Манжит Кумар - Квант. Эйнштейн, Бор и великий спор о природе реальности

• Название: Квант. Эйнштейн, Бор и великий спор о природе реальности
• Автор: Манжит Кумар
• Жанр: Физика

     Однажды, когда Чарли Чаплина и Альберта Эйнштейна окружила восторженная толпа, Чаплин заметил: “Меня приветствуют потому, что меня понимают все, а вас — потому, что не понимает никто”. С тех пор наука стала еще менее доступной пониманию публики. Английский журналист рассказывает о проблемах, занимавших физиков первой половины XX века, искусно соединяя описание человеческих черт “небожителей” — авторов квантовой теории — с рассказом о трудной, но веселой науке, которую они творили. Что получилось? Биография идеи, которая читается как триллер. Путеводитель по парадоксальному миру. Научно-популярная книга, которая сбивает с толку и дает почувствовать себя почти гением.

---

Запомнились часто повторенные Эйнштейном слова: “Бог не играет в кости”9. Он, как в наши дни консультант по рекламе, хорошо знал цену врезающимся в память метким выражениям. Эта находка, позволившая Эйнштейну бросить открытый вызов копенгагенской интерпретации, не представляла собой краеугольный камень его научного мировоззрения. Даже Борн, почти полвека знавший Эйнштейна, не понимал значение этих слов, и лишь Паули в конце концов объяснил ему, что является главным в неприятии Эйнштейном квантовой механики.

В 1954 году, когда Паули приехал на два месяца в Принстон, Эйнштейн дал ему черновик статьи Борна, затрагивавшей вопросы детерминизма. Паули прочитал ее и написал бывшему руководителю: “Эйнштейн не считает концепцию ‘детерминизма’ настолько важной, как об этом нередко думают”10. Годами Эйнштейн это “настойчиво и многократно” повторял11. “Отправной точкой для Эйнштейна скорее является понятие ‘реалистическое’, чем ‘детерминистское’, — объяснял Паули, — а это значит, что его философское заблуждение совсем иное”12. Под “реалистическим” Паули понимал, что, по мнению Эйнштейна, электрон, например, обладает свойствами изначально, до любого акта измерения. Паули упрекал Борна за то, что тот “создал себе некое чучело Эйнштейна, которое затем с большой помпой начал ниспровергать”13. Удивительно, что, несмотря на долгую дружбу, Борн так никогда до конца и не осознал, что на самом деле Эйнштейна волнует не “игра в кости”, а “отречение копенгагенской интерпретации от представления о реальности как не зависящей от наблюдения”14.

Возможно, непонимание было связано с тем, что впервые Эйнштейн сказал, что Бог не играет в кости еще в декабре 1926 года. Он пытался передать Борну свою обеспокоенность ролью вероятности в квантовой механике и отрицанием ею причинности и детерминизма15. Паули, однако, понимал, что возражения Эйнштейна отнюдь не связаны только с тем, что теория формулируется на языке вероятностей. “Мне кажется, что использование концепции детерминизма в дискуссии с Эйнштейном может привести только к недоразумениям”, — предупреждал он Борна16.

“Центральной проблемой квантовой механики, — писал Эйнштейн в 1950 году, — является не столько вопрос причинности, сколько вопрос реализма”17. Годами он сохранял надежду, что ему “удастся разгадать квантовую загадку, не отказываясь от представления о реальности”18. С точки зрения человека, открывшего теорию относительности, эта реальность должна быть локальной, в ней нет места взаимодействию, передающемуся быстрее света. Нарушение неравенства Белла означало, что если Эйнштейн хочет, чтобы квантовый мир существовал независимо от наблюдателя, он должен поступиться локальностью.

С помощью теоремы Белла нельзя решить, полна ли квантовая механика. Можно только сделать выбор между нею и какой-либо теорией со скрытыми параметрами. Если квантовая механика правильна (а Эйнштейн верил, что это так, поскольку при его жизни она выдержала все экспериментальные проверки), то теорема Белла означает, что любая теория со скрытыми параметрами, воспроизводящая ее результаты, должна быть нелокальной. Бор, как и многие, воспринял бы результаты Алена Аспекта как поддержку копенгагенской интерпретации. Эйнштейн, вероятно, признал бы справедливость результатов проверки неравенства Белла, не пытаясь “спасти” локальную реальность. Однако у Эйнштейна оставалась бы еще одна возможность выпутаться, хотя, как говорили некоторые, и не соответствующая духу теории относительности, — теорема о невозможности передачи сигнала.

Оказалось, что нелокальность и квантовое перепутывание невозможно использовать для мгновенной передачи полезной информации из одного места в другое. Это связано с тем, что измерение свойств одной из перепутанных частиц приводит к абсолютно случайному результату. После такого измерения экспериментатор знает только вероятность исхода выполненного его коллегой измерения того же свойства находящейся в другом месте частицы из перепутанной пары. Реальность может быть нелокальной, допускающей распространение взаимодействия между разделенными пространственно перепутанными частицами со скоростью, превышающей скорость света, но она не так опасна, поскольку нет “призрачной передачи информации на расстоянии”.

