Кот Шрёдингера никогда не был жив и мертв одновременно: в Гарварде нашли ошибку в физике времени

В повседневной жизни связь между прошлым, настоящим и будущим кажется очевидной. То, что человек делал вчера, влияет на его сегодняшние решения, а сегодняшние действия определяют то, что произойдет завтра. Прошлый опыт напрямую формирует будущее.

Однако фундаментальная физика устроена иначе. Большинство физических законов опирается на негласное правило: чтобы точно предсказать будущее любого объекта, нужно знать только его состояние в настоящий момент. То, что происходило с этим объектом в прошлом, в уравнения не входит и никакого значения для расчетов не имеет.

Если физику нужно рассчитать, где через секунду окажется летящий камень, ему достаточно измерить всего три параметра прямо сейчас: в какой точке находится камень, с какой скоростью он летит и в каком направлении. После этого ученый подставляет эти цифры в законы движения Исаака Ньютона и получает точный ответ. При этом совершенно неважно, кто бросил этот камень, с чем он сталкивался минуту назад и как именно попал в текущую точку. Для физических формул прошлого этого камня просто не существует.

Наука приняла такое правило по вполне практической причине. Если бы для каждого расчета ученым приходилось учитывать всю предыдущую историю объекта и всех частиц, с которыми он когда-либо соприкасался, количество данных стало бы бесконечным. Такие уравнения невозможно было бы решить даже на самых мощных современных компьютерах. Учет только настоящего момента позволил физике делать точные и проверяемые прогнозы.

Долгое время такой подход не вызывал вопросов. Но когда сто лет назад ученые начали изучать законы микромира — поведение электронов, фотонов и отдельных атомов, — отказ от учета прошлого привел к серьезным противоречиям. Чтобы объяснить результаты экспериментов, физикам пришлось допустить, что мельчайшие частицы могут находиться в нескольких местах одновременно, а сам факт наблюдения за опытом меняет физическую реальность.

Сегодня группа физиков и специалистов по философии науки предлагает пересмотреть это базовое правило. Их математические расчеты показывают: если вернуть в физические уравнения влияние прошлого, самые странные и нелогичные эффекты квантовой механики получают простое и последовательное объяснение. Как отмечает исследователь квантовой информации Джейкоб Биамонте из Высшей технологической школы в Монреале, этот подход способен серьезно изменить сам фундамент современной физики.

Правило Маркова и загадка кота Шрёдингера

В математике и физике независимость будущего от прошлого называют принципом Маркова — в честь российского математика Андрея Маркова, который разработал теорию таких процессов. Если система подчиняется принципу Маркова, ее следующий шаг зависит только от того, в каком состоянии она находится сейчас, и совершенно не зависит от того, через какие состояния она прошла ранее.

Это правило легло в основу не только классической механики, но и квантовой теории — раздела физики, который описывает поведение элементарных частиц. Однако в микромире частицы ведут себя совсем не так, как обычные крупные предметы. Их движение всегда содержит долю случайности, а результаты измерений часто невозможно предсказать со стопроцентной точностью — можно вычислить только вероятность того или иного исхода.

Согласно стандартной квантовой механике, пока за частицей никто не наблюдает и не измеряет ее параметры, она может находиться в смешении нескольких разных состояний одновременно — например, обладать разными скоростями или располагаться в нескольких точках пространства сразу. Физики называют такое смешение состояний суперпозицией.

Чтобы показать, насколько странно это правило выглядит с точки зрения обычной логики, физик Эрвин Шрёдингер предложил известный мысленный эксперимент с котом. Животное сажают в закрытый ящик, внутри которого находится механизм с одним радиоактивным атомом и колбой с ядом. Если атом распадется, механизм разобьет колбу, и кот погибнет; если атом не распадется, кот останется жив. Поскольку распад атома — это квантовый процесс, до момента измерения атом считается распавшимся и нераспавшимся одновременно. А так как жизнь кота напрямую зависит от этого атома, получается, что и сам кот в закрытом ящике должен быть одновременно и живым, и мертвым.

В квантовой механике такое состояние кота или частицы описывают с помощью специальной математической формулы, которую называют волновой функцией. В этой формуле перечислены все возможные состояния объекта и указана вероятность каждого из них в процентах.

