Век великих споров

Это была откровенно махистская программа. И она сработала: из таблиц наблюдаемых величин выросла новая механика. Математики вскоре узнали в этих таблицах матрицы. У них было странное свойство: результат умножения зависел от порядка сомножителей. Положение, умноженное на импульс, не равно импульсу, умноженному на положение.

Почти одновременно, в 1926 году, австриец Эрвин Шрёдингер пришёл к той же теории совсем другим путём. Электрон у него был не частицей, а волной, описываемой уравнением, знакомым каждому физику. Вскоре он же доказал, что две теории равносильны. Одна и та же физика была записана на двух языках: на языке дискретных скачков и на языке непрерывных волн. Это тот самый случай, о котором говорил Пуанкаре: разные картины, одна и та же структура.

Вероятность в законах природы

Но что такое волна Шрёдингера? Сам Шрёдингер надеялся, что это настоящая волна, размазанный по пространству электрон. Ответ, который приняли физики, дал в 1926 году Макс Борн. Состоял он в одном примечании, добавленном в статью уже в корректуре. Волна не есть сам электрон. Она задаёт вероятность найти электрон в том или ином месте, если его там искать. Редко примечание мелким шрифтом меняло картину мира.

Разница с вероятностями XIX века принципиальна. У Больцмана вероятность описывала наше незнание о том, что в принципе можно узнать. В квантовой механике, по понятиям её создателей, узнавать больше нечего. Атом радиоактивного вещества распадается в случайный момент не потому, что мы не знаем его внутренних пружин. Скрытых пружин нет. Закон природы сам по себе говорит не «распадётся тогда-то», а «распадётся за такое-то время с такой-то вероятностью».

Неопределённость и дополнительность

В 1927 году Гейзенберг вывел из новой теории соотношение неопределённостей. Чем точнее определено положение частицы, тем менее определён её импульс, и наоборот. Произведение двух неопределённостей не может быть меньше определённой крошечной величины, связанной с постоянной Планка.

Сам Гейзенберг поначалу объяснял его так. Чтобы увидеть электрон, его надо осветить, а фотон при ударе сдвинет электрон. Это объяснение с «возмущением при измерении» до сих пор гуляет по учебникам. Но оно неточно, и Бор сразу же его поправил. Дело не в неуклюжести приборов, сдвигающих частицу, у которой в действительности есть точное положение и точная скорость. Дело в том, что классические понятия «положение» и «импульс» применимы к квантовому объекту лишь с ограничениями.

Осенью того же 1927 года на конференции в итальянском Комо Бор изложил идею дополнительности. Квантовый объект проявляет себя то как частица, то как волна — в зависимости от того, какую экспериментальную установку мы выбрали. Оба описания необходимы, но в одном опыте несовместимы. Вместе они дают полную картину. Полнее этой картины, по Бору, физика дать не может и не должна.

Что такое копенгагенская интерпретация

Из этих идей сложилась так называемая копенгагенская интерпретация. Вообще говоря, это не единая доктрина: у Бора, Гейзенберга и Борна были заметные расхождения. Но общее ядро можно описать тремя тезисами. Волновая функция — это инструмент для вычисления вероятностей, а не описание вещи. Вопрос о том, какие свойства есть у квантового объекта вне всякого измерения, не имеет физического смысла. И описание опыта всегда даётся на классическом языке — языке приборов, стрелок и счётчиков. Ученик Бора Оге Петерсен вспоминал, что Бор сформулировал это ещё резче. Квантового мира не существует, есть только абстрактное квантовое описание.

Легко понять, почему логические позитивисты встретили копенгагенскую трактовку с восторгом. Она делала ровно то, что они предлагали делать со всей философией. Вопросы, на которые нельзя ответить опытом, объявлялись бессмысленными. А теория понималась как средство упорядочить и предсказать наблюдения, а не как картина скрытой реальности. Но именно эти тезисы и не принял Эйнштейн.

