Квантовые объяснения

Часто говорят, что квантовая механика должна быть непонятной. Это плохой подход — как для ученика, так и для преподавателя.

Я же обнаружил, что традиционно «непонятные» предметы обычно проще математики. Особенно если хочется всего лишь понять самые основы, пусть даже и с использованием математики.

Я не физик, а физики, как известно, ненавидят, когда о квантовой механике рассуждают непрофессионалы. Однако у меня есть опыт объяснять то, что традиционно считается «трудным для понимания».

Многие люди жаловались, что теорема Байеса контринтуитивна. Она даже знаменита своей контринтуитивностью. Я написал «Наглядное объяснение теоремы Байеса» и остался недоволен. Уравнение показалось мне недостойным своей страшной репутации. Я попытался изложить его по-своему. Хотя я и не достиг изначальной цели написать текст, понятный первокласснику, мне часто присылают благодарственные письма люди, которые не могли понять теорему раньше: от журналистов до профессоров других областей.

Кроме того, как байесианец, я не верю в явления, которые непонятны по самой своей природе. Замешательство существует в наших моделях мира, а не в самом мире. Если о предмете думают, как о непонятном, а не всего лишь сложном… нельзя с этим ничего не делать. Так жить нельзя. Так быть не должно. Удастся ли решить проблему или нет, но спокойно относиться к замешательству учеников нехорошо.

Итак, первое, чем моё введение будет отличаться от традиционного стандартного введения в квантовую механику: я точно не стану говорить вам, что квантовая механика должна быть непонятной.

Я не собираюсь говорить вам, что нормально не понимать квантовую механику, потому что никто не понимает квантовую механику, как однажды заявил Ричард Фейнман. Был период в истории, когда это было правдой, но мы живём в другую эпоху.

Я не собираюсь говорить вам: «Квантовую механику нельзя понять, к ней можно только привыкнуть». (Как, по слухам, говаривал фон Нейман в те мрачные годы, когда никто и в самом деле не понимал квантовую механику.)

Объяснения должны уменьшать замешательство. Если вам нравится не понимать что-то, то это признак проблемы — либо вашей, либо вашего преподавателя — но в любом случае проблемы. И эту проблему нужно решать.

Я не собираюсь говорить вам, что квантовая механика странная, непонятная или чуждая человеку. Квантовая механика контринтуитивна, но это проблема интуиции, а не квантовой механики. Квантовая механика существовала за миллиарды лет до того, как межзвёздный водород соединился и образовал Солнце. Квантовая механика появилась задолго до вас и если у вас с ней проблемы, то меняться придётся именно вам. Она уж точно меняться не будет. Не существует удивительных фактов, существуют лишь модели, которые удивляются фактам. И если модель удивляется какому-то факту, это не заслуга модели.

Лучше всегда считать, что реальность абсолютно нормальна. С самого начала времён во Вселенной не произошло ничего необычного.

Цель — сделать квантовую Вселенную своим домом. Стать её коренным жителем. Потому что, фактически, вы в ней и так живёте.

В этой цепочке о квантовой механике, я собираюсь говорить о ней, как об абсолютно нормальной. А когда человеческая интуиция будет ей противоречить, я буду смеяться над интуицией, как над чем-то странным и необычным. Возможно, такой подход покажется непривычным, однако смысл в том, чтобы приучить разум смотреть на вещи с квантовой точки зрения.

Ещё кое-что. Традиционные введения в квантовой механике строго придерживаются порядка, в котором её открывали.

Традиционно все начинают с того, что материя иногда ведёт себя как сталкивающиеся друг с другом маленькие бильярдные шары, а иногда — как волны в бассейне с водой. Затем обычно приводится несколько примеров, где материя ведёт себя как маленькие бильярдные шары, а потом примеры, где она ведёт себя подобно волне.

Исторически так получилось, что когда учёные разбирались, как всё устроено, и не понимали математику этих процессов, они считали, что материя ведёт себя подобно маленьким бильярдным шарам. А затем они считали, что она ведёт себя как волны в океане. А затем опять вернулись к бильярдным шарам. А потом учёные по-настоящему запутались и так продолжалось несколько десятилетий до тех пор, пока во второй половине двадцатого века не разобрались.

Тащить через это современного ученика, возможно, исторически точно по отношению к предмету. Однако такой подход обеспечивает такое же историческое полное непонимание. Говорить юным физикам о «корпускулярно-волновом дуализме» всё равно что рассказывать начинающим юным химикам о четырёх первоэлементах.

Электрон — это не бильярдный шар и не гребень волны, который движется через бассейн с водой. Электрон — это всегда и во всех обстоятельствах математически иная сущность и воспринимать его надо соответственно.

Вселенная не мечется между частицами и волнами в нерешительных раздумьях, что именно использовать. Это интуитивные представления человека о квантовой механике скачут туда-сюда. Кажется, будто в разное время и в разных обстоятельствах поведению электронов соответствуют то интуитивные представления о бильярдных шарах, то интуитивные представления о гребне волны в бассейне. Однако на самом деле ни то, ни другое их поведению не соответствует.