Поскольку стандартная квантовая физика подчиняется принципу Маркова, прошлое кота ее не интересует. Что касается будущего, то теория предлагает два варианта развития событий:

1. Пока ящик закрыт и никто не проверяет, что внутри, мы можем говорить о состоянии кота только на языке процентов вероятности. При этом считается, что животное физически находится в неопределенном, смешанном состоянии между жизнью и смертью.
2. Как только человек открывает крышку ящика и смотрит внутрь (то есть проводит измерение), математическая формула мгновенно меняется. Неопределенность исчезает, и кот оказывается либо однозначно живым, либо однозначно мертвым. В физике этот мгновенный переход называют коллапсом волновой функции.

Этот мысленный эксперимент вскрыл целый ряд фундаментальных вопросов, на которые ученые не могут найти общепринятый ответ уже целое столетие. Что именно происходит на физическом уровне в тот момент, когда человек открывает ящик? Неужели сам взгляд наблюдателя или подключение измерительного прибора физически определяет, жив кот или мертв? Что происходит с котом в ту миллиардную долю секунды, когда крышку ящика сдвинули всего на один миллиметр, — становится ли его состояние чуть менее смешанным? И главное: является ли волновая функция реальным физическим объектом, существующим в природе, или это просто математическая запись наших расчетов на бумаге?

Философ науки Дэвид Глик из Калифорнийского университета в Дэвисе подчеркивает, что за сто лет существования квантовой механики ученые научились с огромной точностью пользоваться ее формулами на практике, но так и не пришли к согласию о том, как именно устроена физическая реальность, которую эти формулы описывают.

Как зависимость от прошлого убирает квантовые парадоксы

Джейкоб Барандес, специалист по основаниям физики из Гарвардского университета, пришел к выводу, что все эти неразрешимые вопросы возникают из-за одной причины: физики пытаются описать микромир без учета его прошлого.

В работе, опубликованной в прошлом году, Барандес математически показал, что всю квантовую теорию можно построить на уравнениях для процессов, которые не подчиняются принципу Маркова. В таких процессах поведение объекта всегда зависит от его предыдущей истории.

Если посмотреть на микромир через такие уравнения, картина реальности полностью меняется:

• Никакого смешения состояний (суперпозиции) в природе не существует. Кот в ящике в каждую секунду времени является либо обычным живым котом, либо мертвым, даже когда ящик закрыт. Частицы также всегда находятся в каком-то одном конкретном состоянии, а не в нескольких местах сразу.
• Мы не можем заранее точно сказать, в каком состоянии находится кот или частица, не потому, что они физически «размыты» в пространстве, а потому, что процессы в микромире по своей природе случайны. Частицы всегда ведут себя вероятностно, и шансы на тот или иной их шаг напрямую зависят от того, в каких состояниях они находились в прошлом.

Возникает логичный вопрос: если частицы никогда не находятся в нескольких состояниях сразу, почему тогда в стандартной квантовой физике появилась волновая функция, которая описывает их именно так?

Барандес объясняет этот эффект тем, как устроены математические вычисления. Представьте, что поведение квантовой частицы в настоящий момент на самом деле зависит от того, где она находилась секунду назад, две секунды назад, три секунды назад и так далее. Чтобы точно предсказать ее следующее движение, нужно учесть все эти прошлые состояния.

Но стандартная физика требует соблюдать принцип Маркова — то есть записывать в уравнения данные только о настоящем моменте. Чтобы выполнить это требование и при этом не потерять точность расчетов, математикам пришлось пойти на хитрость: они собрали информацию о состояниях частицы секунду назад, две секунды назад и три секунды назад и объединили их в одну формулу, описывающую настоящий момент.

Именно эта сводная формула и называется волновой функцией. Поскольку в нее одновременно записаны данные о множестве разных состояний частицы из разных моментов ее прошлого, на бумаге это выглядит так, будто частица находится во всех этих состояниях прямо сейчас.

По словам Барандеса, главная ошибка физиков заключалась в том, что они приняли этот удобный математический способ записи прошлых данных за физическую реальность. В его подходе волновая функция не существует в пространстве как физическое поле или волна. Это просто математический инструмент, который позволяет компактно учесть все способы, какими прошлое влияет на частицу сегодня.