Спор Эйнштейна и Бора

Старик не играет в кости

4 декабря 1926 года Эйнштейн написал Максу Борну письмо, из которого родилась самая известная фраза в истории физики. В пересказе она звучит как «Бог не играет в кости». В оригинале всё чуть иначе и гораздо сложнее. Эйнштейн пишет, что квантовая механика внушает уважение. Но внутренний голос говорит ему, что это ещё не то. Теория даёт многое, но к тайне Старика почти не приближает. Во всяком случае он убеждён, что Тот не бросает кости.

«Стариком» Эйнштейн называл не библейского Бога, в которого не верил. Так он называл устройство природы, порядок мира в духе Спинозы. Это надо помнить, чтобы не попасться на любимую уловку церковных апологетов: «даже Эйнштейн верил в Бога». Смысл фразы не богословский, а физический. Законы природы, по Эйнштейну, должны описывать, что происходит. Вероятность же лишь фиксирует наше незнание скрытых причин. Значит, квантовая механика верна, но неполна. Как статистическая механика без механики отдельных молекул.

Бору приписывают ответ: перестаньте указывать Богу, что ему делать. Документального подтверждения у этой фразы нет. Но суть позиции Бора она передаёт точно. Наши представления о том, какой должна быть природа, не вправе диктовать ей законы. Если теория предсказывает все наблюдения, требовать от неё ещё и «понятной картины» значит навязывать природе свои привычки.

Ящик с фотонами

Лучший эпизод спора случился на шестом Сольвеевском конгрессе в 1930 году. Эйнштейн предложил мысленный эксперимент, который должен был опровергнуть соотношение неопределённостей для энергии и времени. Возьмём ящик, наполненный светом. В стенке есть заслонка, которую часовой механизм открывает на точно заданный миг и выпускает один фотон. Взвесим ящик до и после, и по разнице масс через формулу E = mc² узнаем энергию фотона. И время вылета, и энергия окажутся известны сколь угодно точно.

Свидетели вспоминали, что Бор был в шоке и половину ночи не спал. А наутро принёс ответ, который по сей день считается шедевром. Чтобы взвесить ящик, его надо подвесить на пружине в поле тяготения. После вылета фотона ящик станет легче и приподнимется. Но часы в поле тяготения, согласно общей теории относительности, идут с разной скоростью на разной высоте. Неопределённость в положении ящика превращается в неопределённость в ходе часов. И расчёт даёт ровно то соотношение неопределённостей, которое Эйнштейн собирался опровергнуть. Бор опроверг Эйнштейна при помощи теории самого Эйнштейна.

Этот эпизод — прекрасная иллюстрация к тезису Дюгема из второго тома. Мысленный эксперимент проверяет не одну гипотезу, а всю связку теорий, включая теорию самих приборов — весов и часов. Эйнштейн забыл учесть звено, которое сам же и выковал.

Элементы физической реальности

После 1930 года Эйнштейн перестал искать противоречия в квантовой механике. Он признал, что теория непротиворечива, и сменил тактику. Теперь он доказывал, что теория неполна. В 1935 году вместе с молодыми коллегами Борисом Подольским и Натаном Розеном он опубликовал статью, которую по инициалам авторов зовут статьёй ЭПР. Подольский, кстати, родился в Таганроге и несколько лет работал в Харькове.

Авторы начали с философского критерия. Если мы можем, никак не возмущая систему, с достоверностью предсказать значение некоторой величины, то этой величине соответствует элемент физической реальности. Затем они рассмотрели две частицы, которые когда-то взаимодействовали, а потом разлетелись далеко. По законам квантовой механики их свойства связаны. Измерив положение первой, можно точно узнать положение второй, а измерив импульс первой — её импульс. Вторую частицу при этом никто не трогает. Значит, у неё есть и точное положение, и точный импульс, а квантовая механика не может описать их одновременно. Следовательно, она неполна. Иначе пришлось бы допустить, что измерение здесь мгновенно влияет на частицу там. Это Эйнштейн позже назовёт «призрачным дальнодействием».

Бор ответил через несколько месяцев статьёй с тем же названием. Его текст всегда считали трудным, но суть ответа передать можно. Критерий ЭПР незаконно вырывает частицу из экспериментальной обстановки. Речь идёт не о физическом воздействии, а о том, какие вообще вопросы можно задавать при данном устройстве опыта. Большинство физиков сочло спор решённым в пользу Бора и вернулось к вычислениям. Философы же спорят о том, кто прав, до сих пор.

