Квантовая механика отмечает 100 лет: от острова Гейзенберга до квантовых компьютеров

«С днём рождения, квантовая механика! Поздравляем со столетием!» — выкрикнул физик в микрофон июньским вечером, и огромный банкетный зал гамбургского отеля Atlantic взорвался аплодисментами и ликующими возгласами. Около 300 специалистов по квантовой физике съехались со всего мира на открытие шестидневной конференции, посвящённой столетию самой успешной теории в физике. В толпе мелькали известные пионеры квантовых вычислений и квантовой криптографии, а также четыре лауреата Нобелевской премии.

Ровно сто лет назад 23-летний постдок по имени Вернер Гейзенберг, спасаясь от жестокого приступа сенной лихорадки, отправился на Гельголанд — продуваемый всеми ветрами остров в Северном море. Там он завершил вычисления, которые стали сердцем квантовой механики — радикально новой теории атомного и субатомного мира.

Конференция на Гельголанде стала одним из центральных событий 2025 года, который ООН объявила Международным годом квантовой науки и технологий. Среди участников — четыре лауреата Нобелевской премии по физике: Ален Аспе, Серж Арош, Дэвид Вайнленд и Антон Цайлингер, получившие награды за революционные эксперименты в области квантовой физики.

Теория остаётся радикальной

До появления квантовой механики «классическая» физика имела дело непосредственно с материей мира и её свойствами: орбитами планет, скоростями маятников. Квантовая механика занимается чем-то более абстрактным — возможностями. Она предсказывает вероятности того, что мы увидим атом делающим то или это, находящимся здесь или там. Создаётся впечатление, что частицы способны одновременно демонстрировать множество вариантов поведения, что у них нет фиксированной реальности. Поэтому физики уже целое столетие бьются над вопросами: что реально? И откуда берётся наша реальность?

Утром после банкета в Гамбурге собравшиеся физики (и горстка журналистов) отправились на пароме на Гельголанд, чтобы обсудить, где находится наука спустя век после рождения теории.

Дискуссии начались почти сразу, как только участники поднялись на борт. К тому времени, как журналисты заняли свои места, Часлав Брукнер и Маркус Арндт, оба из Венского университета, уже глубоко погрузились в разговор о том, подчиняются ли пространство и время тем же квантовым правилам, что и частицы. Вскоре к ним присоединился Адан Кабельо из Севильского университета. Можно было видеть страстные жесты, и кто-то воскликнул: «Что ты имеешь в виду, что я имею в виду?»

Гейзенберг на Гельголанде

Когда паром покинул защищённые воды Эльбы и вышел в бурные волны Северного моря, Кабельо развёл руками. «Мы здесь радостно празднуем 100 лет, — сказал он, — но на самом деле это полная неразбериха. Нам дали эту теорию, а мы до сих пор не понимаем, что она означает».

Многие пассажиры почувствовали приступы морской болезни из-за качки и отправились подышать свежим воздухом на верхние палубы корабля. Пассажиры вцеплялись в поручни обеими руками и вглядывались в густой туман, тщетно пытаясь найти устойчивую опору для взгляда — горизонт — пока их качало на волнах. Операторы парома отменили последующие рейсы в тот день. В конце концов, к облегчению многих пассажиров с не слишком крепкими желудками, паром причалил к порту Гельголанда.

Участники конференции попали в особый мир. На немецком острове живёт почти 1400 человек, чьи скромные дома разделены между Нижней землёй на уровне моря и Верхней землёй, расположенной на краю травянистого плато, усеянного овцами и свободно разгуливающими морскими птицами. Именно в этой разделённой земле в голове Гейзенберга проросло семя квантовой механики.

Гельголанд имеет богатую научную историю: здесь в XIX веке работал орнитолог Генрих Гэтке, создавший одну из первых станций кольцевания птиц. Изолированность острова и его уникальная экосистема делали его идеальным местом для наблюдений. Возможно, именно эта традиция тщательного наблюдения за природой вдохновила Гейзенберга сосредоточиться только на измеримых величинах, отбросив ненаблюдаемые траектории электронов.