Группа Аспекта, как и многие другие, проверявшие неравенство Белла, делала выбор между локальностью и объективной реальностью, хотя и считала нелокальную реальность допустимой. А в 2006 году ученые из университетов Вены и Гданьска первыми решили испытать на практике нелокальность и квантовый реализм. Эксперимент был поставлен по следам работы английского физика сэра Энтони Джеймса Леггетта. В 1973 году (тогда он еще не был произведен в рыцари) ему пришла в голову идея усовершенствовать теорему Белла. Леггетт предположил, что между перепутанными частицами имеет место мгновенное взаимодействие. В 2003 году ему была присуждена Нобелевская премия за работы по исследованию квантовых свойств жидкого гелия. В том же году Леггетт опубликовал новое неравенство, где конкурировали квантовая механика и усовершенствованная теория уже с нелокальными скрытыми параметрами.

Австрийско-польская группа Маркуса Аспельмейера и Антона Цайлингера измерила не проверявшиеся прежде корреляции для пар перепутанных фотонов. Ученые обнаружили, что в точном соответствии с предсказаниями квантовой механики для таких корреляций неравенство Леггетта нарушается. Когда их результаты были опубликованы в журнале “Нейчур” в апреле 2007 года, Ален Аспект заметил, что философский “вывод, который теперь можно сделать, является скорее делом вкуса, чем логики”19. Нарушение неравенства Леггетта означало несовместимость квантового реализма и определенного типа нелокальности, но не исключало все возможные нелокальные модели.

Эйнштейн никогда не говорил о теории со скрытыми параметрами, хотя в 1935 году казалось, что он поддерживает именно такой подход. В конце статьи ЭПР сказано: “Хотя... мы показали, что волновая функция не обеспечивает полное описание физической реальности, остается открытым вопрос, существует ли такое описание или нет. Мы, однако, верим, что теория такого рода возможна”20. В конце 1949 года Эйнштейн написал: “На самом деле я твердо убежден, что по существу статистический характер современной квантовой теории должен быть отнесен исключительно за счет того факта, что она [теория] оперирует с неполным описанием физических систем”21.

Казалось бы, введение скрытых параметров для того, чтобы “дополнить” квантовую механику, вполне отвечало представлениям Эйнштейна, считавшего эту теорию “неполной”. Но к началу 50-х годов ему уже не импонировали подобные попытки исправить ее. В 1954 году Эйнштейн был твердо уверен, что “невозможно избавиться от статистической природы современной квантовой теории, просто добавив к ней нечто; необходимо изменение основополагающих представлений о ее структуре”22. Он был убежден: требуется нечто более радикальное, чем просто возвращение к представлениям классической физики на субатомном уровне. Если квантовая механика неполна, если она дает только часть картины, должна существовать законченная теория, дожидающаяся своего часа.

Эйнштейн верил, что существует некая ускользающая от него единая теория поля, объединяющая общую теорию относительности и электромагнетизм. Ее поиску он посвятил двадцать пять лет. Это должна быть полная теория, содержащая в себе и квантовую механику. “То, что Господь разъединил, никто вместе собрать не сможет”, — заметил Паули, говоря об Эйнштейне, мечтавшем о подобном объединении23. Хотя в то время большинство физиков посмеивалось над Эйнштейном, считая его взгляды анахронизмом, после открытия слабого ядерного взаимодействия, ответственного за радиоактивность, и сильного ядерного взаимодействия, удерживающего ядра от распада, для современных физиков такая теория стала чем-то вроде Грааля. Теперь число сил, с которыми им приходится иметь дело, возросло до четырех.

Когда дело касалось квантовой механики, находились те (к ним относился и Вернер Гейзенберг), кто считал, что Эйнштейн просто “не может изменить свою позицию”, так как всю жизнь занимался исследованием “объективного мира физических процессов, идущих независимо от нас в пространстве и времени и подчиняющихся строгим законам”24. Не надо удивляться, полагал Гейзенберг, что Эйнштейн не считал возможным принять теорию, утверждающую, что на атомном уровне “этот объективный мир пространства и времени просто не существует”25. Борн полагал, что Эйнштейн “не может больше принимать на веру некоторые новые идеи в физике, противоречащие его устоявшимся философским убеждениям”26. Отдавая должное старому другу — “пионеру борьбы за освоение неизведанной территории квантовых явлений”, Борн жаловался, что тот “скептически настроен и держится в стороне” от квантовой механики. Он считал, что это трагедия и для Эйнштейна, “в одиночестве двигающегося ощупью, и для нас, потерявших лидера и знаменосца”27.