Кот Шрёдингера еще жив? А если это не кот, а бегемот?

О макроскопических квантовых эффектах в Нобелевском комитете. Профессор Канцельсон: послесловие к премии по физике

Чем интересно недавнее решение Нобелевского комитета по вручению премии по физике и какие вопросы оно вызывает? По просьбе «Новой газеты» выбор академиков оценил Михаил Кацнельсон, профессор университета Радбода (Нидерланды), лауреат Спинозовской премии и Гамбургской премии по теоретической физике.

— Нобелевская премия по физике за 2025 год присуждена Джону Кларку, Мишелю Деворе и Джону Мартинису «за открытие макроскопического квантового туннелирования и квантования энергии в электрических цепях».

Начну с важного, но редко делаемого замечания. Физиков, которым можно дать Нобелевскую премию — так, чтобы научное сообщество в общем и целом приняло это решение и чтобы оно не воспринималось как скандал, — в десятки раз больше, чем тех, кто ее действительно получает. Поэтому обсуждать, «почему дали Васе, а не Пете», — дело бессмысленное. Такого рода разговоры неизбежны после вручения каждой Нобелевской премии, но проходят они по ведомству светской хроники, а мы давайте все-таки попробуем поговорить о науке.

Наверняка некоторые читатели «Новой» знают, что такое квантовое туннелирование и что такое квантование энергии, а тем, кто совсем этого не знает, в двух словах не объяснишь. К счастью, сейчас очень много доступных источников, позволяющих повысить базовую информированность в этих достаточно давних и достаточно общих вопросах, и будем считать, что интересующиеся читатели какими-то из этих источников воспользовались.

По просьбе редакции очень кратко скажу, что квантовое туннелирование — это явление, при котором квантовые частицы могут проходить через барьеры, высота которых больше, чем энергия самих частиц, что классически невозможно, так как в классической физике кинетическая энергия отрицательной быть не может. Поскольку в квантовой механике само разделение энергии на кинетическую и потенциальную подвержено ограничениям, в силу соотношений неопределенности Гейзенберга, невозможное становится возможным, хотя и маловероятным. В свою очередь, квантование энергии означает, что квантовая волна может иметь только дискретные, или, как напишет чат ИИ, «только определенные фиксированные значения, как ступеньки у лестницы, а не непрерывный склон». В частности, энергия электронов квантована в атомах, что предположил Нильс Бор еще до появления последовательной квантовой механики.

А вот о том, почему макроскопические квантовые явления могут быть интересными и важными, сказано гораздо меньше, и я попытаюсь объяснить, в меру своего понимания, именно это обстоятельство.

Все краем уха слышали про горячие дискуссии, сопровождавшие создание квантовой физики. В популярной литературе они часто сводились к «дискуссии Альберта Эйнштейна и Нильса Бора», хотя в действительности в них с обеих сторон активно участвовали многие выдающиеся физики. Впрочем, в последнее время «Шрёдингеровский кот» (или кошка) в глазах общественности затмил всё (хотя лично мне гораздо больше понравился бы мир, в котором уравнение Шрёдингера было бы более широко известно, чем одноименный кот, но времена, как известно, не выбирают).

И пожалуйста, плюньте, дорогой читатель, в глаза тем, кто начнет вам в очередной раз рассказывать про глупого Эйнштейна, который, видите ли, не понял квантовой механики. В конце концов, именно он открыл «корпускулярно-волновой дуализм», с которого всё и началось, и именно его работа (написанная с Борисом Подольским и Натаном Розеном в 1935 году) подчеркнула важность и нетривиальность концепции квантовой запутанности (явление, при котором две или более частицы настолько тесно взаимосвязаны, что их состояния нельзя описать по отдельности, даже если они находятся на огромном расстоянии друг от друга. — Ред.), которую Эйнштейн назвал жутким дальнодействием и которую некоторые считают самой важной идеей во всем естествознании. Так что топ-физики всё понимали, но сложные и глубокие вопросы тем и отличаются от простых и мелких, что их можно понимать по-разному.

Захватывающе интересна многолетняя переписка Альберта Эйнштейна с его давним другом Максом Борном, который считается отцом вероятностной интерпретации квантовой механики (и получил за это Нобелевскую премию 1954 года). На русском языке она опубликована в двух выпусках: «Эйнштейновский сборник»-1971 и «Эйнштейновский сборник»-1972. Она включает в себя очень горячее (и очень глубокое) обсуждение философских, физических и математических проблем, связанных с квантовой физикой. В этом обсуждении принял участие еще один великий физик, Вольфганг Паули, который славился своей способностью вносить исчерпывающую ясность в любое научное обсуждение.

Борн, споря с Эйнштейном, отстаивал индетерминизм, то есть принципиально вероятностный характер квантовой физики. Паули по этому поводу с присущей ему деликатностью написал: «Вы создали какое-то чучело Эйнштейна, которое с большой помпой и опровергаете». Реальная проблема возможной неполноты квантовой механики (позиция Эйнштейна) состоит, согласно трактовке Паули, в возможной неуниверсальности принципа суперпозиции — самого фундаментального закона квантовой физики. Согласно этому принципу, состояния системы формируют «линейное пространство», то есть если два каких-то состояния возможны, возможна и их, в принципе, произвольная, линейная комбинация (суперпозиция). И вот тут появляется Шрёдингер со своим несчастным котом и спрашивает, готовы ли мы принять суперпозицию состояний живой и мертвой кошки, и если готовы, то как это понимать.