Когда мы отказываемся от буквального понимания волновой функции, загадка измерения тоже решается сама собой. Открытие ящика с котом или срабатывание датчика в лаборатории перестают быть необъяснимыми событиями, которые каким-то образом меняют реальность. Измерение — это обычный физический контакт одного объекта с другим (например, столкновение частицы с детектором или отражение от нее света).

Когда частица сталкивается с измерительным прибором, это новое сильное физическое воздействие перебивает влияние ее старой истории. Поведение частицы начинает зависеть от этого нового контакта, а ее прежние состояния перестают играть заметную роль. Точно так же объясняется и переход от законов квантового мира к законам нашего обычного мира крупных вещей:

• В стандартной физике давно известно, что чем крупнее объект и чем активнее он контактирует с окружающей средой, тем быстрее он теряет свои квантовые свойства.
• В модели Барандеса это происходит потому, что крупный предмет состоит из огромного числа частиц, которые непрерывно сталкиваются друг с другом, с молекулами воздуха и частицами света.
• Каждое такое столкновение обрывает зависимость объекта от его прежней истории. В результате крупные предметы постоянно теряют связь со своим далеким прошлым, и их движение начинает зависеть только от текущего состояния.

Именно поэтому для расчета полета камня или движения автомобиля нам не нужно знать всю предыдущую историю Вселенной. В мире крупных объектов принцип Маркова работает почти идеально, потому что постоянные взаимодействия с окружающей средой непрерывно стирают влияние прошлого.

Проверка теорией: предел квантовой связи и скорость света

Чтобы научное сообщество всерьез рассматривало новую теоретическую модель, она должна не просто предлагать другое словесное описание известных фактов, но и объяснять то, чего не может объяснить старая теория. Подход Барандеса уже справился с одной из таких задач — он дал физическое объяснение так называемому пределу Цирельсона.

Эта задача связана с явлением квантовой запутанности. Если две квантовые частицы провзаимодействовали друг с другом, а затем разлетелись на большое расстояние, между ними сохраняется особая взаимосвязь. Когда ученые измеряют характеристики одной частицы, результаты измерений второй частицы оказываются согласованными с первой гораздо чаще, чем это допускают законы обычной, неквантовой физики.

Однако у этой квантовой взаимосвязи есть строгий предел прочности. В 1980 году математик Борис Цирельсон вычислил из стандартных уравнений квантовой механики, что согласованность свойств запутанных частиц может превышать максимально возможную классическую взаимосвязь ровно на определенную величину — примерно на 41 процент. В физике это число получило название предела Цирельсона.

Долгое время никто не мог понять, почему природа установила ограничение именно на отметке в 41 процент. В 1994 году физики Санду Попеску и Даниэль Рорлих проверили, что произойдет, если в теории усилить эту связь до максимума — так, чтобы она превышала классическую на все 100 процентов. Раньше ученые полагали, что стопроцентная связь невозможна, поскольку она позволила бы передавать сигналы от одной частицы к другой быстрее скорости света, а это запрещено специальной теорией относительности Альберта Эйнштейна. Но Попеску и Рорлих математически доказали, что даже при стопроцентной связи передавать информацию быстрее света невозможно.

Это поставило физиков в тупик. Если законы теории относительности спокойно допускают превышение классической связи на 100 процентов, почему в реальном мире квантовая связь останавливается на 41 проценте, не доходя даже до половины возможного значения? Стандартная квантовая механика не давала ответа на этот вопрос: число 41 просто получалось в результате сложных вычислений, но за ним не стояло никакого понятного физического правила.

Джейкоб Барандес вместе с физиками Дэвидом Каганом и Махмудулом Хасаном из Массачусетского университета в Дартмуте показали, что этот предел напрямую вытекает из скорости света, если учитывать влияние прошлого. Логика их расчета устроена следующим образом:

1. В новой модели поведение каждой квантовой частицы в настоящий момент зависит от ее прошлого, а также от прошлого других частиц, с которыми она взаимодействовала.
2. При этом в нашей Вселенной ни один объект и ни одно физическое воздействие не могут перемещаться быстрее скорости света.
3. Это означает, что на частицу в данный момент не может влиять абсолютно все прошлое окружающего мира. Те прошлые события, которые произошли слишком далеко, просто не успевают воздействовать на частицу, так как сигнал от них, летящий со скоростью света, еще не дошел до ее текущей точки.
4. Следовательно, при расчете поведения частицы нужно учитывать только ту часть прошлого, влияние которой успело дойти до нее со скоростью света, а все остальное прошлое можно отбросить.