Квантовые подсказки накапливались десятилетиями

Десятилетиями копились подсказки о том, что материя и свет не подчиняются обычной логике. В классической физике местоположения, скорости и другие свойства объектов всегда могли принимать любые значения, и, следовательно, изменения всегда происходили плавно и непрерывно. Но в 1900 году измерения света, излучаемого горячими объектами, привели Макса Планка к выводу, что материя должна получать и терять энергию только дискретными порциями, причём энергия возрастает и убывает небольшими скачками. Это был первый намёк на то, что мир «квантован» — отсюда и название квантовой механики.

Пять лет спустя Альберт Эйнштейн доказал, что свет — который всегда вёл себя как непрерывная волна — также состоит из частицеподобных порций энергии. А в 1913 году Нильс Бор предположил, что электроны вращаются вокруг атома только на определённых фиксированных расстояниях; когда они получают или теряют энергию, они мгновенно «перепрыгивают» между орбитами. Но никому ещё не удавалось собрать эти любопытные факты в связное описание.

Гейзенберг, протеже Бора, совершал ежедневные прогулки и подолгу плавал на Гельголанде, размышляя над всем этим. Остров оказался идеальным местом для работы не только из-за уединения, но и благодаря практически полному отсутствию пыльцы — морские ветры очищали воздух от аллергенов, мучивших молодого физика. Он знал, что модель атома Бора не совсем правильная. Она предсказывала корректные частоты света, излучаемого атомами водорода, но не работала для более крупных, сложных атомов.

Концептуальный прыжок, который до сих пор поражает умы

Тогда Гейзенберг совершил концептуальный скачок, который до сих пор поражает воображение. На конференции Билл Унру, знаменитый физик с бородой, которой позавидовал бы сам Санта-Клаус, признался, что просто не может понять, как Гейзенберг пришёл к своим вычислениям, назвав его путь «загадкой». Однажды вечером за напитками астрофизик Мэтт О'Дауд, ведущий YouTube-канала PBS Space Time, пошутил, что, возможно, в дикой природе Гельголанда скрываются грибы с расширяющим сознание эффектом. Натали де Леон из Принстонского университета отметила в своём выступлении, что Гейзенберг, по слухам, использовал кокаин для облегчения аллергии.

Что бы это ни было, его озарение вызвало сейсмический сдвиг в физике. Он отказался от мысленного образа атома как маленькой солнечной системы с электронами, вращающимися по фиксированным траекториям. Такой тонкий микроскопический механизм лежал за пределами прямого эксперимента, рассуждал он, поэтому теория не должна ссылаться на него напрямую. В своём новом описании Гейзенберг ограничился только свойствами, измеримыми приборами, находящимися далеко от атома — а именно, цветом и интенсивностью излучаемого им света.

Ключевой прорыв произошёл, когда Гейзенберг попытался применить принцип соответствия Бора — идею о том, что квантовая теория должна переходить в классическую физику для больших квантовых чисел. Вместо привычных траекторий он стал оперировать таблицами чисел, где каждое число описывало вероятность перехода между энергетическими уровнями атома. Не зная об этом, он изобрёл то, что математики называют матричной алгеброй.

После долгой ночи вычислений он нашёл способ переработать массивы чисел, описывающих измеримые характеристики света, таким образом, чтобы воспроизвести предсказание Бора о свечении водорода. Он сделал это, не ссылаясь на атом водорода или движение его предполагаемых частей. Его основанная на наблюдениях система была более абстрактной и, следовательно, с большей вероятностью работала и для других атомов.

Эврика на рассвете

Десятилетия спустя Гейзенберг писал о том, как его момент эврики на Гельголанде вдохновил его на восхождение к морю рядом с Нижней землёй на рассвете. Он чувствовал себя «почти опьянённым от мысли, что теперь должен исследовать это богатство математических структур, которые природа так щедро разложила передо мной».

