Спустя 80 лет нашли рукопись Шрёдингера, которая меняет представление о его взглядах на Вселенную

Более 80 лет в австрийском архиве хранилась неопубликованная рукопись Эрвина Шрёдингера — одного из основателей квантовой механики. Всего три страницы, обнаруженные историком физики Флавио Дель Санто из Женевского университета, раскрыли неожиданную позицию знаменитого учёного в одном из самых продолжительных споров современной науки: действительно ли события во Вселенной происходят случайно или за ними скрываются неизвестные нам закономерности?

Документ оказался особенно интересным потому, что противоречит распространённому представлению о самом Шрёдингере. Его нередко изображают убеждённым противником квантовой случайности, стремившимся сохранить строгую предсказуемость физических законов. Однако найденная рукопись показывает, что взгляды физика были гораздо сложнее.

«Самый сильный аргумент в пользу неопределённости появился ещё до квантовой механики», — написал Шрёдингер в своей неопубликованной работе.

Чтобы понять значение открытия, необходимо вернуться к спору, который занимал физиков почти столетие.

В классической механике господствует принцип детерминизма: каждое событие определяется предшествующими условиями. Если бы удалось узнать абсолютно все необходимые параметры, теоретически можно было бы предсказать результат любого процесса.

Например, подбрасывание монеты кажется случайным, но её движение подчиняется физическим законам. Результат зависит от начальной скорости, вращения и других факторов. Аналогичным образом поведение игральной кости определяется условиями броска и особенностями самой кости.

Даже компьютерные генераторы случайных чисел обычно используют алгоритмы, поэтому их результаты не обязательно являются случайными в фундаментальном смысле.

Квантовая механика предложила совершенно другую картину. Поведение электронов, фотонов и других микроскопических объектов можно предсказывать лишь с определёнными вероятностями. Физики способны чрезвычайно точно рассчитать вероятность конкретного результата, но не могут достоверно установить, что произойдёт с отдельной частицей.

Отсюда возник фундаментальный вопрос: случайность действительно заложена в природе или существуют неизвестные свойства частиц, которые сделали бы их поведение предсказуемым?

Такие предполагаемые свойства получили название скрытых переменных. Сторонники этой идеи допускали, что квантовая теория просто не учитывает некоторые параметры, знание которых позволило бы заранее определять результаты измерений.

В 1932 году математик Джон фон Нейман опубликовал работу, которую многие восприняли как математическое доказательство невозможности скрытых переменных. Авторитет учёного был настолько велик, что исследования подобных моделей на долгие годы практически остановились.

Однако не все согласились с его выводами. Уже в 1935 году математик Грета Герман выявила существенные недостатки в рассуждениях фон Неймана, но её критика почти не привлекла внимания научного сообщества.

К середине 1940-х годов спор вспыхнул с новой силой.

В мае 1943 года математик и физик Эдмунд Тейлор Уиттекер выступил с лекцией, в которой утверждал, что квантовая механика окончательно разрушила классическое представление о детерминизме.

По его мнению, случайность в квантовом мире принципиально отличается от непредсказуемости обычного броска монеты. Она является подлинной, и никакая дополнительная информация не позволит точно предсказать исход отдельного квантового события.

В январе 1944 года похожую позицию высказал физик Сатьендра Нат Бозе на Индийском научном конгрессе. Он заявил, что физики приобрели новые знания, но утратили веру в детерминистические законы природы.

В июле того же года математик Генри Пьяджо опубликовал в журнале Nature статью «Крах детерминизма», посвящённую аргументам Бозе. Публикация вызвала бурную дискуссию, продолжавшуюся несколько месяцев. Учёные начали разбирать утверждения о невозможности скрытых переменных и искать ошибки в предложенных доказательствах.

Одним из центральных примеров стал мысленный эксперимент Уиттекера с фотонами и поляризатором — устройством, пропускающим свет в зависимости от направления его поляризации.

Квантовая механика позволяет рассчитать долю фотонов, которые пройдут через такой фильтр при определённом угле его поворота.

Уиттекер предложил представить, что каждый фотон несёт скрытую инструкцию, заранее определяющую, пройдёт он через поляризатор или отразится от него.

Но что произойдёт, если изменить угол поляризатора, пока фотон ещё находится в пути? По мнению Уиттекера, первоначальная инструкция окажется бесполезной. Следовательно, результат не может быть заранее определён скрытой переменной.

Именно здесь в дискуссию решил вмешаться Шрёдингер.

