Вопрос о природе света усложнился еще больше, когда Альберт Эйнштейн предположил, что, если направить на металлическую поверхность коротковолновый ультрафиолетовый свет, можно зарегистрировать испускание электронов металлом. По мнению Эйнштейна, чтобы производить такой эффект, свет должен представлять собой пучок дискретных частиц, каждая из которых несет определенное количество (квант) энергии. Это явление, которое стали называть фотоэлектрическим эффектом, было экспериментально продемонстрировано Робертом Милликеном буквально через несколько лет, обеспечив теоретику (Эйнштейну) и экспериментатору (Милликену) получение Нобелевской премии по физике.
Невероятное значение открытия Юнга в эксперименте с двумя щелями можно оценить на основании того факта, что даже теперь, двести с лишним лет спустя, физики по-прежнему спорят об интерпретации результатов этого эксперимента и многих других результатов, полученных в различных вариантах исходного опыта.
Теперь мы знаем, что при пропускании пучка индивидуальных фотонов, электронов, атомов или даже небольших молекул, вроде так называемых фуллеренов, через современную версию аппарата Юнга с двумя прорезями возникает такая же интерференционная картина. Но на деле все обстоит еще более странно: если детектор поместить ровно перед каждой щелью (или перед обеими), при ударе об это измерительное устройство непосредственно перед прохождением через щели каждый отдельный фотон (или электрон, атом, молекула) ведет себя как частица, оставляя сигнал отдельного удара, а не картину интерференции. Иными словами, если проводить измерения перед прохождением через щели, свет ведет себя как поток частиц. Этот корпускулярно-волновой дуализм остается важнейшей загадкой в интерпретации законов квантовой механики.
Было предложено три основных варианта интерпретации, объясняющих эту волновую интерференционную картину. В соответствии с так называемой копенгагенской интерпретацией, первоначально предложенной знаменитыми физиками Нильсом Бором и Вернером Гейзенбергом, интерференция возникает по той причине, что через щели проходит не свет как таковой, а вероятностная волновая функция, определяющая возможные состояния света при измерении. Когда эти функции достигают экрана за прорезями и наблюдатель смотрит на него (и это ключевой момент для нашего обсуждения), функции, как говорят, коллапсируют, производя интерференционную картину, которую наблюдал Юнг. Если же детектор расположен перед прорезью, волновые функции коллапсируют иначе – и возникает эффект удара частиц.
Но почему это происходит? Это так называемая проблема измерения в квантовой механике. В рамках копенгагенской интерпретации предполагается, что осуществляемый внешним наблюдателем акт измерения (непосредственный или с помощью инструмента) необходим для приведения набора вероятностей, описывающих потенциальные свойства физической системы (волновую функцию), к единственной вероятности (частица или волна). До проведения измерения квантовая механика может описать физическую систему только через математический (ментальный) конструкт – волновую функцию.
Второе объяснение, называемое гипотезой многих миров, было предложено в конце 1950-х годов американским физиком Хью Эвереттом; оно исключает какое-либо влияние наблюдателя на коллапс вероятностной волновой функции, о котором говорится в копенгагенской интерпретации. Вместо этого предполагается, что интерференция возникает по той причине, что, хотя мы и проводим эксперимент в нашей вселенной, производимые нами фотоны (или электроны) к моменту достижения щелей взаимодействуют с аналогичными частицами из разных других вселенных. В соответствии с этой гипотезой наблюдаемая нами интерференционная картина является результатом сложного взаимодействия между бесконечным числом миров.
Наконец, существует третья интерпретация, известная как теория волны-пилота, или теория де Бройля – Бома, названная в честь французского физика и лауреата Нобелевской премии Луи де Бройля и американского физика Дэвида Бома. Суть этой гипотезы в очень упрощенном виде сводится к тому, что интерференционная картина возникает по той причине, что каждый фотон (или электрон) движется на пилотной волне, которая проникает через обе щели одновременно. Поэтому наблюдаемая нами интерференционная картина возникает в результате взаимодействия пилотных волн, с которыми движутся все частицы. Как и в гипотезе многих миров, наблюдателю не отводится никакой роли.
