Слышен ли звук падающего дерева в лесу, если рядом никого нет? Ответ на этот старый философский вопрос может оказаться не таким простым.
О чём бы мы ни спорили, в одном мы все можем согласиться друг с другом (ну, почти все): наблюдаемая физическая реальность существует на самом деле. Конечно, мы можем долго обсуждать разные связанные с этим философские вопросы, однако предположение о существовании реальности не противоречит ничему, что мы могли бы измерить. Наши органы чувств, лабораторные эксперименты, телескопы, обсерватории, естественные процессы и всё то, что происходит при вмешательстве человека – всё это подтверждает наше предположение. Реальность существует, а её физическое описание довольно точное, поскольку любые измерения, проводимые в любой момент в любом месте, ему соответствуют.
Однако существует набор предположений, касающихся реальности, с которыми уже соглашаются далеко не все. Главное из них – что существует объективная реальность, не зависящая от наличия наблюдателя или измерительного прибора. Два важнейших прорыва в области науки, произошедших в XX веке – а именно, теория относительности и квантовая механика – внезапно бросили вызов нашему представлению об объективной реальности. Они описывают реальность, которую невозможно отделить от акта наблюдения. Что же нам известно об объективной реальности на сегодняшний день?
Объективная реальность
Вкратце, идея такова. Предположим, что объективная реальность существует, причём таким образом, что она не зависит ни от кого и ни от чего, наблюдающего и отслеживающего её существование. У частиц есть соответствующие им массы, заряды, другие свойства, и они не меняются вне зависимости от того:
- кто их измеряет,
- где они находятся,
- как быстро они двигаются,
- какое свойство измеряется,
- каким образом проводится измерение.
Вообще говоря, это одна из основных идей науки – реальность чего-либо не зависит от того, изучаем мы это, или нет, и если изучаем – то как именно.
Но, как и многие идеи, эта – всего лишь предположение. Да, мы видим, что в разных точках пространственно-временного континуума законы физики и фундаментальные константы природы не меняются. У атома водорода в лаборатории такой же набор линий испускания и поглощения, как у атома водорода, находящегося в миллиардах световых лет от нас или в миллиардах лет в прошлом. Масса покоя протона в Антарктике совпадает с массой покоя протона на МКС, да и вообще по всей Галактике. Так что это предположение верно настолько, насколько мы его может проверить в экспериментах и наблюдениях.
Идея прекрасно работала во все времена развития физики – от Галилея и Ньютона до Фарадея и Максвелла. Законы гравитации, казалось, работают везде, начиная от находящихся на Земле объектов и заканчивая объектами, вращающимися вокруг Земли и Солнца. Гравитационная константа реально оставалась постоянной; законам движения следовали все тела; если два человека измеряли местоположение, скорость движения или ускорение объекта, а также время, которое ему понадобилось на преодоление определённого расстояния, они получали один и тот же ответ.
Казалось, что это работало в рамках не только классической механики, но и электромагнетизма. Законы электричества и магнетизма были одинаковыми везде, где ни посмотри, и они одинаково хорошо работали как с покоящимися, так и с движущимися с любой скоростью зарядами. Неважно, были это частицы, участвовавшие в радиоактивном распаде, электроны, или что-то ещё. Заряды могут вести себя по-разному в проводниках и изоляторах, а природа этих материалов может влиять на перемещение зарядов внутри них – однако законы, константы и результаты измерений всегда совпадали. Всё было замечательно и все были довольны.
Теория относительности
Всё начало меняться с открытия таких явлений, как сокращение длины и растяжение времени. В итоге в физике появилась теория относительности Эйнштейна, произведшая революцию. Дело было вот в чём.
Если мы запустим с поверхности Земли снаряд, все вокруг смогут измерить его скорость и получат одно и то же значение. Разница будет только в направлении – если кто-то стоит за пушкой, он решит, что заряд движется от него. Если кто-то стоит перед ней – для него снаряд будет двигаться на него.