К осени его коллеги разглядели нечто замечательное в его математике. В октябре товарищ Гейзенберга по вундеркиндам и иногда соперник, 25-летний Вольфганг Паули, написал, что работа дала ему «новую надежду и новую радость жизни». Макс Борн, более старший физик, понял, что Гейзенберг невольно наткнулся на правила умножения таблиц чисел, называемых матрицами — высшая математика для 1920-х годов.

С матрицами порядок умножения имеет значение. Для обычных чисел и 3 × 4, и 4 × 3 дают 12. Но для матриц A × B обычно даёт что-то отличное от B × A. Эта «некоммутативность», экзотическая особенность гельголандских вычислений Гейзенберга, стала сердцем квантовой механики.

Интересно, что сам Гейзенберг поначалу даже не знал, что работает с матрицами. Когда Борн показал ему математические учебники по матричной алгебре, молодой физик был удивлён: «По крайней мере, вы знаете, что такое матрицы, а я даже не знал, как они называются!» Тем не менее, Гейзенберг быстро освоил новую математику и стал активно развивать теорию.

В ноябре Борн, Гейзенберг и Паскуаль Йордан написали то, что история назовёт «статьёй трёх мужчин» — развитие гельголандской работы Гейзенберга, которое детально описывало, как будет вести себя любая квантовая система — атом водорода или другое собрание квантовых частиц. Квантовая механика вошла в мир.

Принцип неопределённости

Но что матрицы говорили о реальности? Гейзенберг понял одно удивительное следствие в 1927 году, когда разработал мысленный эксперимент, показывающий, что можно точно измерить либо положение электрона, либо его импульс, но не оба сразу; всегда будет некоторая неопределённость в одном свойстве или другом. Это ограничение не было утверждением о экспериментальной точности или изобретательности; скорее, это была неизбежная математическая истина. Если квантовая механика описывает реальность, то сама реальность должна быть фундаментально устроена таким образом, что иногда, для определённых объектов, определённые свойства не могут существовать.

Эрвин Шрёдингер разработал другую версию квантовой механики в 1926 году, которая оказалась эквивалентной матрицам Гейзенберга. В версии Шрёдингера точечная частица, такая как электрон, переосмысливается как волна, распространяющаяся в пространстве. Уравнение описывает, как волна будет изменяться со временем. Шрёдингер надеялся, что волна может буквально описывать электрон, размазанный в пространстве — реальный объект, который можно визуализировать, — но Борн быстро понял, что эта мечта была слишком простой, чтобы быть правдой.

Вместо этого Борн показал, что волна в уравнении Шрёдингера представляет не нынешнюю реальность электрона, а его потенциальные реальности: возможные положения электрона. Пики в волне указывают, где частица, вероятно, будет найдена.

Эксперименты Белла: когда реальность оказалась странней фантастики

В 1960-х годах ирландский физик Джон Стюарт Белл предложил способ экспериментально проверить, действительно ли квантовая запутанность существует. Его знаменитая теорема Белла показала, что если квантовая механика права, то две далёкие друг от друга частицы могут быть связаны таким образом, что измерение одной мгновенно влияет на другую — независимо от расстояния между ними.

Когда в 1970-80-х годах эксперименты подтвердили предсказания Белла, стало ясно: либо информация может передаваться быстрее света (что нарушает теорию относительности), либо частицы до измерения просто не имеют определённых свойств. Большинство физиков выбрали второй вариант, что сделало квантовую механику ещё более загадочной.

Проблема измерения

К началу 1930-х годов становилось ясно, что квантовая механика, в волновой или матричной версии, не имеет дела с частицами в определённых положениях, движущимися в определённых направлениях. Она предсказывает множество возможных будущих результатов и ничего не говорит о единственной, фиксированной реальности. Проводите эксперимент снова и снова, и теория говорит только, какой процент времени вы измерите один результат против другого. Это был шокирующий отход от того, о чём физикам позволялось думать — отход, который Шрёдингер и Эйнштейн никогда не приняли.

«Вы внезапно говорите о том, что мы знаем о природе, а не о том, что природа действительно делает», — вспоминал Гейзенберг слова Эйнштейна.

