Найденная спустя 80 лет рукопись Шрёдингера раскрыла его взгляды на квантовую физику
В архиве Венского университета обнаружили ранее не публиковавшуюся рукопись одного из основателей квантовой механики Эрвина Шрёдингера, написанную более 80 лет назад. В трёхстраничном документе физик предложил математическую модель, показывающую, что вероятностные результаты некоторых квантовых измерений можно воспроизвести с помощью скрытых параметров. Находка также раскрывает неожиданную сторону научных взглядов Шрёдингера, которого нередко считают убеждённым сторонником строгой предсказуемости физических процессов.
Рукопись обнаружил и исследовал историк физики Флавио Дель Санто из Женевского университета. Документ под названием «Крушение детерминизма» (Collapse of Determinism) хранится в Австрийской центральной библиотеке физики при Венском университете. Он был написан после ноября 1944 года, но по неизвестным причинам так и не появился в научной печати.
Работа посвящена одному из фундаментальных вопросов физики: можно ли точно предсказать поведение элементарных частиц, если знать все определяющие его условия? В классической механике движение тел описывается уравнениями, которые при заданных начальных условиях позволяют рассчитывать их дальнейшее поведение. Квантовая механика устроена иначе: она предсказывает вероятности результатов измерений, но обычно не позволяет заранее определить исход отдельного события.
С момента возникновения квантовой теории физики обсуждали возможность существования скрытых параметров — неизвестных характеристик частиц или физических систем, которые могли бы определять результаты измерений. В 1932 году математик Джон фон Нейман представил доказательство, которое долгое время считалось аргументом против таких моделей. Однако позднее выяснилось, что его вывод зависел от определённых математических предположений и не исключал все возможные теории со скрытыми параметрами.
В 1943 году британский физик и математик Эдмунд Уиттекер выступил с аргументом против скрытых параметров, основанным на прохождении света через поляризатор. Это устройство пропускает свет в зависимости от направления его поляризации. Квантовая механика позволяет рассчитать вероятность прохождения отдельного фотона, но не определяет заранее, пройдёт ли конкретная частица через устройство.
Уиттекер предположил, что каждый фотон может содержать скрытый параметр, принимающий только два значения: одно соответствует прохождению через поляризатор, другое — отражению. Однако если изменить угол поляризатора, пока фотоны находятся в полёте, заранее заданные значения не смогут воспроизвести наблюдаемую зависимость. На этом основании физик заключил, что скрытые параметры не могут объяснить результаты подобных измерений.
Шрёдингер обнаружил слабое место в этом рассуждении. Он предложил использовать скрытый параметр, способный принимать любое значение от нуля до единицы, а результат измерения определять совместно этим параметром и углом поляризатора. Такая математическая модель воспроизводила известный закон Малюса, описывающий изменение интенсивности света после прохождения через поляризатор.
Шрёдингер также предусмотрел изменение скрытого параметра после взаимодействия фотона с поляризатором. Благодаря этому его модель могла воспроизводить квантовые вероятности не только при одном измерении, но и при последовательном прохождении света через несколько поляризаторов. При этом результат каждого отдельного взаимодействия в предложенной схеме определялся заданными правилами.
Обнаруженная рукопись показывает, что Шрёдингер выступал против категорического отрицания возможности скрытых параметров. Однако сам он не считал строгую предсказуемость обязательным свойством природы. Ещё в начале 1920-х годов физик высказывал предположение, что законы природы могут иметь фундаментально вероятностный характер.
На формирование этих взглядов повлиял австрийский физик Франц Экснер. Шрёдингер критиковал представление о том, что каждое событие во Вселенной обязательно должно быть полностью определено предшествующими условиями. Поэтому предложенная им модель была прежде всего математическим возражением против конкретного доказательства невозможности скрытых параметров, а не попыткой вернуть классическую картину мира.
Причины, по которым учёный не опубликовал рукопись, остаются неизвестными. Дель Санто предполагает, что Шрёдингер мог ознакомиться с работой физика Генриха Пельцера, который в 1944 году предложил похожий подход к объяснению прохождения фотонов через поляризатор. При этом модель Шрёдингера содержала дополнительное правило изменения скрытого параметра, позволяющее описывать последовательные измерения.
Позднее исследования основ квантовой механики значительно продвинулись. В 1964 году физик Джон Белл сформулировал теорему, позволившую экспериментально проверять определённые классы теорий со скрытыми параметрами. Последующие эксперименты исключили возможность объяснения всех квантовых корреляций локальными скрытыми параметрами при стандартных предположениях. Модель Шрёдингера, описывающая конкретный опыт с поляризаторами, не отменяет этих результатов.
Находка представляет прежде всего историческую и теоретическую ценность. Она показывает, что один из создателей квантовой механики ещё в 1940-х годах предложил математический способ воспроизвести отдельные квантовые закономерности без предположения о случайности каждого события. Одновременно рукопись подтверждает, что взгляды Шрёдингера на природу случайности были значительно сложнее, чем принято считать.
Исследование в виде препринта на arXiv и пока не прошло рецензирование.