Більше 80 років рукопис, написаний одним із засновників квантової фізики, припадав пилом у бібліотеці Австрії.
Тепер його знайшов історик фізики Флавіо Дель Санто з Женевського університету. Цей трьохсторінковий документ є коротким, але містить давно втрачену інформацію про одну з найсуперечливіших дискусій у квантовій механіці.
Цей документ пропонує несподіване уявлення про те, що сам Ервін Шредінгер вважав про природу реальності.
Замість того, щоб відчувати дискомфорт через квантову випадковість, як його часто зображують, Шредінгер вірив, що існують аспекти Всесвіту, які не можна передбачити — переконання, яке він мав ще до виникнення квантової теорії в 1920-х роках.
У рукописі він написав: "Найсильніший аргумент на користь індетермінізму старший за квантову механіку".
У класичній фізиці немає справжньої випадковості. Кості можуть мати дефекти, які впливають на їх кидок. Комп'ютерні генератори випадкових чисел зазвичай керуються алгоритмами. Навіть підкидання монети підпорядковується фізичним силам, які, теоретично, можна передбачити.
Цей феномен відомий як детермінізм, і він відіграє важливу роль у нашому розумінні фізичного Всесвіту, стверджуючи, що кожна класична поведінка визначається умовами, які її передують, навіть якщо ми не знаємо, які це умови.
Але квантова механіка, як відомо, йде в ногу з дуже іншим ритмом.
На квантовому рівні поведінка частинок, таких як фотони та електрони, може бути передбачена лише в термінах ймовірностей. Ми можемо розрахувати ймовірність певного результату з надзвичайною точністю, але не можемо точно передбачити, що зробить окрема частинка.
Це піднімає глибоке питання: чи є Всесвіт в основному випадковим, чи існують приховані фактори, які визначають поведінку частинок, які квантова механіка ще не врахувала?
Ці гіпотетичні приховані фактори відомі як приховані змінні, і вони є саме тим, чим звучать — невідомими властивостями або умовами, які, якби ми їх знали, дозволили б фізикам передбачити квантову поведінку окремих частинок.
У 1932 році математик Джон фон Нейман опублікував те, що широко інтерпретувалося як математичне доведення того, що такі приховані змінні неможливі.
Його аргумент мав значну вагу, і протягом більше десяти років дослідження моделей прихованих змінних в основному зупинилися.
Не всі були переконані. У 1935 році математик Грете Герман вказала на значні недоліки в міркуваннях фон Неймана. Однак її критика була в основному проігнорована.
У середині 1940-х років двоє видатних фізиків випадково відновили аргумент на користь прихованих змінних, іронічно виступаючи проти них, погоджуючись з фон Нейманом.
У травні 1943 року математик і фізик Едмунд Тейлор Уіттакер виступив з лекцією, стверджуючи, що квантова механіка нарешті зруйнувала класичне уявлення про детермінізм.
На відміну від очевидної випадковості підкидання монети, він стверджував, що квантова випадковість є справжньою, і жодна кількість додаткової інформації не може зробити індивідуальні результати передбачуваними.
Тоді, в січні 1944 року, фізик Сатйендра Нат Бозе зробив подібний аргумент на засіданні Індійського наукового конгресу, заявивши, що "фізики здобули знання, але втратили віру" в детерміністичні закони природи.
Це стало іскрою для сухого сіна.
У липні 1944 року математик Генрі Піаджо опублікував статтю в журналі Nature під назвою "Колапс детермінізму", в якій повідомляв про аргументи Бозе. Це спровокувало сплеск відповідей від фізиків, які не були настільки переконані, що детермінізм мертвий і похований.
Протягом наступних місяців аргумент розцвів на сторінках журналу, дослідники розбиралися з нібито неможливістю прихованих змінних.
У своїй лекції 1943 року Уіттакер запропонував, здавалося б, просту демонстрацію того, чому приховані змінні не можуть існувати, використовуючи фотони — окремі частинки світла, які проходять через поляризатор.
Квантова механіка може передбачити, яку частину фотонів пройде через поляризатор під будь-яким кутом.