Кот, которого не поняли

В том же 1935 году, в переписке с Эйнштейном, Шрёдингер придумал самого известного кота в истории науки. Кот сидит в закрытом ящике вместе с атомом радиоактивного вещества и ампулой яда. Если атом распадётся, механизм разобьёт ампулу. По квантовой механике, пока ящик закрыт, атом находится в смешанном состоянии «распался и не распался». Значит, и кот — одновременно жив и мёртв?

Сегодня кот Шрёдингера печатается на футболках и кружках как символ чудесной квантовой реальности, где возможно всё. Шрёдингер был бы очень удивлён. Своего кота он придумал как доведение до абсурда, чтобы показать: копенгагенская трактовка не может быть полной. Настоящие кошки не бывают полуживыми, значит, где-то между атомом и котом теория что-то упускает. Где именно заканчивается квантовый мир и начинается классический? Этот вопрос, проблема измерения, остаётся одним из самых обсуждаемых в основаниях физики. Популярная культура превратила его в ответ.

Существует ли Луна, когда на неё никто не смотрит

В последние годы жизни Эйнштейн гулял по Принстону с молодым физиком Абрахамом Пайсом, своим будущим биографом. Пайс вспоминал, что Эйнштейн однажды остановился и спросил его. Действительно ли он верит, что Луна существует, только когда на неё смотрят? В этом вопросе вся позиция Эйнштейна. Он был реалистом: мир существует независимо от наблюдения, и дело физики — описывать его, а не только предсказывать показания приборов. Так создатель теории, которую позитивисты считали своим знаменем, оказался их самым известным оппонентом.

Рассудил эксперимент

Долго казалось, что спор Эйнштейна и Бора нельзя решить опытом: обе стороны предсказывают одни и те же наблюдения. В 1964 году ирландский физик Джон Белл показал, что это не так. Он сформулировал неравенство, которому должна подчиняться любая теория со скрытыми параметрами в духе Эйнштейна, где далёкие события не влияют друг на друга. Квантовая механика предсказывала нарушение этого неравенства.

Философский спор превратился в проверяемое утверждение. Эксперименты американца Джона Клаузера в 1970-е и француза Алена Аспе в начале 1980-х показали: неравенство Белла нарушается, как и предсказывала квантовая механика. В 2022 году за эти опыты Клаузер, Аспе и австриец Антон Цайлингер получили Нобелевскую премию. Эйнштейновский мир, в котором у каждой частицы есть заранее заданные свойства и ничто не связано с далёким, опыт отверг. Что именно из этого следует для реализма, — отдельный и до сих пор открытый вопрос, к нему мы вернёмся в четвёртом томе.

Здесь важен сам факт. Спор, который позитивисты объявили бы бессмысленным, через тридцать лет получил экспериментальный ответ — хотя бы на часть своих вопросов. Эйнштейн в итоге оказался не прав. Но именно его упрямая дотошность поставила вопрос, на который смог ответить опыт. Из статьи ЭПР выросли целые области современной физики — квантовая криптография и квантовые вычисления.

Физика в чужих руках

Что в действительности случилось с детерминизмом

Итак, лапласовский детерминизм пал. Но пал он совсем не так, как это часто представляют. Квантовая механика не говорит, что в мире возможно что угодно. Она говорит, что исход отдельного измерения предсказан лишь с некоторой вероятностью. Сами же вероятности заданы железно и вычисляются с фантастической точностью. Квантовая электродинамика предсказывает магнитные свойства электрона с совпадением в десятом-двенадцатом знаке после запятой. Это самая точно проверенная теория в истории науки, и она вероятностная.

На масштабе столов, планет и людей квантовые неопределённости усредняются до незаметности. Мир здесь ведёт себя так же предсказуемо, как у Ньютона, — именно это и требовал принцип соответствия Бора. Источником непредсказуемости в большом мире служат скорее явления другого рода. Второй том заканчивался предчувствием детерминированного хаоса у Пуанкаре. Такие системы подчиняются строгим законам, но непредсказуемы из-за чувствительности к начальным условиям.

