Но даже Эйнштейн иногда ошибался. Одно из самых интересных и необъяснимых предположений, сделанных на основании квантовой механики, – идея запутанности. В квантовом мире две и более частицы могут мгновенно создать связь в пространстве, бросая тем самым настоящий вызов логике. Терминологически это явление известно как нелокальность, и ее можно образно объяснить так: то, что происходит «здесь», может мгновенно повлиять на то, что происходит «там». Мы говорим, что две частицы описываются одним и тем же «квантовым состоянием», одной волновой функцией. Эйнштейн всегда ощущал некоторую неловкость по поводу нелокальности и запутанности, называя их «подозрительным воздействием на расстоянии», и отказывался признать, что какое-либо взаимодействие между субатомными частицами способно перемещаться быстрее скорости света, поскольку это противоречило бы специальной теории относительности. Однако такая взаимосвязь может, в принципе, возникать даже между частицами на противоположных концах Вселенной. Пионеры квантовой науки доказали, что явление запутанности естественным образом вытекает из их формул, а эксперименты 1970–1980-х годов подтвердили, что Эйнштейн был не прав: теперь мы эмпирически установили, что квантовые частицы могут образовывать мгновенные связи, находясь далеко друг от друга в пространстве. На самом деле наша Вселенная нелокальна.

Сегодня многие ученые, работающие в таких областях, как квантовая оптика, квантовая информационная теория и даже квантовая гравитация, видят глубокую связь между запутанностью и главной проблемой квантовой механики – проведением измерений. Сначала мы должны признать, что квантовая система – скажем, атом – на самом деле является частью окружающего ее мира, так что рассматривать ее отдельно, строго говоря, будет неверно. Мы должны учесть в наших вычислениях воздействие окружающей среды. Такая открытая квантовая система ставит перед нами гораздо более сложную проблему, но в тоже время она дает нам возможность продвинуться вперед в понимании того, что значит проводить измерения в квантовой системе за пределами того, что Нильс Бор назвал «необратимым актом», имея в виду, что квантовая «размытость» кристаллизуется в реальность при проведении измерений.

По сути, теперь ясно, что среда, окружающая квантовую систему, такую как атом, может сама провести все «измерения». Для этого не требуется осознанное наблюдение. Мы можем представить себе, как атом еще более «запутывается» в своем окружении, так что его квантовая природа «вытекает» в среду как тепло, выделяющееся из нагретого тела. Это вытекание и есть эфемерная квантовая размытость, известная как декогерентность, и в данный момент она активно исследуется. Чем сильнее взаимосвязь между квантовой системой и ее средой, тем быстрее рассеивается ее квантовое поведение.

Объясняет ли этот процесс полностью проблему измерения или нет – вопрос, который все еще горячо дебатируется в определенных кругах. Попытка решить сложную проблему измерений в квантовой механике (или провести границу между мельчайшим квантовым миром и масштабным классическим миром) была впервые осуществлена в середине 1930-х годов знаменитым Эрвином Шредингером при помощи мысленного эксперимента. Несмотря на то что Шредингер был одним из пионеров и отцов-основателей в этой области знаний, он неоднократно высказывал сомнения насчет смысла квантовой механики. Шредингер спрашивал, что бы случилось, если бы мы поместили кошку в ящик с радиоактивным веществом и смертельным ядом. Пока наш ящик закрыт, мы не можем сказать, была ли испущена радиоактивная частица, которая активирует механизм выделения яда, который убьет кошку. Все, что мы можем сделать, – это высчитать вероятность двух возможных исходов, когда мы откроем ящик: либо частица уже испущена и кошка мертва, либо нет и кошка жива. Однако согласно законам квантовой механики, пока ящик закрыт, субатомные частицы будут повиноваться законам квантового мира; следует признать принцип квантовой суперпозиции, и тогда наша частица одновременно уже испущена и еще нет.

В закрытом ящике судьба кошки зависит от квантового события. Шредингер утверждал, что, поскольку сама кошка состоит из атомов, пусть даже их триллионы, каждый из них – некая квантовая сущность, которая тоже должна существовать в квантовой суперпозиции: одновременно в состоянии живом и мертвом. Однако определенный исход мы сможем увидеть, только если откроем ящик. То есть кошка либо жива, либо мертва, а вовсе не находится в состоянии полной неопределенности.

Разумный способ решения этой проблемы в том, чтобы предположить, что такие квантовые суперпозиции докогерируют в окружающую среду и поэтому не сохраняются надолго в отношении таких макроскопических объектов, как кошка, которая никогда не бывает одновременно в двух состояниях даже до того, как мы открываем ящик. На самом деле хотя изолированный радиоактивный атом, пока мы его не увидели, следует считать находящимся в суперпозиции, одновременно в распавшемся и нераспавшемся состоянии, он находится в сложной среде, состоящей из воздуха, счетчика Гейгера и кошки, с которыми он мгновенно вступает в состояние запутанности, так что опция двух одновременных состояний не сохраняется.

Так что, проблема решена? И правда ли, что два альтернативных состояния кошки отражают не более чем наше неведение относительно ее судьбы, пока мы не откроем ящик? Если это не так, то нам все равно остается неизвестно, что за физический процесс происходит, когда мы открываем ящик. Что случилось с опцией, которой мы не наблюдаем? Сторонники интерпретации квантовой механики как множества вселенных считают, что этому есть простое и четкое объяснение. Они утверждают, что теперь у нас есть две параллельные реальности, в каждой из которых реализуется своя опция. То, что мы обнаружим, открыв наш ящик, отражает ту реальность, в которой находимся мы сами.

Другие физики, которые не готовы принять идею бесконечно увеличивающегося количества реальностей, выдвинули целый ряд альтернативных теорий, которые все равно требуют существования объективной реальности в отсутствии измерений, причем каждая теория содержит какой-то причудливый, скрытый аспект реальности. Например, иной способ интерпретации квантовой теории был предложен в 1920-х годах французским физиком Луи де Бройлем, а затем в течение нескольких десятилетий подробно разрабатывался Дэвидом Бомом. Согласно этой теории, квантовый мир состоит из частиц, передвижение которых определяется волновой функцией. Их свойства скрыты от нас (они называются скрытыми переменными), но они описывают квантовый мир без той расплывчатости, которая характерна для копенгагенской картины бытия. Вместо того чтобы считать, что сам электрон проявляет свойства волны и частицы в зависимости от того, как мы проводим измерения, предполагается, что существуют и волны, и частицы, но заметить мы можем только частицы. Небольшая, но очень увлеченная группа физиков во всем мире считает, что у теории Бройля – Бома большие перспективы, однако это очень мало исследованная опция в ряду возможных квантовых интерпретаций.

Как бы меня ни увлекал этот разговор, придется здесь прерваться, поскольку другие книги гораздо глубже освещают эту тему, а мои возможности ограниченны. В любом случае для меня проблема квантовой механики еще не решена, но пока мы на этом остановимся.

До сих пор я в основном уделял внимание базовым понятиям, материи и энергии, пространству-времени, в котором они существуют, и квантовой природе реальности, которая лежит в основе всего этого. И я еще не обращался к некоторым столь же фундаментальным концептам физики, которые начинают проявляться, когда большое количество частиц сходится воедино, образуя сложные системы. Поэтому давайте пока оставим мир мельчайших частиц и уменьшим масштаб, чтобы посмотреть, что происходит, когда возникают сложные системы, и исследуем такие глубинные понятия, как порядок, хаос, энтропия и стрела времени.