Столетие спустя физики всё ещё не чувствуют себя полностью комфортно с этим.

«Это наше самое фундаментальное описание реальности, — сказал Мэтт Лейфер из Университета Чапман по Zoom за неделю до конференции, — но это не описание реальности».

Никто не сомневается, что квантовая механика работает, и работает потрясающе. На Гельголанде исследователи представили парад технологических чудес, которые все зависят от квантовой математики Гейзенберга и Шрёдингера. Джун Е из Университета Колорадо описал атомные часы, которые могут поддерживать время с точностью до секунды в течение периода, в 6,5 раз превышающего возраст Вселенной, и ещё более точные «ядерные» часы на горизонте. Михаил Лукин из Гарвардского университета показал кадры атомов, танцующих в сложных узорах, пока они выполняют вычисления новым, квантовым способом.

Многие презентации касались чудес, которые такие квантовые компьютеры теоретически могут выполнять — вычисления, которые фактически невозможны для любого компьютерного чипа, построенного из кремниевых транзисторов. Эти футуристические машины будут черпать свою мощность из способности квантовых объектов поддерживать множество одновременных возможностей.

Квантовые технологии: от теории к практике

На конференции были представлены поразительные достижения. Исследователи показали квантовые сенсоры, способные обнаруживать гравитационные волны и магнитные поля с невиданной точностью. Квантовая криптография уже защищает банковские транзакции в нескольких странах, используя принцип неопределённости Гейзенберга: любая попытка перехватить квантово-зашифрованное сообщение неизбежно его искажает, выдавая присутствие шпиона.

Особое внимание привлекли «квантовые симуляторы» — устройства, которые используют одни квантовые системы для моделирования других. Они уже помогают понять поведение экзотических материалов и могут революционизировать разработку лекарств, позволяя моделировать молекулярные взаимодействия с квантовой точностью.

Удивительно, но квантовые эффекты обнаружены даже в живых организмах. Квантовая биология изучает, как птицы используют квантовую запутанность для навигации по магнитному полю Земли, как растения применяют квантовую когерентность для максимально эффективного фотосинтеза, и даже как наш нос может различать запахи благодаря квантовому туннелированию электронов. Природа, похоже, освоила квантовую механику задолго до того, как это сделали физики.

Но что эти возможности на самом деле представляют собой и как они порождают кажущуюся единственной конкретную реальность, которую мы испытываем, — это глубокая головоломка, которую физики ещё не смогли решить.

Загадка коллапса

Магия происходит в момент измерения, и поэтому загадка известна как проблема измерения. «Эта проблема измерения — серьёзная физическая проблема, — сказал Николя Жизен, физик из Университета Конструктор, в своём выступлении на Гельголанде. — Без разрешения квантовая теория — это не физика».

Предоставленный самому себе, квантовый объект лучше всего описывается квантовым состоянием, обозначенным ψ (греческая буква пси). Это состояние представляет собой своего рода математическую сводку всех возможных вещей, которые этот объект мог бы делать — двигаться вправо, двигаться влево, указывать вверх, указывать вниз и так далее. Уравнение Шрёдингера говорит вам, как ψ изменяется от момента к моменту.

Когда вы измеряете объект, ψ «коллапсирует», что означает, что все возможности, кроме одной, исчезают. Эта оставшаяся возможность, появляющаяся случайно из всех вариантов, становится результатом измерения. Квантовая механика предсказывает вероятность этого результата — ψ может сказать вам, что у вас есть 22% шанс обнаружить частицу в определённом месте, например. И если вы проводите эксперимент и делаете измерение снова и снова, вы найдёте частицу в этом месте примерно 22 раза из 100. Вы просто не можете предсказать результат в любом отдельном запуске эксперимента.

«Просто неловко, что у нас нет истории, которую мы можем рассказать людям о том, что такое реальность», — воскликнул Карлтон Кейвз, физик из Университета Нью-Мексико, модерируя панель, обсуждающую квантовые интерпретации в первый день на острове. Его ощутимое разочарование встретили одобрительными щелчками пальцев из аудитории.

