котором далекие звезды «сговаривались» между собой против физиков. Позже команда Цайлингера повторила космический тест, задействовав еще более удаленные объекты — квазары, находящиеся в миллиардах световых лет от Земли. Это отодвинуло момент возможного локально-реалистичного влияния на более чем половину возраста самой Вселенной.
Теоретики продолжают ожесточенные дискуссии вокруг интерпретации супердетерминизма:
- Большинство физиков разделяют скепсис Антона Цайлингера и отвергают эту гипотезу.
- Сабина Хоссенфельдер выступает в качестве одного из самых решительных и громких голосов в защиту супердетерминизма.
Все проведенные тесты Белла ставят научный мир перед жестким выбором: либо неправы локальность или реализм, либо существует бесконечное множество параллельных вселенных, либо наш мир развивается в рамках неизменного, жестко предопределенного детерминизма. Последний вариант наносит удар по классическим философским представлениям о человеке как о независимом, отстраненном наблюдателе.
Впрочем, квантовая механика говорит нам об интеграции наблюдателя в систему уже целое столетие. Что касается вопроса свободы воли — физики шутят, что к этой дискуссии можно будет вернуться, когда философы наконец дадут ей внятное и разумное определение. Наш разум опирается на вполне материальный физический субстрат — головной мозг. И тот факт, что сознание является эмерджентным феноменом, имеющим детерминистическую основу, никак не отменяет нашего субъективного ощущения свободы выбора.
🛸 Скрытые конвенции и физика инопланетных цивилизаций 15:47
В завершение выпуска ведущий канала Мэтт О'Дауд ответил на вопросы зрителей, касающиеся трудностей декодирования потенциальной физики пришельцев и скрытых симметрий природы. Комментируя вопрос Агнибхо Дутты о симметриях сильного взаимодействия, ведущий подтвердил, что разные цветовые кварки распадаются абсолютно одинаково, подчиняясь сложной симметрии сильного взаимодействия, известной как специальная унитарная группа третьего порядка, или $SU(3)$.
Полноценный разбор этой темы требует отдельных выпусков, однако Мэтт О'Дауд затронул и другие важные аспекты гипотетического контакта с внеземным разумом:
- Проблема измерительных единиц: Оливье Ван Кантфорт резонно заметил, что у обитателей системы TRAPPIST-1c явно не будет сантиметров или беккерелей. Однако фундаментальные величины (планковские единицы, массы и времена распада элементарных частиц) могут служить универсальным языком перевода.
- Знаки электрических зарядов: Пользователь под ником Dandelion Stitches предложил использовать описание атома водорода для синхронизации знаков зарядов, что позволит быстро понять, называют ли пришельцы электрон положительным или отрицательным.
- Направление стрелы времени: Зрители Дай Лисиуюань и MrOvipare точно указали, что направление времени легко определить по законам термодинамики. Второй закон термодинамики, утверждающий неизбежный рост энтропии, однозначно задает направление времени вперед.
Как шутит Мэтт О'Дауд, инопланетянам пришлось бы приложить немало усилий, чтобы скрыть свои физические конвенции, ведь любое базовое описание Вселенной неизбежно выдает используемые соглашения. В свою очередь, зритель Бенджамин Хисли предположил, что пришельцы наверняка предложат человечеству безопасные тесты, чтобы исключить риск уничтожения нашей планеты из-за ошибки в сборке какого-нибудь межгалактического устройства. Возможно, потенциально катастрофический дизайн внеземных технологий — это умышленный эволюционный тест на зрелость цивилизации: человечество не заслуживает будущего в стиле Star Trek, пока не научится собирать мебель по инструкции, не взрывая при этом собственную планету.
