1520
У бібліотеці в Австрії понад 80 років пролежав забутий рукопис одного з творців квантової фізики. Тепер історик науки Флавіо Дель Санто (Flavio Del Santo) з Женевського університету оприлюднив цей трьохсторінковий документ, у якому Ервін Шредінгер пропонує давно загублений внесок у суперечку про детермінізм у квантовій механіці. Знахідка дає несподіване уявлення про те, як сам Шредінгер бачив природу реальності.
Матеріал, на який звернув увагу Дель Санто, описано в статті на порталі ScienceAlert. Зазвичай Шредінгера зображують як критика квантової випадковості, але рукопис показує інше: він вважав, що в Всесвіті є аспекти, які принципово неможливо передбачити, і дотримувався цієї думки ще до появи квантової теорії у 1920-х роках. У неопублікованому тексті він прямо пише, що «найсильніший аргумент на користь індетермінізму старший за квантову механіку».
Детермінізм проти квантової випадковості
У класичній фізиці справжньої випадковості не існує. Кидок гральної кістки, підкидання монети чи робота генератора випадкових чисел на комп’ютері в принципі можна передбачити, якщо знати всі початкові умови. Такий підхід називають детермінізмом: кожна подія визначається попередніми станами системи, навіть якщо ми не знаємо всіх деталей. Попри певні філософські зауваження, це залишається базовим припущенням класичної механіки.
Квантова механіка працює інакше. На мікрорівні поведінку фотонів чи електронів можна описати лише у вигляді ймовірностей. Фізики з великою точністю обчислюють, як часто траплятиметься той чи інший результат, але не можуть напевно сказати, що зробить окрема частинка. Це породжує фундаментальне питання: чи є Всесвіт по суті випадковим, чи існують приховані фактори, які визначають поведінку частинок, але не враховані в квантовій теорії?
Такі гіпотетичні фактори назвали прихованими змінними. Ідея полягає в тому, що кожна частинка має додаткові, нам невідомі властивості, які й визначають конкретний результат вимірювання. У 1932 році математик Джон фон Нейман опублікував роботу, яку сприйняли як строгий доказ неможливості прихованих змінних. Його авторитет був настільки великим, що дослідження в цьому напрямку майже зупинилися більш ніж на десятиліття.
Не всі погодилися з таким висновком. Уже в 1935 році математик Грете Герман показала серйозні вади в аргументації фон Неймана, але її критику майже не помітили. До середини 1940-х років дискусія спалахнула знову — парадоксально, завдяки виступам фізиків, які публічно виступали проти прихованих змінних.
Суперечка про «крах детермінізму»
У травні 1943 року математик і фізик Едмунд Тейлор Віттакер прочитав лекцію, де стверджував, що квантова механіка остаточно зруйнувала класичний детермінізм. На відміну від кидка монети, де непередбачуваність пов’язана з нашою необізнаністю, квантова випадковість, за його словами, є справжньою: жодна додаткова інформація не зробить окремий результат передбачуваним.
У січні 1944 року фізик Сатьендра Натх Бозе на засіданні Індійського наукового конгресу висловив подібну думку, заявивши, що фізики «здобули знання, але втратили віру» в детерміністичні закони природи. У липні 1944 року математик Генрі П’яджо опублікував у журналі Nature статтю під назвою «Крах детермінізму», де переказав аргументи Бозе. Це спричинило хвилю відповідей від фізиків, які не вважали детермінізм остаточно спростованим.
У наступні місяці на сторінках журналу розгорнулася жвава полеміка. Дослідники детально аналізували твердження про неможливість прихованих змінних, зокрема й приклад Віттакера з фотонами та поляризованим світлом.
У своїй лекції 1943 року Віттакер запропонував, як йому здавалося, простий доказ того, що приховані змінні не можуть існувати. Він розглядав фотони, які проходять через поляризатор — пристрій, що пропускає світло певної орієнтації. Квантова механіка точно передбачає, яка частка фотонів пройде через поляризатор при будь-якому куті. Віттакер стверджував: якщо кожен фотон несе «приховану інструкцію» — пройти чи відбитися, — то зміна кута поляризатора вже після випромінювання фотона зробила б цю інструкцію марною. Отже, результат не може бути наперед визначеним прихованими змінними.