Внимательно следивший за спором физик написал собственную работу под названием «Крах детерминизма». Судя по обстоятельствам её создания, рукопись появилась после ноября 1944 года.

Шрёдингер обнаружил принципиальный недостаток в рассуждении Уиттекера: тот предполагал, что скрытая переменная фотона может иметь только два значения — одно соответствует прохождению через фильтр, другое отражению.

Но почему значений должно быть именно два?

Шрёдингер предложил использовать переменную, способную принимать любое значение от нуля до единицы. Затем он построил математическую модель, в которой результат взаимодействия определялся одновременно скрытой переменной фотона и углом поляризатора.

Оказалось, что при правильно выбранных правилах такая модель способна воспроизводить вероятности, предсказываемые квантовой механикой, хотя каждое отдельное взаимодействие в ней определяется детерминистически.

Более того, Шрёдингер предусмотрел ещё одну важную деталь. Он разработал точное математическое правило, определяющее, как скрытая переменная изменяется после прохождения фотона через поляризатор.

Благодаря этому модель позволяла описывать не только единичное измерение, но и последовательность измерений, сохраняя соответствие квантовым предсказаниям.

Таким образом, физик показал, что аргумент Уиттекера не доказывает невозможность скрытых переменных.

Однако самое интересное заключается в мотивах Шрёдингера. Он вовсе не пытался доказать, что Вселенная обязательно подчиняется детерминизму. Его цель состояла в другом: показать, что существующие аргументы не позволяют окончательно исключить такую возможность.

«Экспериментальные данные и логические рассуждения никогда не смогут доказать невозможность ни детерминистического, ни недетерминистического взгляда», — написал учёный.

Несмотря на значимость этого рассуждения, Шрёдингер так и не опубликовал работу.

Почему именно он отказался от публикации, неизвестно. Однако Дель Санто предложил возможное объяснение.

В 1944 году физик Генрих Пельцер представил похожую модель со скрытыми переменными, также продемонстрировавшую несостоятельность аргумента Уиттекера. Шрёдингер мог узнать об этой работе и решить, что необходимость в его собственном ответе отпала.

При этом модель Шрёдингера была более подробной: она содержала явное правило изменения скрытой переменной после прохождения фотона через поляризатор, позволяющее воспроизводить результаты последовательных измерений.

Как бы то ни было, рукопись осталась неопубликованной и пролежала в австрийском архиве более восьми десятилетий, пока её не обнаружил Дель Санто.

Но изучение документа выявило ещё одно обстоятельство, способное изменить представление о знаменитом физике.

Шрёдингер вовсе не был последовательным сторонником строгого детерминизма. Ещё в 1920-х годах, до появления современной квантовой механики, он допускал, что законы природы могут иметь фундаментально статистический характер.

Под влиянием физика Франца Экснера Шрёдингер даже называл классический детерминизм «философским предрассудком» и «априорной верой».

Иными словами, он не считал самоочевидным, что все события во Вселенной обязательно должны быть предсказуемыми при достаточно полном знании начальных условий.

Найденная рукопись показывает, что к 1940-м годам эта позиция принципиально не изменилась. Шрёдингер допускал существование фундаментальной случайности, но одновременно выступал против утверждений, будто детерминистические объяснения уже математически исключены.

Именно поэтому его модель скрытых переменных не следует воспринимать как доказательство личной веры учёного в детерминизм.

Как объясняет Дель Санто, подобные модели служат прежде всего демонстрацией принципиальной возможности альтернативного объяснения. Они позволяют опровергать широко распространённые представления о невозможности определённых теорий, но не означают безусловной приверженности их авторов этим теориям.

Историк физики подчёркивает, что Шрёдингер сформировал удивительно твёрдую приверженность идее неопределённости ещё до появления квантовой механики и независимо от неё, сохранив эти взгляды на протяжении всей научной карьеры.

Сегодня дискуссия 1940-х годов о «крахе детерминизма» практически забыта, однако лежащий в её основе вопрос остаётся предметом разногласий среди физиков.

Действительно ли отдельные квантовые события происходят случайно или их результаты определяются неизвестными нам параметрами? Забытый документ не даёт окончательного ответа, но напоминает, насколько опасно считать сложную научную проблему решённой лишь потому, что одна из альтернатив кажется невозможной.

В этом есть своеобразная ирония: создатель знаменитого мысленного эксперимента с котом Шрёдингера оставил после себя ещё одну загадку, в которой противоположные объяснения природы реальности продолжают сосуществовать.

Исследование Флавио Дель Санто, посвящённое восстановлению истории этой рукописи, доступно на сервере научных препринтов arXiv.