Утерянный манускрипт Шрёдингера, найденный спустя 80 лет, бросает вызов тому, что мы знаем о реальности

Более восьмидесяти лет назад нобелевский лауреат Эрвин Шрёдингер написал текст, который так и не был опубликован. Рукопись под названием «Крушение детерминизма» пролежала в австрийском архиве. Теперь физик и историк Флавио Дель Санто из Женевского университета опубликовал первую расшифровку и подробный анализ работы. Документ показывает, что Шрёдингер построил математический контрпример к одному из влиятельных аргументов, будто детерминистическое объяснение квантовых явлений невозможно.

Что нашёл Шрёдингер

В 1940-х годах британский физик Эдмунд Тейлор Уиттакер утверждал, что поведение фотонов, проходящих через поляризационный фильтр, доказывает невозможность скрытых детерминистических объяснений. Его логика опиралась на идею, что каждый фотон может нести невидимую «инструкцию», заранее определяющую, пройдёт он через фильтр или отразится.

Уиттакер рассуждал так: если повернуть фильтр, пока фотоны летят к нему, это создаст противоречие. Если исход фотона уже предопределён скрытой инструкцией, изменение ориентации фильтра не должно на неё влиять. Но доля фотонов, прошедших через фильтр, предсказуемо меняется в зависимости от угла. Уиттакер счёл это доказательством того, что квантовые исходы нельзя объяснить заранее заданными скрытыми свойствами.

Шрёдингер нашёл обходной путь. Вместо того чтобы позволить скрытому свойству иметь только два возможных значения, он задал ему непрерывный диапазон между нулём и единицей. Затем он вывел правило, по которому судьба каждого фотона зависела и от его скрытого значения, и от ориентации фильтра. При подходящем распределении этих значений модель воспроизводила те же вероятности прохождения, которые предсказывает квантовая механика.

Что это доказывает и что не доказывает

Математический результат был поразительным. Эксперимент, который представляли как доказательство против скрытого детерминизма, можно было воспроизвести с помощью модели, в которой индивидуальные исходы следовали определённым правилам. Для наблюдателя, способного измерять только фотоны и их долю прохождения, результаты выглядели бы согласующимися с обычной квантовой статистикой. Но внутри математической конструкции Шрёдингера каждый исход определялся скрытым значением и настройкой эксперимента.

Работа решала и вторую трудность. После того как фотон проходит через фильтр, его состояние нужно учитывать при встрече со следующим фильтром. Модель, воспроизводящая статистику одного измерения, может не сработать при повторных. Шрёдингер разработал явное математическое правило обновления скрытого значения после прохождения, что позволило его конструкции воспроизводить ожидаемые вероятности для последовательных поляризационных фильтров.

Это не доказывает, что фотоны на самом деле обладают описанными скрытыми свойствами. Конструкция Шрёдингера была математическим доказательством возможности, а не экспериментально подтверждённым описанием природы. Но она показала: конкретное рассуждение, использованное для отказа от детерминистических объяснений, недостаточно. Одни оптические измерения не могли обосновать далеко идущий вывод, что никакой детерминистический механизм не способен объяснить их результаты.

Кем был Шрёдингер

Не менее удивительный аспект документа касается самого Шрёдингера. Его часто связывают с сопротивлением квантовой случайности — отчасти из-за знаменитого мысленного эксперимента с котом. Но найденные тексты показывают, что его личная позиция была гораздо сложнее, чем знакомый образ учёного, сражающегося за предсказуемую Вселенную.

Шрёдингер сомневался в классическом детерминизме ещё до появления современной квантовой механики в 1920-х. Под влиянием австрийского физика Франца Экснера он рассматривал возможность того, что законы природы фундаментально статистичны. Он утверждал, что учёные вывели свои представления о физических законах из наблюдений, которые сами по себе статистичны, но затем стали предполагать, что под ними должны существовать полностью предсказуемые механизмы.

В рукописи Шрёдингер описал доводы в пользу индетерминизма как более старые, чем сама квантовая механика. Он также оспаривал идею, что математические аргументы могут с абсолютной уверенностью установить невозможность ни детерминизма, ни индетерминизма. Его позиция состояла в том, что научные данные и логические рассуждения могут сделать одну интерпретацию менее удовлетворительной, чем другую, но не обязательно исключить все альтернативы.

Почему рукопись не опубликовали

Почему он не опубликовал документ, остаётся неизвестным. Дель Санто предполагает одно из объяснений, связанное с физиком Генрихом Пелцером, который опубликовал похожую модель в 1944 году. Пелцер уже показал, что оптический аргумент Уиттакера можно оспорить с помощью скрытых переменных. Возможно, Шрёдингер столкнулся с этим исследованием и решил, что основной момент уже освещён, хотя в его собственной рукописи было явное математическое правило для последовательных измерений, которого у Пелцера не было.

Рукопись осталась неопубликованной, пока квантовая физика продолжала развиваться. В 1952 году Дэвид Бом представил детерминистическую интерпретацию квантовой механики со скрытыми переменными, охватывающую теорию гораздо шире. Позже Джон Белл установил математические условия, при которых некоторые теории скрытых переменных можно экспериментально отличить от квантовых предсказаний. Последующие эксперименты исключили локальные модели скрытых переменных, удовлетворяющие этим условиям, наложив серьёзные ограничения на попытки объяснить квантовое поведение через лежащие в основе предопределённые свойства.

Что остаётся

Эти более поздние открытия важны для понимания границ работы Шрёдингера. Его модель касается конкретного класса измерений с поляризованным светом и не может быть автоматически распространена на каждый квантовый эксперимент. Она не опровергает теорему Белла, не объясняет все квантовые явления и не устанавливает существование неоткрытого детерминистического механизма. Физикам по-прежнему приходится учитывать экспериментально наблюдаемые корреляции между запутанными частицами, которые накладывают гораздо более сильные ограничения, чем эксперимент с одной частицей, рассмотренный в рукописи.

Тем не менее фундаментальный вопрос остаётся нерешённым на уровне интерпретации. Квантовая механика предсказывает экспериментальные результаты с чрезвычайной точностью, но физики не пришли к единому мнению о том, что эти предсказания говорят о глубинной природе реальности. Одни интерпретации рассматривают индивидуальные исходы как фундаментально вероятностные. Другие описывают квантовые явления с помощью детерминистической математической эволюции или дополнительных структур, хотя эти подходы сильно различаются в понимании измерений и физических свойств.

Шрёдингер умер в 1961 году, так и не опубликовав свой ответ на полемику. Его сохранившаяся рукопись показывает: он обнаружил изъян в аргументе, представленном как доказательство невозможности квантового детерминизма, и построил точную математическую альтернативу. Документ не даёт окончательного ответа на вопрос, управляется ли Вселенная скрытыми законами, но обнажает опасность принимать одно объяснение квантовых измерений за единственно возможное описание физической реальности.