Те, кто знает

На вопрос о том, какие аспекты квантового мира они считают «реальными», физики давали ответы столь же разнообразные, сколь и озадачивающие.

Во время кофе-брейка Джон Прескилл, физик из Калифорнийского технологического института, который когда-то помог Гейзенбергу работать с допотопной кофемашиной в подвале физического факультета Принстона, выразил умеренное предпочтение печально известной интерпретации квантовой механики «многих миров». Многомирие утверждает, что все возможности ψ происходят где-то. Когда мы видим, как вспыхивает один пиксель на экране, записывающий положение фотона, мир фактически расщепился на множество ветвей. В других ветвях реальности (которые существуют одновременно, невидимые и необнаружимые из нашей) другие версии нас — столь же реальные, как и мы — видят вспыхивающие разные пиксели, отражающие другие возможные положения фотона, которые были закодированы в ψ.

Другие физики ненавидят интерпретацию многих миров, которую они находят онтологически избыточной и психологически тревожной. «Подумайте о всевозможных ужасных вещах, которые могли бы произойти прямо сейчас. Дайте волю воображению, — сказал Люсьен Харди, физик из Института периметра теоретической физики в Ватерлоо, Канада. — В многих мирах это определённо произойдёт».

QBism: квантовая механика как руководство пользователя

Среди тех, кто уверен в своём понимании, мало кто более определён, чем Крис Фукс из Массачусетского университета в Бостоне. Он один из пионеров и главных защитников интерпретации под названием QBism, которая когда-то означала Quantum Bayesianism (Квантовый байесианизм), но теперь имеет собственную лингвистическую идентичность, как KFC.

За обедом Фукс сказал, что его жизненная миссия — прекратить обсуждения вроде тех, которые велись на конференции. «Я рассматриваю это как общественную услугу — избавиться от конференций по основам квантовой механики, — сказал он. — До своей смерти я хотел бы убедить всех в ответе».

Фукс занимает жёсткую позицию относительно того, какие квантовые элементы имеют физическое существование: почти никакие, и уж точно не ψ.

По его мнению, квантовое состояние напоминает ваши знания о мире перед президентскими выборами. Вы можете представить множество возможных будущих, одно для каждого кандидата, который победит. Если вы следили за опросами, вы можете считать, что некоторые будущие более вероятны, чем другие. Когда вы узнаёте, какой кандидат победил, ваши знания о мире мгновенно меняются. Эти альтернативные будущие исчезают.

«Квантовое состояние — это каталог моих степеней веры в последствия моих действий», — сказал Фукс.

Фукс предлагает, что квантовый омлет, как и настоящий омлет, нельзя полностью «размешать обратно». Вселенная может существовать «там» в каком-то смысле, но именно её представление в наших головах — вот к чему у нас есть прямой доступ. Это представление необходимо генерируется нашими взаимодействиями с миром, поэтому нет осмысленного способа извлечь себя из уравнений, которые его описывают.

Те, кто не знает

Вечером перед обедом с Фуксом он прочитал первую официальную физическую лекцию конференции — молниеносный обзор QBism и отчёт о некоторых догадках в теории чисел, в которых QBist мышление помогло ему добиться недавнего прогресса. Его заключительными словами в конце сессии вопросов и ответов были: «QBism здесь, чтобы остаться. Вы от меня не избавитесь».

Затем Жизен вышел на сцену, чтобы обсудить природу измерения, и начал свою лекцию с импровизированного удара по QBist перспективе. «Физика — это всё о извлечении информации о том, как это делает природа. Природа, — сказал Жизен, делая паузу для акцента и медленно оглядывая аудиторию, — не агенты». Аудитория хихикнула.

Антиподом Фукса на Гельголанде была Хемма де лес Ковес, тихая физик из Барселоны. «Я не понимаю квантовую механику, — заявила она. — Я не знаю, является ли квантовое состояние описанием реальности или способом делать ставки. Я хотела бы знать, есть ли много миров, и расщепляюсь ли я на много Хемм, пока говорю».

