Конечность возможностей

Представьте душную летнюю ночь и жужжащую муху, которая назойливо кружит над вашей кроватью. Уже были попытки прихлопнуть вредное насекомое мухобойкой или уморить зловонным спреем. Ничего не помогает. В отчаянии вы пытаетесь убедить муху улететь. «Ведь это большая спальня», — уговариваете вы муху. «Здесь столько разных мест, где можно полетать. Нет никакой особой причины жужжать именно над моим ухом». «Неужжжели? — хитро парирует муха. — И сколько же их?».

В классической вселенной правильным ответом будет «бесконечно много». Как только вы скажете это мухе, она (а точнее её центр масс) может перелететь на 3 метра влево, либо на 2,5 метра вправо, а может быть на 2,236 метра наверх или на 1,195829 метра вниз, или... ну вы поняли идею. Так как положение мухи меняется непрерывно, то число мест, где она может оказаться, — бесконечно. На самом деле, как только вы станете объяснять это мухе, то сразу же поймёте, что не только положение бесконечно разнообразно характеризует муху, но и скорость. В какой-то момент муха может быть здесь и лететь направо со скоростью один километр в час или налево, со скоростью полкилометра в час. Может лететь вверх со скоростью в четверть километра в час или вниз — со скоростью 0,349283 километра в час, и так далее. И хотя скорость мухи ограничена некоторыми факторами (включая конечный запас энергии, — чем быстрее муха летит, тем больше энергии тратит), она может изменяться непрерывно, что приводит к ещё одному бесконечному выбору возможностей.

Но муху вы не убедили. «Я согласна с тобой, если речь идёт о смещении на сантиметр или полсантиметра, или даже на четверть сантиметра, — отвечает муха. — Но когда ты говоришь о положениях в пространстве, разделённых расстояниями в одну десятитысячную или в одну миллионную сантиметра, то я там просто не умещусь! Пусть для какого-нибудь умника это разные положения, но мой жизненный опыт подсказывает, что нет никакой разницы между быть здесь и быть на одну миллиардную сантиметра слева отсюда. Я не чувствую такую крошечную разницу и поэтому не могу считать их разными положениями. То же самое происходит и со скоростями. Я могу отличить скорость один километр в час от скорости в два раза меньше. Но разница между 0,25 километров в час и 0,249999999 километров в час? Я тебя умоляю! Только очень мудрая муха может утверждать, что видит разницу. Но на самом деле никто из нас не способен на такое. Что до меня — эти скорости одинаковые. Так что доступное разнообразие вариантов гораздо у́же, чем ты описываешь».

Муха подняла важный вопрос. Вообще говоря, количество положений мухи, как и количество возможных скоростей — бесконечно. Но на практике есть предел того, насколько точно можно ощутить разницу скоростей и положений, прежде чем она пропадёт окончательно. Это будет верно, даже если оснастить муху самым лучшим оборудованием. Всегда существует предел малости измеряемого приращения скорости или положения. И неважно, насколько малы эти минимальные приращения; если они отличны от нуля, они радикально сужают область возможных значений измерений.

Например, если наименьшее приращение, которое можно измерить, составляет сотую долю сантиметра, то в каждом сантиметре содержится не бесконечное число возможных измеряемых положений, а всего лишь сотня. Таким образом, в каждом кубическом сантиметре содержится 1003 = 1 000 000 различных положений, а в спальне средних размеров их будет около 100 триллионов. Трудно сказать, впечатлит ли муху такой спектр предложений, и оставит ли она вас в покое. Вывод, однако, состоит в том, что всё, кроме измерений с абсолютным разрешением, уменьшает число возможностей от бесконечного до конечного.

Вы можете возразить, что неспособность различать кратчайшие пространственные расстояния или фиксировать мельчайшую разницу между скоростями является всего лишь технологическим ограничением. Прогресс не стоит на месте, точность оборудования растёт, так что число заметно разных положений и скоростей, доступных хорошо финансируемой мухе, тоже будет увеличиваться. Здесь, однако, я должен обратиться к основам квантовой теории. В соответствии с квантовой механикой есть вполне определённый смысл в том, что существует фундаментальный предел точности, с которой могут быть проведены измерения, и такой предел в принципе не может быть преодолён, никогда, как бы далеко не продвинулся технологический прогресс. Данный предел возникает из основного принципа квантовой механики, принципа неопределённости.

Принцип неопределённости утверждает, что какие бы измерительные приборы или способы измерений вы не использовали, за увеличение разрешения при измерении одной величины неизбежно приходится платить — падает точность измерения некоторой дополнительной к ней величины. Одним из главных примеров проявлений принципа неопределённости является то, что чем точнее вы измеряете положение объекта, тем менее точно вы может измерить его скорость, и наоборот.

Для классической физики, той физики, которая во многом соответствует нашим интуитивным представлениям об устройстве этого мира, данное ограничение абсолютно чуждо. Однако как некую грубую аналогию, представьте себе процесс фотографирования той ехидной мухи. Если скорость затвора высока, получится контрастное изображение, на котором будет запечатлено положение мухи в тот момент, когда вы сделали снимок. Но из-за того, что это моментальный снимок, муха на нём неподвижна, и он не содержит никакой информации о её скорости. При уменьшении скорости затвора получится расплывчатый снимок, содержащий некоторую информацию о движении, однако именно из-за этой расплывчатости на снимке не будет точных данных о положении мухи. Невозможно сделать снимок, содержащий информацию и о точном положении, и о точной скорости мухи.

С помощью математического аппарата квантовой механики Вернер Гейзенберг определил точный предел того, насколько неточным должно быть с необходимостью совместное измерение положения и скорости. Эта неизбежная неточность и есть то, что физики называют квантово-механической неопределённостью. Существует особенно полезный для наших целей способ представить этот результат. Так же как для получения контрастной фотографии необходима высокая скорость затвора, соотношение Гейзенберга показывает, что для проведения более точного измерения положения объекта требуется зонд с большей энергией. Включите ваш прикроватный светильник, и этот зонд — рассеянный, слабый свет — позволит вам разглядеть глаза и лапки у мухи; а если посветить на муху высокоэнергичными фотонами, такими как рентгеновские лучи (только не переусердствуйте, иначе можно поджарить муху), то большее разрешение позволит разглядеть мышцы, приводящие в движение мушиные крылья. При этом абсолютное разрешение, согласно Гейзенбергу, требует бесконечных затрат энергии. А это недостижимо.

Итак, самый главный вывод мы уже сделали. Из классической физики со всей очевидностью следует, что абсолютное разрешение не достижимо на практике. Квантовая механика идёт дальше и утверждает, что абсолютное разрешение не достижимо в принципе. Если вы представляете, что скорость и положение объекта, будь то муха или электрон, одновременно изменяются на достаточно малые значения, то согласно квантовой механике вы представляете нечто, не имеющее смысла. Изменения, слишком малые чтобы их измерить, даже в принципе, не являются изменениями вообще.14

С помощью тех же рассуждений, что мы использовали в доквантовом анализе мухи, можно видеть, что ограничение на разрешение уменьшает от бесконечного до конечного число различных значений положения и скорости объекта. И поскольку ограниченное разрешение, вытекающее из квантовой механики, вплетено в саму ткань физических законов, уменьшение числа возможностей до конечного неизбежно и неопровержимо.