Если кто-то из наблюдателей окажется на движущейся платформе, он может получить другие цифры для скорости снаряда и оценить направление его движения. Однако если знать, с какими скоростями двигаются платформы, каждый из наблюдателей с лёгкостью воссоздаст картину, представшую перед глазами любого другого из них.
А что, если вместо обычного снаряда, вроде пушечного ядра, мы рассмотрим частицу, движущуюся со скоростью, близкой к световой? Что, если это будет сам свет? И внезапно оказывается, что все эти старые законы не работают. Абсолютно для всех, кто наблюдает за светом, его скорость (в вакууме) будет равняться точно c, то есть 299 792 458 м/с.
Внезапно такие понятия, как пространство и время, перестали быть частью реальности, и начали существовать только относительно наблюдателей. Анимация выше демонстрирует результаты мысленного эксперимента. В нём двое наблюдателей измеряют, сколько времени свет (например, единичный фотон) затратит на то, чтобы пройти от пола до зеркала на потолке, и обратно до пола. Установка такого рода, т.н. световые часы, вроде бы должна давать одинаковые результаты для всех наблюдателей, как движущихся, так и покоящихся.
Однако для наблюдателя, находящегося в покое, движущиеся световые часы будут идти медленнее. А для движущегося наблюдателя замедленным будет казаться всё, кроме него – при этом движущиеся вместе с ним часы будут, с его точки зрения, идти нормально. Если мы возьмём ещё одни часы, и они будут неподвижными для нас, то движущийся относительно них наблюдатель сочтёт, что они отстают.
Сходным образом можно показать, что и расстояние между двумя объектами – величина не абсолютная, а зависит от конкретного наблюдателя. То же касается и понятия «одновременности» — одновременными могут быть события только для двух наблюдателей, покоящихся рядом друг с другом. Даже ответ на такой простой вопрос, как «в какой момент снаряд ударился о землю?», будет разным для разных наблюдателей, движущихся с разными скоростями или в разных направлениях.
Дальше оказалось, что на ответы на вопросы вроде «как далеко от нас расположен объект?», «сколько времени длилось это явление?» и «какое из событий произошло сначала?» влияет не только движение наблюдателя. На них влияет ещё и изменение кривизны пространства-времени в результате воздействия гравитации. Время замедляется не только при приближении к скорости света, но и при попадании в сильное гравитационное поле. Наличие и распределение материи и энергии влияет на наше восприятие пространства-времени, поэтому луч света начинает изгибаться, проходя слишком близко к массивному объекту, а время – замедляться при приближении к горизонту событий чёрной дыры.
В результате отсутствия возможности объективно измерить такие понятия, как «пространство» и «время», возникает множество очень странных и противоречащих интуиции наблюдений. Если в соседней галактике рванёт сверхновая, то логично ожидать, что свет этого события дойдёт до ваших глаз в один определённый момент, который можно просчитать. Однако если на пути между нею и вами встретится большая масса, она может искривить находящееся между вами пространство, в результате чего вы увидите несколько изображений одной и той же галактики и одной и той же сверхновой, при этом от каждого изображения свет может дойти до вас в разные моменты. Если пространство и время реальны, то объективно реальными их не назовёшь – они реальны только по отношению к конкретному наблюдателю или измерительному прибору.
Квантовая физика
В квантовом мире всё ещё хуже и контринтуитивнее. Результат эксперимента или наблюдения зависит от метода, которым вы проводите эксперимент или измерение, а также от самого факта осуществления этого действия.
Возьмём знаменитый двухщелевой опыт. Если пошвырять большое количество мелких объектов через барьер с двумя прорезанными в нём щелями, то прошедшие через какую-либо из этих щелей объекты, по идее, должны будут врезаться в стенку, расположенную за барьером, и следы их ударов будут образовывать две кучки – по одной для каждой из щелей. В макроскопическом мире всё так и будет, что бы мы ни швыряли в барьер – гальку, мячики или котят.