Новые попытки понять реальность

Де лес Ковес представляет новое поколение физиков, которые не довольствуются традиционными интерпретациями. Её исследования показывают, что некоторые «квантовые» эффекты могут возникать даже в классических системах, если наблюдатели имеют ограниченную информацию. Это наводит на мысль, что странность квантового мира может частично объясняться нашим неполным знанием, а не фундаментальными свойствами природы.

Другие участники конференции предложили ещё более экзотические идеи. Некоторые считают, что сознание играет фундаментальную роль в коллапсе волновой функции. Другие полагают, что реальность состоит из чистой информации, а материя — лишь её проявление. Есть даже предположения, что время само по себе может быть квантовым явлением.

Гравитация на помощь?

Время от времени, столкнувшись с десятками конкурирующих теорий, часто складывалось ощущение, что наука немногим ближе к пониманию природы реальности в 2025 году, чем Гейзенберг был в 1925 году. Некоторые исследователи также чувствовали, что определённая усталость нависла над усилиями интерпретировать квантовую механику.

Жизнь на острове во время конференции добавляла колорита научным дискуссиям. Гельголанд живёт по своим правилам: здесь не действует НДС Евросоюза, запрещены автомобили (только велосипеды и электрокары), а местные жители говорят на особом диалекте фризского языка. Участники конференции с удивлением обнаружили, что рестораны закрываются в шесть вечера, а расплачиваться можно только наличными. «Остров застрял в 1960-х, в отличие от остальной Германии, которая хотя бы добралась до 1970-х», — пошутил один из немецких физиков.

Одна идея, которую можно было услышать в течение недели и которая могла бы помочь физикам выбраться из тупика: гравитация. Гравитация в настоящее время единственная сила в физике, для которой нет квантового описания. Вместо этого гравитация описывается общей теорией относительности Эйнштейна. В то время как квантовые наблюдения происходят на фиксированном фоне пространства, и ψ эволюционирует согласно равномерно тикающему метроному, общая относительность описывает, как материя и энергия искажают пространство и время в деформированную форму, и как мы испытываем контуры в этой форме как притяжение гравитации.

«Общая относительность настолько концептуально странная, — сказал Харди. — Можно ожидать, что когда вы привносите квантовую теорию, вы получаете что-то интересное, своего рода концептуальный костёр».

Следующее столетие

Брукнер закрыл конференцию шуткой. Когда он рос на Балканах, домработница его семьи имела обыкновение сухо говорить о жизни: «Первые сто лет тяжёлые. После этого должно стать намного легче». Возможно, размышлял Брукнер, то же самое может быть справедливо для квантовой механики.

Отъезд с Гельголанда определённо был намного легче, чем прибытие. Голубые небеса и спокойные воды сделали поездку на пароме обратно в Гамбург гладкой. Снова лодка гудела разговорами. Пять дней лекций и дебатов не уменьшили энтузиазм группы к поиску более глубокого смысла теории. Если что-то, казалось, имело противоположный эффект.

«Это была первая конференция, на которой я был, где люди открыто и честно говорили о том, что квантовой механике чего-то не хватает, — сказал Мишель Деворе, физик, изучающий квантовые вычисления в Йельском университете. — Копенгаген всегда был немного скользким в этом отношении».

Гейзенберг отказался от визуализации реальности во время своего пребывания на Гельголанде. Он и остальная часть копенгагенцев выиграли свою битву с Эйнштейном в том, что реальность действительно более странная и тонкая, чем Эйнштейн мог принять. Но попытка построить более крепкий мост между конкретным классическим миром и сюрреалистическим квантовым миром продолжается, и те, кто трудится над этой задачей, чувствуют, что более удовлетворительное и продуктивное понимание реальности ожидает впереди.

«Мы привилегированны жить в то время, когда великий приз осмысления квантовой теории всё ещё доступен для взятия, — сказал Спеккенс, — и любой из нас мог бы его взять».