Эмпирически известно, что в макромире реализуется лишь ничтожно малая доля всех возможных квантовых состояний системы, соответствующие «квазирезкому» (то есть «классическому») состоянию. В конце концов, даже в боровской концепции квантовых измерений (формализованной великим математиком фон Нейманом) постулируется существование классических измерительных приборов.

Ну вот, говорит Эйнштейн, — значит, квантовая механика неполна, вы сами вынуждены постулировать ее ограниченную применимость в макромире. Паули пишет по этому поводу: «Так вот, я не согласен с эйнштейновским соображением (обратите внимание: понятие «детерминизм» тут вообще не фигурирует). Я не считаю правдоподобной возможность того, чтобы «макротело» имело всегда квазирезко определенное местоположение, поскольку не вижу принципиальной разницы между микро- и макротелами» («Эйнштейновский сборник»-1972. — М.: Наука, 1974, с. 93).

В то же время неприменимость принципа суперпозиции в макромире — это эмпирический факт (в действительности — невероятное количество фактов), который нуждается в объяснении. Классические объекты существуют. Более того, в мире вокруг нас почти все объекты классические. Как это совместимо с утверждением об универсальной применимости квантовой механики?

Мейнстримный (относительно) ответ дает «программа декогеренции» (decoherence program), но объяснять, что это такое, можно очень, очень долго. Мне почему-то нравятся наши собственные объяснения (без единой формулы) в книгах В.Ю. Ирхина, М.И. Кацнельсона «Уставы небес» и «Крылья Феникса», если хотите — посмотрите там. Главный пункт состоит в рассмотрении открытых квантовых систем, то есть систем, взаимодействующих с окружением, причем это окружение разрушает почти все «суперпозиции», кроме малого числа устойчивых состояний (pointer states). Впрочем, кое-какие проблемы в этом подходе остаются нерешенными до сих пор.

Альтернативный подход состоит в постулировании неприменимости уравнения Шрёдингера для достаточно массивных систем из-за роли гравитации (эту точку зрения, в частности, пропагандирует британский физик — и тоже нобелевский лауреат — Роджер Пенроуз, но в целом она не слишком популярна. Тем не менее проверять ее надо, потому что дело важное). Как видите, вопрос о (не)применимости квантового описания макрообъектов лежит в основе всех дискуссий, и любая информация, позволяющая хоть как-то прояснить этот вопрос, является крайне ценной. И кое-что действительно известно.

Когда я раньше время от времени делал доклады и читал лекции на эти темы, я всегда показывал слайд с результатами экспериментов австрийского физика Антона Цайлингера (вы будете смеяться, но это еще один нобелевский лауреат в этой истории) с его коллегами по прохождению больших (по атомным меркам) молекул (так называемых фуллеренов, состоящих из 60 атомов углерода) через щели. Наблюдались ошметки интерференционных полос, то есть, несомненно, квантовое поведение. Эти эксперименты, впрочем, сделаны намного позже, чем эксперименты нобелевских лауреатов этого года. К тому же их системы больше, их можно взять в руку.

Важно это или нет? Ну…

представьте себе, что мы сравниваем эксперименты со шрёдингеровским хомяком, шрёдингеровским котом и шрёдингеровским бегемотом, и оказывается, что для хомяка и бегемота физика единая. Это интересно? Наверное, да.

Но есть (лично у меня) и некоторые вопросы, касающиеся радикальной (или недостаточно радикальной) новизны премированных результатов. Электрические цепи, упоминаемые в решении Нобелевского комитета, не просто электрические, а сверхпроводящие. Но вообще то, что сверхпроводимость обеспечивает нам примеры макроскопического квантового поведения, мы знаем как минимум со времен немецкого физика-теоретика Фрица Лондона (то есть с середины XX века). Он же предсказал квантование магнитного потока, захваченного сверхпроводящим кольцом, — эффекта, многократно изученного экспериментально. Потом была феноменологическая теория сверхпроводимости — теория Гинзбурга — Ландау (Нобелевская премия!), потом был эффект Джозефсона (Нобелевская премия!) — это о квантовом туннелировании через барьер, разделяющий два куска сверхпроводника…

Именно этот эффект и лежит в основе работ нынешних лауреатов. Заметим, что эффект Джозефсона уже нашел многочисленные применения: от способов измерения слабых магнитных полей (что можно использовать даже в медицине) до квантовых компьютеров. Ну и сейчас вот награждены яркие вариации, но на уже известную тему. Разве квантование энергии — это намного круче, чем уже давно известное квантование магнитного потока?

Ну… может быть. Если честно, не знаю. Вот если бы удалось показать неприменимость квантовой механики к макрообъектам, подтвердив тем самым правоту Альберта Эйнштейна, Роджера Пенроуза и других, это стало бы революцией в науке. Ну правда же, круто доказать, что хомяк подчиняется уравнению Шрёдингера, а бегемот — нет.

Новоиспеченными лауреатами Нобелевской премии по физике 2025 года показана применимость? Подтверждена в очередной раз мейнстримная физическая картина мира? Это важно? Думаю, да. Важно. Но отрицательный результат был бы много, много интереснее.

Впрочем, и практические применения исключать никак нельзя. Зачем же мы будем исключать практические применения? Не будем.

Михаил Кацнельсон, для «Новой газеты»