Философски перемена огромна, но узка. Вероятность перестала быть только мерой нашего незнания и вошла в сами законы. Это всё. Никакой свободы воли, телепатии или личной власти над миром из этого не следует. Случайный распад атома не делает нас свободнее, чем бросок монетки.

Квантовое всё

Однако слово «квантовый» постигла та же судьба, что и слово «относительный», только в удесятерённом виде. В 1989 году один популярный американский целитель выпустил бестселлер о «квантовом исцелении». С тех пор на рынке появились квантовая психология, квантовые браслеты, квантовая структурированная вода и курсы квантового привлечения денег. Слово работает как амулет: что бы ни продавалось, оно сразу выглядит научным и дорогим. Реклама в любой стране пользуется этим так же охотно, как потомственные колдуны.

Ход мысли у всех этих учений один. «В квантовой механике наблюдатель влияет на реальность. Значит, наше сознание творит мир. Значит, если думать о деньгах правильно, они придут». Ошибка сидит уже в первом звене. «Наблюдателем» в физике называют не человека с его желаниями. Это любое взаимодействие, оставляющее макроскопический след: счётчик, фотопластинка, соударение с молекулой воздуха. Частице совершенно безразлично, смотрит ли на детектор лаборант или он ушёл обедать.

Честности ради надо сказать, что несколько великих физиков и правда рассуждали о роли сознания в измерении. Среди них был фон Нейман в 1930-е и Юджин Вигнер в 1960-е. Но это были гипотезы на одном из самых тёмных участков — в проблеме измерения, и высказывали их с осторожностью. Сам Вигнер позже от них отказался. Никто из них не утверждал, что сознание выбирает исход по своему желанию. Квантовые вероятности не меняются от того, на что надеется экспериментатор. Иначе физики, мечтающие об открытии, открывали бы что угодно, и наука немедленно прекратилась бы.

Здесь стоит отметить ещё одну закономерность. Ни один из продавцов квантовых браслетов не приводит в своих брошюрах ни одного уравнения. Это не случайность. Уравнение можно проверить, а слово «квантовый» — нет. Теория, рождённая из самой строгой математики, продаётся как освобождение от всякой строгости.

«Немецкая физика»

Настоящая драма новой физики случилась, когда ей занялись государства. В Германии против теории относительности с самого начала выступали два нобелевских лауреата-экспериментатора — Филипп Ленард и Иоганнес Штарк. Сначала их возражения были хотя бы отчасти физическими. Потом остались только национальные. Теория относительности была объявлена «еврейской физикой» — абстрактной, догматической и оторванной от живого опыта. Ей противопоставляли «немецкую физику», наглядную и опирающуюся на эксперимент. В 1931 году вышел сборник «Сто авторов против Эйнштейна». Рассказывают, что Эйнштейн ответил на него одной фразой: если бы он был неправ, хватило бы и одного. Фраза, скорее всего, легендарная. Но точнее выразить разницу между научным спором и политическим голосованием трудно.

После 1933 года «немецкая физика» получила государственную поддержку. Эйнштейн эмигрировал, сотни физиков еврейского происхождения потеряли работу. В 1937 году газета СС назвала Гейзенберга «белым евреем» за то, что он преподавал теорию относительности. Спасло его личное заступничество Гиммлера. Итог известен: Германия, до 1933 года бывшая мировой столицей физики, утратила это первенство. Изгнанные и бежавшие физики впоследствии стали основой американского атомного проекта. Истина, установленная приказом, обходится очень дорого — прежде всего тому, кто её устанавливает.

Советская физика на философском фронте

В Советском Союзе драма развивалась по другому сценарию, но с той же моралью. Здесь новую физику подозревали не в происхождении, а в философии. Читатель второго тома помнит книгу Ленина «Материализм и эмпириокритицизм» и её нападки на Маха. Теперь эта книга стала обязательной меркой всякой философии естествознания. А оба создателя новой физики, как мы видели, сами признавали долг перед Махом. Отсюда строился простой и смертельно опасный силлогизм. Махизм — идеализм. Копенгагенская школа и теория относительности связаны с Махом. Значит, новая физика идеалистична и чужда советской науке.