Если попытаться думать, что электрон подобен бильярдному шару в одни дни, а морской волне — в другие, то запутаешься.

Это наши представления колеблются и не могут прийти к какой-то одной точке зрения, а не мир.

Более того:

Последовательность, в которой человечество открывало мир, не обязательно будет лучшей последовательностью преподавать эти открытия. Сначала человечество обнаружило, что вокруг бегают другие животные. Затем их вскрыли и узнали, что они состоят из органов. Затем органы внимательно изучили и обнаружили, что они состоят из тканей. Затем ткани рассмотрели под микроскопом и открыли клетки, а потом белки и другие химические соединения. Которые, в свою очередь, состоят из молекул, а те из атомов, а те из протонов, нейтронов и электронов. И эти частицы гораздо проще животных, но открыли их на десятки тысяч лет позже.

Физика не начинает разговор с биологии. Почему же в случае квантовой механики надо начинать со сложных высокоуровневых явлений, вроде наблюдаемых результатов?

Привычный способ преподавания квантовой механики основывается на результатах экспериментов. И сейчас я прекрасно понимаю, почему это здорово звучит с точки зрения рационалиста. Поверьте мне, я понимаю.

Однако, по-моему, в результате накапливается большой багаж сложных математических инструментов для анализа реальных ситуаций, однако студент при этом всё равно не понимает, что происходит в простейших случаях на фундаментальном уровне.

Это всё равно, что учить программистов писать многопоточные приложения до того, как они научились складывать две переменные, и аргументировать это тем, что многопоточные приложения ближе к повседневной жизни. Близость к повседневной жизни не всегда хороша на первых этапах знакомства с предметом.

Возможно, в тёмные десятилетия прошлого, когда вообще никто не понимал, что происходит на фундаментальном уровне и нельзя было рассказать всё с основ, а все модели были загадочной математикой, которая давала хорошие предсказания, маниакальный фокус на результатах экспериментов имел смысл… И такой подход к квантовой механике вы до сих пор можете найти во многих книгах… Однако, возможно, сегодня стоит взглянуть под другим углом? Стандартный подход приводит к стандартному непониманию.

Классический мир строго выводится из квантового, но если пользоваться классической перспективой, то всё кажется очень большим и очень сложным.

Повседневная жизнь — это более высокий уровень организации. Сравним молекулы и кварки: кварков всего шесть, а молекул — огромнейший список. Я полагаю, что сначала стоит показать перспективу квантового мира, а уже потом рассказывать о результатах классических экспериментов.

Я не собираюсь начинать с привычного классического мира, а потом рассказывать о странных квантовых декорациях, скрывающихся за кулисами. Квантовый мир — это сцена, и именно он определяет, что нормально, а что нет.

Я не собираюсь рассуждать так, будто классический мир реален и просто периодически отправляет запрос на результат эксперимента серверу квантовой физики, а тот, в свою очередь, выполняет какие-то хитрые вычисления и возвращает этот самый результат. Я собираюсь говорить о квантовом мире, как о единственно реальном. Так, словно классический мир находится где-то далеко. Не только потому, что так легче стать своим в квантовой вселенной, но и потому, что на самом глубоком уровне именно так и есть.

И наконец в отношении квантовой механики я займу точку зрения строгого реалиста: квантовый мир существует, наши уравнения описывают территорию, а не её карты, а классический мир — лишь продолжение квантового. На ранних этапах моего введения я не собираюсь обсуждать взгляды не-реалистов за исключением ситуаций, где я буду объяснять, как не запутаться в некоторых интуитивных представлениях, созданных не-реалистами. Я не буду за это извиняться и попрошу всех не-реалистов придержать свои комментарии до поздних эссе. Окажите, пожалуйста, мне эту услугу. Я считаю, что не-реализм создаёт путаницу в головах перспективных учеников и мешает им чётко представить квантовые явления. Подробнее я напишу на эту тему в следующем эссе.

Впрочем, несмотря на то, что я не собираюсь обсуждать эту тему в первых эссе, подчеркну, что существует довольно много учёных, которые оспаривают взгляды реалистов на квантовую механику. Я не вижу для себя смысла объяснять оба взгляда. Я — абсолютный реалист, и вскоре вы поймёте, почему. Однако если вы читаете моё введение, вы знакомитесь с моей точкой зрения. Это не только моя точка зрения. Вероятно, её придерживается большинство физиков-теоретиков — не знаю, важно ли это, моя позиция по этому предмету основана не на опросах. Я не считаю себя обязанным сразу же показывать другие точки точки зрения, но считаю, что обязан предупредить читателей, что они существуют, хотя в первых эссе своего введения я не буду о них говорить.

Короче говоря, моя цель: научить вас думать о квантовой вселенной так, словно вы в ней родились, а не прибыли туда неопытным туристом.

Обнимите реальность. Прижмите её покрепче.