Хотя большинство физиков, скорее всего, со мной не согласятся, описываемая в этой книге мозгоцентрическая космология совместима с копенгагенской интерпретацией эксперимента с двумя щелями. Во-первых, вероятностная волновая функция, введенная в копенгагенской интерпретации, фактически идентична моему определению потенциальной информации как исходного сигнала, который наблюдатель получает из внешнего мира. Во-вторых, обе концепции признают активную роль наблюдателя в определении результата на квантовом уровне. В копенгагенской интерпретации это проявляется в том, что «коллапс волновой функции» требует наличия наблюдателя. Близость мозгоцентрического представления и копенгагенской интерпретации квантовой механики можно далее проиллюстрировать словами Нильса Бора, так высказавшегося о созданном им же самим научном направлении: «Нет никакого квантового мира. Есть только абстрактное квантово-физическое описание. Неверно думать, что задача физики состоит в том, чтобы открывать, что собой представляет природа. Физику интересует, что мы можем сказать о природе»[29].
И Нильс Бор был не одинок. Вот как был вынужден выразиться на тему квантово-механической теории знаменитый британский астроном и физик сэр Артур Эддингтон: «Наши знания о природе объектов в физике состоят исключительно из показаний [на приборной шкале] и других индикаторов».
Бертран Рассел выразил ту же точку зрения, когда сказал: «Физика математична не потому, что мы знаем так много о физическом мире, а потому, что мы знаем так мало; мы способны открывать лишь его математические свойства».
Вот что пишет Бертран Рассел в книге «Исследование значения и истины»: «Все мы начинаем с „наивного реализма“, т. е. с представления, что все вещи такие, какими кажутся. Мы думаем, что трава зеленая, камни твердые, а снег холодный. Но физика утверждает, что зелень травы, твердость камня и холод снега, о которых мы знаем из собственного опыта, являются чем-то совсем иным. Когда наблюдатель, как ему самому кажется, смотрит на камень, на самом деле, если верить физике, он воспринимает только то влияние, которое оказывает на него камень. Кажется, что наука находится в войне с самой собой: когда она наиболее объективна, она впадает в субъективность против собственной воли. Наивный реализм ведет к физике, а физика, если она справедлива, демонстрирует ошибочность наивного реализма. И поэтому, когда бихевиорист думает, что регистрирует наблюдения о внешнем мире, на самом деле он регистрирует наблюдения о том, что происходит с ним самим».
Как справедливо отмечает Филип Гофф в Guardian, и Бертран Рассел, и Артур Эддингтон хотели сказать, что «хотя физика может с успехом сообщать нам, что делает материя, она, по сути, не в силах ничего сообщить о том, что та из себя представляет». Гофф продолжает: «Что нам действительно известно о внутренней сущности материи помимо того, как она воздействует на наши измерительные приборы? Только то, что какая-то ее часть – а именно, содержимое мозга – действует через сознание. И поэтому именно сознание должно быть для нас отправной точкой в попытках познать, что представляет собой материя, а не что-то, что мы пытаемся вытянуть из него в виде результата обдумывания».
Точка зрения Гоффа проявляется очень ярко, когда мы пытаемся следовать обычным путем бесконечного регресса, называемого редукционизмом, которым пользуются в физике для описания реальности. Поначалу нам говорят, что мир состоит из атомов. Отлично. Углубляясь в проблему, мы узнаем, что атомы состоят из элементарных частиц, таких как электроны, протоны и нейтроны. Дальше – больше. Погружаясь еще глубже, мы узнаем, что протоны и нейтроны состоят из странных сущностей, называемых кварками. Ладно. Кварки настолько странны, что по сей день ни один ученый не смог увидеть их ни глазами, ни с помощью самых точных инструментов. А все по той причине, что они существуют лишь как математические объекты, очень удобные для предсказания поведения материи. Но из чего состоят кварки? Если вы верите в последнюю математическую абстракцию редукционизма, вы вынуждены признать, что кварки состоят из бесконечно малых колеблющихся струн (10–35 м), скрученных в гораздо большем числе измерений, чем известные четыре, с которыми мы имеем дело в обычной жизни (трехмерное пространство плюс время). Хотя эти струны считаются одной из самых горячих тем в современной теоретической физике, нет такого эксперимента, в котором можно было бы проверить их существование. Это лишь крайне вычурные математические концепции, результат абстрактного мышления, порожденный мозгом очень одаренных математиков.