Началось всё задолго до кампаний, в свободных и довольно шумных спорах 1920-х годов. Советские философы-марксисты тогда разделились на два лагеря. «Механисты» считали, что естественные науки сами по себе дают материалистическую картину мира и философия им не указ — позиция, близкая к позитивизму, и потому подозрительная. Их противники, сторонники философа Абрама Деборина, требовали, чтобы наука развивалась под руководством диалектики. Парадоксальным образом именно среди «механистов» оказались самые принципиальные враги Эйнштейна. Физик Аркадий Тимирязев, сын известного ботаника, годами доказывал, что теория относительности противоречит материализму и что эфир ещё будет обнаружен. Так на советской почве воспроизвёлся тот же союз, что и в Германии: приверженцы «наглядной» физики XIX века против абстрактной новой физики, только под другим флагом.

На стороне новой физики стояли тогда почти все крупные советские физики — Абрам Иоффе, Яков Френкель, Игорь Тамм. На её стороне стоял и философ и физик Борис Гессен. Он показывал, что теория относительности вполне совместима с материализмом, и в 1931 году прочитал в Лондоне доклад о Ньютоне, прославивший его на весь мир (к нему мы вернёмся в четырнадцатой главе). В начале 1930-х над деборинцами и «механистами» разом расправились. Деборинцев объявили «меньшевиствующими идеалистами», и спор о философии науки стал политически опасным. Гессена арестовали в 1936 году и в том же году расстреляли. Одним из пунктов обвинения в газетных нападках на него была именно защита «идеалистической» новой физики.

После войны атаки приняли форму кампании. В 1947 году физик Моисей Марков опубликовал в только что созданном журнале «Вопросы философии» статью «О природе физического знания». Он осторожно изложил в ней идеи Бора. Ответом стала разгромная статья философа Александра Максимова в «Литературной газете», а главного редактора журнала сняли с должности. Летом 1948 года прошла августовская сессия ВАСХНИЛ, и генетика была разгромлена. Эту историю мы рассказывали в седьмой главе второго тома. Следующей на очереди казалась физика.

В декабре 1948 года начал работу оргкомитет Всесоюзного совещания физиков. По замыслу оно должно было стать физическим подобием сессии ВАСХНИЛ. В проектах докладов осуждались «идеализм» и «низкопоклонство перед Западом», звучали имена конкретных физиков. Оргкомитет заседал несколько месяцев. А в марте 1949 года, за несколько дней до открытия, совещание внезапно отменили без всяких объяснений.

О причинах рассказывают легенду, документально не подтверждённую, но весьма правдоподобную. Куратор атомного проекта Берия спросил научного руководителя проекта Игоря Курчатова, правда ли, что теория относительности и квантовая механика — идеализм. Курчатов ответил, что если от них отказаться, то отказываться придётся и от бомбы. Сталину приписывают фразу, что физиков пока можно оставить в покое, а расстрелять их можно и потом. Это уже точно фольклор. Но факт остаётся фактом. 29 августа 1949 года СССР испытал свою первую атомную бомбу, и намечавшийся разгром физики так и не состоялся. Казалось бы, что общего между генетикой и физикой? Разница оказалась не в степени «идеалистичности». Из физики нужно было сделать бомбу, и бомба не взорвалась бы от правильной философии. А урожайность по Лысенко можно было долго измерять отчётами.

Философская война с «эйнштейнианством» на этом не закончилась. В 1952 году тот же Максимов опубликовал статью «Против реакционного эйнштейнианства в физике». В начале 1953 года ему публично ответил ленинградский теоретик Владимир Фок, один из крупнейших специалистов по квантовой механике и теории тяготения. Статья Фока называлась «Против невежественной критики современных физических теорий». Была в этом и тонкая подробность. Фок защищал не слова, а физику. Свою книгу по общей теории относительности он назвал «Теория пространства, времени и тяготения» (1955) и подчёркивал в ней не относительность, а объективные свойства пространства-времени. Эйнштейн, жалевший о неудачном названии своей теории, наверняка оценил бы этот ход.