Модель Шредінгера з прихованими змінними
Шредінгер уважно стежив за цією дискусією і після листопада 1944 року написав власну відповідь, теж під назвою «Крах детермінізму». У ній він вказав на ключову помилку в аргументі Віттакера. Той припускав, що прихована змінна фотона може набувати лише двох значень: «пройти» або «відбитися». Шредінгер зауважив, що немає підстав так обмежуватися: прихована змінна може безперервно змінюватися в діапазоні від нуля до одиниці.
Він побудував математичну модель, у якій результат проходження фотона через поляризатор залежить і від значення прихованої змінної, і від кута поляризатора. За відповідних правил така модель відтворює ймовірності, які передбачає квантова механіка, але без припущення, що кожна окрема взаємодія є по-справжньому випадковою.
Другою важливою частиною моделі стало детерміністичне правило оновлення прихованої змінної після проходження фотона через поляризатор. Це дозволяло моделі узгоджено описувати послідовні вимірювання, а не лише один експеримент.
При цьому метою Шредінгера не було «врятувати» детермінізм як власну віру. Він захищав саме можливість детермінізму від конкретних тверджень про його неможливість. У рукописі він наголошує, що експериментальні дані разом із логічними міркуваннями ніколи не можуть остаточно довести неможливість ані детерміністичного, ані індетерміністичного підходу.
Чому рукопис залишився в тіні
Текст Шредінгера так і не був опублікований. Причини невідомі, але Дель Санто пропонує можливе пояснення. У 1944 році фізик Генріх Пельцер оприлюднив схожу модель з прихованими змінними, яка також показувала неспроможність аргументу Віттакера. Можливо, Шредінгер дізнався про цю роботу й вирішив, що головну ідею вже висловлено.
Однак його власна модель ішла далі: вона містила явне правило, як змінюється прихована змінна фотона після проходження поляризатора, і тому могла описувати серію вимірювань. Попри це, рукопис залишився в архіві в Австрії, де й пролежав понад вісім десятиліть, доки його не знайшов Дель Санто.
Шредінгер і «упередження» класичного детермінізму
Ще один поворот історії пов’язаний з особистими поглядами Шредінгера. Його часто подають як прихильника жорсткого детермінізму, але власна філософська позиція фізика була іншою. Ще в 1920-х роках, до формування сучасної квантової механіки, він припускав, що закони природи можуть бути фундаментально статистичними, а не зумовленими прихованим «годинниковим механізмом» абсолютно передбачуваних подій.
Під впливом фізика Франца Екснера Шредінгер називав класичний детермінізм «філософським упередженням» і «апріорною вірою». Неопублікований рукопис свідчить, що його позиція не змінилася ані в 1940-х роках, ані пізніше: він послідовно підтримував індетермінізм, але водночас відстоював право детерміністичних моделей на існування як логічно можливих.
Хоча дискусія про «крах детермінізму» 1940-х років нині майже забута, фізики й досі розходяться в поглядах на її головне питання. Пізній внесок Шредінгера нагадує: варто зберігати відкритість до різних інтерпретацій. Людина, яка подарувала науці знаменитого «кота Шредінгера», залишила нам питання, що й досі перебуває в своєрідному суперпозиційному стані: чи є Всесвіт детерміністичним — чи ні.
Дель Санто підсумовує, що Шредінгер ще до появи квантової механіки й незалежно від неї сформував стійку прихильність до індетермінізму й зберіг її протягом усієї кар’єри. Моделі на кшталт шредінгерівської, зазначає він, слугують радше «доказами принципової можливості» проти поширених вірувань і заяв про неможливість, ніж виразом догматичної відданості детермінізму. Наукова робота Дель Санто доступна на препринт-сервері arXiv.
Рукопис Шредінгера показав неочікуваний погляд на випадковість з’явилася спочатку на Цікавості.
