Книга Почему наука не отрицает существование Бога? - Амир Ацель

Работавший в Европейском центре по ядерным исследованиям североирландский специалист по квантовой теории Джон Белл спустя 30 лет принял всерьез парадокс Эйнштейна и в 1960-е годах опубликовал статьи, содержавшие так называемые теоремы Белла, которыми можно воспользоваться для выявления подобной взаимозависимости в реальном мире. Серия экспериментов, проведенных в Калифорнии Джоном Клаузером и в парижском Университете Орсэ Аленом Аспектом, действительно подтвердила наличие такой зависимости: частица одной локальности ведет себя согласованно с частицами, находящимися на другом конце помещения или на другом конце Вселенной. Мало того, эти изменения в состоянии частиц происходят мгновенно, то есть быстрее, чем световой сигнал смог бы доставить информацию от одной частицы к другой.

Но это не единственная странность мира квантовой механики. В этом мире невозможно отличить причину от следствия, то есть сказать, загорелся ли лес от непотушенной спички, или спичка вспыхнула в результате лесного пожара. Для того чтобы решить проблему причинно-следственных отношений в квантовой механике, ученым пришлось прибегнуть к теории вероятностей.

За странные вероятностные законы квантовой механики немедленно ухватились «научные атеисты», используя их как аргумент в своих утверждениях об отсутствии Бога. По их мнению, эти вероятностные правила и законы каким-то образом заменяют Бога. Научные атеисты считают, что поскольку у нас есть квантовые законы, нам самим еще не вполне понятные, постольку у нас нет нужды в «творце». Согласно Лоуренсу Крауссу, «все мы (в буквально смысле этого слова) возникли из квантового ничто». Но ведь сами по себе правила квантовой механики не подразумевают того, что наша Вселенная обязательно возникла из пустоты.

Помимо того что мы не вполне понимаем саму квантовую теорию, мы еще и не знаем границ ее применимости: неизвестно, где на шкале размерностей находится та точка, в которой объекты перестают вести себя по законам привычной классической механики и начинают действовать в соответствии со странными законами квантовой физики.

Хорошая научная теория позволяет делать достоверные предсказания относительно результатов будущих наблюдений. Однако законы квантовой механики настолько своеобразны, что могут предсказывать лишь вероятности возможных результатов наблюдений. Квантовая механика опирается на представление, согласно которому частица является одновременно и волной. Волновые процессы приводят к распределению вероятностей возможных исходов любого эксперимента. В соответствии со стандартной или копенгагенской интерпретацией (немецкий физик Вернер Гейзенберг, предложивший такую интерпретацию, работал в то время в Копенгагене под руководством пионера квантовой механики, датского физика Нильса Бора), мы можем предсказать лишь вероятность исхода данного эксперимента, а не его конкретный результат. Согласно Гейзенбергу и Бору, волновые свойства частицы исчезают, когда мы ее регистрируем и измеряем. В результате измерения мы получаем конкретную величину из распределения вероятностей (которая представляет собой квадрат амплитуды волновой функции в данной точке).

Есть и альтернативная, хотя и менее правдоподобная, интерпретация квантовой механики, предложенная Хью Эвереттом, – теория «множества миров». Это предположение еще более фантастическое, нежели вероятностный подход: то, что не происходит здесь и в данный момент, на самом деле происходит в другом мире. Мы проводим опыт и получаем один из множества возможных результатов, заложенных в волновой функции любой частицы. Поскольку другие исходы опыта тоже возможны, постольку, согласно теории Эверетта, они действительно происходят, но в других мирах.

Но если теория не может предсказать действительный результат, то она не дает нам совершенного знания. Таким образом, вызывает большие подозрения попытка использовать квантовую физику для опровержения существования Бога. Это сильный аргумент против позиции «новых атеистов», которые утверждают, будто квантовая механика «говорит нам», что Вселенная возникла из пустоты. К этому аргументу «новых атеистов» мы еще вернемся.

Один из самых волнующих эпизодов моей карьеры математика и ученого имел место осенью 1972 года, когда мне выпало счастье познакомиться с одним из отцов квантовой теории Гейзенбергом, который в том году посетил физический факультет Калифорнийского университета в Беркли, где я изучал физику. Гейзенберг провел с нами незабываемую беседу, описав свое открытие принципа неопределенности, управляющего поведением квантов.

Принцип неопределенности Гейзенберга утверждает, что произведение неопределенностей в моменте движения и положения частицы не может быть меньше некоторой постоянной (связанной с постоянной Планка – числом, определенным немецким физиком Максом Планком). Если мы измерим положение частицы, то тем самым нарушим ее состояние, и, следовательно, если мы после этого измерим момент ее движения, то получим значение, отличное от того, какое бы мы получили, если бы измерили сначала момент. Измерение же момента сначала нарушит его, и определенное затем положение будет отличаться от того, какое бы мы получили, если бы сначала измерили положение.

Принцип неопределенности управляет всеми событиями в квантовом мире: значения переменных точно неизвестны. В наиболее распространенной форме принцип неопределенности Гейзенберга расширяют за область нахождения момента и положения частиц и применяют к двум самым важным физическим понятиям – энергии и времени.

Принцип неопределенности утверждает, что на микроскопическом уровне атомов, молекул и более мелких частиц невозможно ничего знать с полной определенностью, любое утверждение будет иметь лишь бóльшую или меньшую вероятность в пределах статистического приближения. Если мы точно знаем значение энергии, то не можем точно знать время, связанное с этим уровнем энергии; если мы точно знаем время протекания процесса, то не можем точно знать количество выделившейся или поглощенной энергии.

Квантовая теория позволяет нам делать вероятностные или статистические предсказания, хотя та же квантовая теория дает возможность точно предсказывать значения природных констант. Вероятностные предсказания квантовой механики относительно результатов экспериментов отличаются беспрецедентной точностью. Если, например, для какого-то эксперимента квантовая теория говорит нам, что имеет место вероятность, равная 0,5 того, что спин данной частицы будет направлен «вверх», и 0,5 – что «вниз», то если в опыте мы измерим спины одного миллиона частиц, то спины практически половины из них будут направлены «вверх», а половины – «вниз».

Квантовая теория, кроме того, весьма успешно предсказывает значения энергетических уровней атома водорода (включая феномен, называемый лэмбовским сдвигом, который объясняют взаимодействием электрона с виртуальными частицами в «вакууме»).

В уравнении, выведенном Эрвином Шредингером в 1925-м и опубликованном 1 января 1926 года (известно как уравнение Шредингера), были использованы волновые свойства материи, открытые за несколько лет до этого Луи де Бройлем. Это «волновое уравнение» является дифференциальным уравнением, задающим поведение квантовых частиц, если рассматривать их как волны. Неопределенность квантового мира проявляется в этом уравнении так же, как и в работах Гейзенберга, так как волна колеблется и ее колебания можно интерпретировать (если возвести их амплитуду в квадрат) как распределение вероятностей состояния частиц, обладающих волновой функцией. То есть можно считать, что поведением малых частиц управляют законы квантовой механики.