Когда Барандес и его коллеги ввели это простое ограничение скорости света в свои уравнения зависимости от прошлого, математический расчет автоматически выдал то самое ограничение в 41 процент. Загадочное число оказалось прямым следствием того, что влияние прошлого распространяется в пространстве не мгновенно, а с конечной скоростью света.

Физик Саймон Мильц из Университета Хериота-Уатта в Великобритании считает этот результат серьезным достижением. По его словам, предел Цирельсона — одна из самых обсуждаемых тем в современной теории квантовой информации, и найти понятный физический принцип, из которого этот предел следует, очень важно для науки, поскольку стандартная теория оставляет его без объяснения.

В то же время другие специалисты указывают на трудности, которые автору теории еще предстоит преодолеть. Философ физики Дэвид Уоллес из Питтсбургского университета соглашается, что вывод предела Цирельсона выглядит убедительно, но сомневается, что физика сможет полностью отказаться от реальности волновой функции, учитывая то, насколько успешно стандартная теория описывает мир.

Кроме того, Уоллес отмечает важную техническую деталь: пока что модель Барандеса написана для отдельных квантовых частиц. Но современная физика элементарных частиц (Стандартная модель) строится на более сложном разделе науки — квантовой теории поля, где частицы рассматриваются как возбуждения непрерывных полей. В истории науки уже были попытки переписать квантовую механику по-новому, и почти все они потерпели неудачу именно тогда, когда ученые пытались применить их к квантовым полям. Сам Барандес утверждает, что его математический аппарат подходит и для описания полей, и планирует посвятить этому свои следующие работы.

Новые эксперименты и вопрос о том, существует ли прошлое

Идея вернуть прошлое в уравнения физики развивается сразу в нескольких научных центрах. Кристиан Мариани из Университета Итальянской Швейцарии в Лугано применяет отказ от принципа Маркова к другому нестандартному направлению в физике — моделям спонтанного коллапса.

Авторы этих моделей пытаются решить проблему кота Шрёдингера без участия человека-наблюдателя. Они предполагают, что смешанное состояние частицы разрушается (переходит в одно конкретное состояние) не тогда, когда кто-то проводит измерение, а само по себе, случайно и самопроизвольно через определенные промежутки времени. Такие теории дают предсказания, которые немного отличаются от стандартной квантовой механики, но до сих пор точности приборов не хватало, чтобы проверить эти отличия на практике и выяснить, кто прав.

Мариани обнаружил, что если изменить уравнения спонтанного коллапса так, чтобы в них учитывалось прошлое частицы, поведение систем меняется заметно сильнее. Это открывает возможность поставить реальные лабораторные эксперименты, которые смогут подтвердить или опровергнуть такие модели.

Кроме того, Мариани обращает внимание на то, почему физики вообще сто лет не замечали проблемы с принципом Маркова. По его словам, независимость будущего от прошлого была тем допущением, которое ученые принимали по умолчанию, даже не пытаясь его доказывать. Отчасти это происходило потому, что уравнения с учетом прошлого гораздо сложнее решать математически, а отчасти — из-за привычки следовать принципу «бритвы Оккама», который требует всегда выбирать самое простое объяснение из возможных. Попытка поставить это старое правило под сомнение заставляет ученых заново обдумать, как вообще устроены законы природы.

Это переосмысление напрямую затрагивает и фундаментальный вопрос о природе времени. В науке и философии долгое время спорят два противоположных взгляда на то, что именно можно считать реально существующим во времени:

• Первый взгляд (в философии его называют презентизмом) полностью совпадает с нашей бытовой интуицией. Он утверждает, что в реальности существует только настоящий момент. Прошлого уже не существует, потому что оно прошло, а будущего еще не существует, потому что оно не наступило.
• Второй взгляд (этернализм) утверждает, что прошлое, настоящее и будущее одинаково реальны и существуют одновременно как части единого пространства и времени. Нам кажется, что время течет, но на самом деле мы просто находимся в одной конкретной точке времени, точно так же, как мы находимся в конкретной точке пространства, при этом все остальные точки прошлого и будущего тоже физически существуют.