Але Уіттакер стверджував, що якщо кожен фотон несе прихору інструкцію, що визначає, чи пройде він, зміна кута поляризатора під час польоту фотонів зробить цю інструкцію марною.
Отже, він зробив висновок, що результат не може бути передбачений прихованими змінними.
Шредінгер, спостерігаючи за дебатами, написав свою відповідь, також названу "Колапс детермінізму".
У ній він вказав на значний недолік у міркуванні Уіттакера.
Уіттакер припустив, що кожен фотон несе приховану змінну лише з двома можливими значеннями, одне з яких визначає, чи пройде він через поляризатор, а інше — чи буде відображений.
Але Шредінгер вказав, що немає причин обмежувати приховану змінну лише двома значеннями. Що, якщо вона може приймати будь-яке значення між нулем і одиницею?
Він тоді побудував математичну модель, в якій результат залежав як від прихованої змінної фотона, так і від кута поляризатора.
З правильними правилами модель відтворила ймовірності, які передбачає квантова механіка, без необхідності, щоб кожна окрема взаємодія була випадковою.
Існувала друга частина моделі, яка також була важливою. Шредінгер розробив детерміністичне правило для оновлення прихованої змінної після того, як фотон пройшов через поляризатор, що означало, що його модель могла бути використана для відтворення прогнозів для наступних вимірювань.
Важливо, що його мета не полягала в захисті детермінізму, оскільки він обов'язково вірив у нього. Він захищав можливість детермінізму проти конкретних тверджень, що це неможливо.
"Експериментальні дані + логічні висновки ніколи не можуть довести, що або детерміністичний, або індетерміністичний погляд є неможливим", — написав він.
Однак відповідь Шредінгера ніколи не була опублікована.
Чому він ніколи не опублікував її залишається загадкою, хоча Дель Санто має можливе пояснення.
У 1944 році фізик Генріх Пельцер опублікував подібну модель прихованих змінних, показуючи, що аргумент Уіттакера не витримує критики. Шредінгер міг дізнатися про роботу Пельцера і вирішити, що питання вже було піднято.
Проте модель Шредінгера пішла далі, надаючи явне математичне правило для того, як прихована змінна фотона змінюється після проходження через поляризатор, що дозволяє їй враховувати наступні вимірювання.
Які б не були його причини, рукопис залишався неопублікованим, зберігаючись в австрійському архіві, поки Дель Санто не привернув до нього увагу більше ніж через вісімдесят років.
Але є ще один поворот у цій історії.
Хоча Шредінгер часто зображується як захисник детермінізму, його власна філософська позиція була досить іншою.
Ще в 1920-х роках, до того як сучасна квантова механіка навіть виникла, Шредінгер стверджував, що закони природи можуть бути в основному статистичними, а не підпорядковуватися підлягаючому механізму абсолютно передбачуваних подій.
Впливом на нього став фізик Франц Екснер, він навіть описав класичний детермінізм як "філософське упередження" та "апріорне переконання".
І його неопублікований рукопис свідчить про те, що його позиція не змінилася в основному до 1940-х років — і не змінилася пізніше.
Хоча "Колапс детермінізму" 1940-х років в основному забутий сьогодні, фізики залишаються розділеними за його основними позиціями.
Можливо, що ми можемо навчитися з запізнілого внеску Шредінгера — зберігати відкритий розум. У досить вдалому повороті, людина, яка дала нам кота Шредінгера, залишила нам питання, яке залишається, у своєму роді, одночасно живим і мертвим: чи є Всесвіт детерміністичним… чи ні?
"Шредінгер … розвинув надзвичайно сильну прихильність до індетермінізму ще до, і незалежно від, квантової механіки, яку він підтримував протягом усієї своєї кар'єри", — пише Дель Санто.
Моделі, такі як модель Шредінгера, за словами Дель Санто, "служать доказами принципу проти поширених переконань або заявлених неможливостей, як яскраво ілюструє випадок Шредінгера, реконструйований тут, але ніколи не як вираження догматичної прихильності до детермінізму".