Физика уцелела, но сам способ мышления никуда не делся и просто перекинулся на соседние науки. В июне 1951 года в Москве прошло Всесоюзное совещание по теории химического строения. На нём осудили «теорию резонанса» американца Лайнуса Полинга — применение квантовой механики к химическим связям. Теорию объявили махистской и идеалистической, потому что она описывала молекулу как наложение нескольких воображаемых структур. Химики выступали с покаянными речами и переименовывали свои расчёты, не меняя в них ни одной формулы. Без правильного названия даже валентность становилась идеологически сомнительной.

В те же годы посмертно критиковали лекции выдающего физика Леонида Мандельштама, умершего в 1944 году. В лекциях по теории относительности Мандельштам подчёркивал, что физические понятия надо связывать с способами измерения. Это почти дословно урок Эйнштейна об одновременности, который мы разбирали выше. Критики увидели в этом «операционализм» Бриджмена, а значит, и махизм. А в 1954 году «Краткий философский словарь» назвал кибернетику реакционной лженаукой. До запуска первого спутника оставалось три года, и рассчитывали его на вычислительных машинах. Этот поворот истории не требует комментариев. Сама наука, объявленная лженаукой, оказалась тем, без чего не обойтись. А вот критерий, по которому она попала в лженауки, — несовместимость с правильной философией — и есть тот критерий, против которого направлена вся наша линия демаркации.

После 1953 года кампании стихли. В 1957 году в Москву приехал сам Бор. Он встречался с советскими физиками, и с Фоком у него сложился подлинный философский диалог. Фок считал квантовую механику объективным описанием мира, а не наших наблюдений. Он убедил Бора отказаться от некоторых неудачных формулировок, дававших повод для субъективистского толкования. Так идеологическая война неожиданно закончилась нормальным научным спором, в котором обе стороны что-то уточнили. Разница была в том, что теперь спорили физики и решали доводы, а не начальство.

Почему физика уцелела, а генетика нет? Ответ неприятен для идеологии и важен для философии науки. Результат физики проверялся быстро, наглядно и взрывом в казахской степи. Результат лысенковской агрономии проверялся медленно, и его удавалось годами подменять отчётами. Проверка опытом спасла физику там, где её нельзя было ни обойти, ни отложить. Это не похвала бомбе, а наблюдение о том, как работает демаркация в жизни. Там, где опыт судит быстро и неподкупно, лженауке трудно удержаться даже при поддержке государства. Там, где он судит медленно, она может царствовать десятилетиями.

Здесь нельзя не сказать и о цене, которую заплатила советская физика раньше, в годы Большого террора. В 1937 году был расстрелян харьковский физик Лев Шубников, в 1938-м — ленинградский теоретик Матвей Бронштейн. Бронштейн одним из первых в мире занялся соединением квантовой теории с теорией тяготения. Лев Ландау год просидел в тюрьме и был освобождён благодаря заступничеству Пётра Капицы. Фока тоже арестовывали. Репрессии не были прямым следствием философских споров. Но в атмосфере, где научную теорию можно было объявить враждебной, философский ярлык легко становился обвинением.

Мораль советской и немецкой историй одна, и она не зависит от цвета флага. Когда научную теорию оценивают по происхождению её автора или по соответствию правильной философии, а не по опыту, наука перестаёт быть наукой. Это и есть проблема демаркации, только поставленная с настоящим револьвером у виска. Не случайно, как мы увидим, один из самых влиятельных ответов на неё дал венский эмигрант, бежавший от нацизма и ненавидевший всякий тоталитаризм.

Что осталось сегодня

Физика как образец

Для философии науки XX века новая физика стала тем же, чем для Канта была механика Ньютона — образцом научного знания, с которым сверяют любую теорию познания. В 1917 году молодой философ Мориц Шлик выпустил книгу «Пространство и время в современной физике». Эйнштейн назвал её лучшим философским разбором своей теории. Через пять лет Шлик занял в Вене кафедру, когда-то созданную для Маха, и вокруг него сложился Венский кружок (глава 3). Ханс Райхенбах в 1918 году слушал в Берлине семинар Эйнштейна по теории относительности. Его первая философская книга (1920) была посвящена тому, что теория относительности сделала с кантовским априори (глава 6). А семнадцатилетний венский юноша, следивший за затмением 1919 года, вынес из него идею рискованного предсказания (глава 7).