В двадцатом веке, после появления теории относительности Эйнштейна, большинство ученых склонилось ко второму варианту. Эйнштейн доказал, что ход времени зависит от скорости движения наблюдателя, и во Вселенной невозможно определить единый для всех момент «сейчас»: то, что для одного наблюдателя является настоящим, для другого уже стало прошлым или еще остается будущим. Из-за этого идея о том, что реально только настоящее, потеряла популярность в научной среде.

Однако в 2025 году исследователи Дэвид Буилес и Микеле Одиссеас Импаньятьелло из Принстонского университета выступили с сильным научным аргументом в защиту исключительности настоящего момента. Они указали на то, что на протяжении нескольких веков все физические эксперименты неизменно подтверждали законы, построенные по принципу Маркова. А поскольку этим законам для полного описания мира требуется только настоящее состояние объектов и совершенно не требуется прошлое, сама экспериментальная физика подтверждает, что реально существует только настоящий момент. Как подчеркивает Импаньятьелло, это не отвлеченные философские рассуждения, а вывод, опирающийся на сотни лет лабораторных опытов.

При этом оба исследователя из Принстона сразу оговорили условие, при котором их аргумент перестанет работать: если в физике победит интерпретация квантовой механики, зависящая от прошлого, от идеи существования только настоящего момента придется отказаться. Если прошлое напрямую управляет поведением частиц сегодня в обход настоящего, значит, оно продолжает физически влиять на мир, и считать его несуществующим нельзя.

Практическое применение: как устроены квантовые компьютеры

До окончательного разрешения этого спора в лабораториях предстоит проделать большую работу. Импаньятьелло и Уоллес сходятся во мнении, что для полной победы нового подхода нужен случай, в котором теория зависимости от прошлого сделает совершенно новое предсказание — такое, которое не способна дать стандартная квантовая механика и которое можно будет проверить на опыте.

Сам Джейкоб Барандес считает, что областью, где его теоретическая схема быстрее всего соприкоснется с практическими экспериментами, станут квантовые вычисления.

В стандартном описании принято считать, что квантовые компьютеры превосходят обычные за счет использования суперпозиции и квантовой запутанности: их ячейки памяти (кубиты) якобы могут находиться в состояниях нуля и единицы одновременно, что позволяет машине просчитывать множество вариантов параллельно.

С точки зрения Барандеса, все эти квантовые эффекты на самом деле являются проявлением зависимости от прошлого. Это означает, что квантовый компьютер по принципу своей работы — это устройство, использующее память о прошлых состояниях. В обычном компьютере результат каждого следующего шага программы зависит только от того, какие нули и единицы записаны в ячейках памяти прямо сейчас. А в квантовом компьютере результат зависит не только от текущего расположения битов, но и от того, в каких комбинациях эти биты находились на прошлых этапах вычисления.

Этот новый взгляд имеет прямое практическое значение для индустрии информационных технологий. На сегодняшний день ученые смогли строго доказать лишь несколько узких математических задач, которые можно решить только на квантовом компьютере и невозможно решить на обычном. Если инженеры и программисты начнут рассматривать квантовые процессоры не как устройства, использующие суперпозицию, а как машины, работающие за счет зависимости от прошлых состояний битов, это поможет им найти совершенно новые классы задач, в которых квантовые компьютеры дадут ощутимую практическую пользу.

Даже если другие трактовки квантовой механики никогда не будут полностью опровергнуты экспериментами, сам отказ от обязательного принципа Маркова уже приносит пользу науке. Как резюмирует Дэвид Глик, в истории науки теории меняются не только тогда, когда один опыт прямо опровергает старую формулу. Очень часто ученые отказываются от старого допущения просто потому, что без него теория становится логичнее, избавляется от внутренних противоречий и позволяет получать более продуктивные результаты. Серьезное отношение к прошлому в физических уравнениях как раз может оказаться тем шагом, который поможет наконец понять, как в действительности устроен окружающий мир на самом глубоком уровне.