Но если начать швырять в барьер квантовые частицы, будь то электроны или фотоны, двух кучек мы не увидим. Мы увидим картину волновой интерференции – несколько линий, расположенных на одинаковом расстоянии друг от друга. Линии эти состоят из следов ударившихся частиц, а между ними находятся промежутки, куда частицы не попадают. Самый большой процент следов находится ровно между двумя щелями, а остальные пики уменьшаются (считая по количеству следов) по мере отдаления от главного, и в конце концов сходят на нет.
Вам может прийти в голову попробовать швырять частицы не горстями, а по одной. И вы получите тот же самый результат – макроскопические объекты будут оставлять две кучки следов, а квантовые – ударяться в чередующихся через равные промежутки местах стенки. Чем больше частиц вы бросите, тем лучше будет видно картину интерференции.
Тогда вам может прийти в голову измерить, через какую конкретно из двух щелей проходит каждая брошенная вами частица, попадающая затем в стенку. Результат (если вы его не знали раньше) вас удивит – в этом случае в обоих мирах, и в макромире, и в квантовом, получатся две кучки. Само действие наблюдения за прохождением частицы через щель уничтожает её квантовую природу. Каким-то образом проведение этого измерения (которое состоит в том, что вы заставляете одну квантовую частицу взаимодействовать с другой – иначе её никак не «увидеть») меняет поведение квантовой системы.
Подобные явления часто проявляются в квантовой механике различными способами. Если провести частицу с неизвестным спином через вертикально ориентированный магнит, она отразится либо вверх, либо вниз, что выдаст её спин. Если на её пути затем встретится ещё один вертикальный магнит, она всегда будет отражаться в том же направлении, что и в первый раз. А что будет, если на пути движущихся частиц между двумя вертикальными поставить один горизонтальный магнит?
Горизонтальный магнит разделит поток частиц на два – часть будет улетать влево, часть – вправо. И после этого, проходя через второй вертикальный магнит, частицы опять будут делиться на два потока, «забыв» про первый магнит. Иначе говоря, «горизонтальное» измерение (или наблюдение) уничтожает «вертикальную» информацию об ориентации спина.
Следует ли из этого, что объективной реальности не существует? Не обязательно. Под покровом измеряемой реальности может существовать ещё «более реальная», и прекрасно себя чувствовать вне зависимости от того, измеряем мы что-то или нет – а все эти наши измерения и наблюдения могут быть лишь грубыми и неэффективными попытками раскрыть истинную природу «настоящей» объективной реальности. Многие считают, что когда-нибудь мы сможем это сделать. Пока что мы можем только говорить об определённых границах того, какого типа реальность, независимая от наблюдений и измерений, может существовать в нашем мире. Кстати, именно по этому поводу в 2022 году присудили Нобелевскую премию по физике. Сейчас мы не видим возможности отделить результаты измерений от того, кто и как их проводит.
Многие ошибочно считают, что наука должна объяснять, почему Вселенная, в которой мы живём, такая, какая есть. На самом деле наука занимается точным описанием нашей Вселенной, и достигла в этом значительных успехов. Однако одни из самых интересных вопросов, постоянно возникающих у людей естественным образом, часто связаны с тем, почему происходят те или иные явления. Нашему интеллекту очень нравится система причин и следствий – если что-то случилось, а позже случилось что-то ещё, тогда второе событие должно являться следствием первого. Во многих случаях так и есть, однако квантовый мир уже способен нарушать эту стройную картину.
Так что у нас нет ответа на один из подобных вопросов, а именно: существует ли объективная реальность, не зависящая от наблюдателя. Многие считают, что существует, и обычно интерпретация квантовой физики строится на предположении о существовании лежащей в основе всего объективной реальности. Другие такого предположения не делают, и строят свои интерпретации квантовой физики без такой подложки. В любом случае у нас есть только те инструменты, которые есть – мы можем измерять и наблюдать то, что можем. А результаты наблюдений мы можем пытаться объяснить, как прибегая к наличию объективной реальности, так и не прибегая к нему. Поэтому наличие объективной реальности может стать приятным с философской точки зрения фактом, но для физики оно совершенно не обязательно.
Автор: Вячеслав Голованов
