 |
Квантовая теория противоречит теории относительности
|
|
|
|
Квантовая теория противоречит теории относительности
Необязательно убивать котов, чтобы наткнуться на квантовые парадоксы. Представьте электрон, описываемый очень большой волновой функцией, которая тянется отсюда до самого Солнца. Детектируйте его, и волновая функция сколлапсирует, сразу же и мгновенно, в другую волновую функцию, по размеру не превышающую размера вашего детектора. Мы знали, что есть один электрон, и теперь знаем, что он возле Земли. Следовательно, понимаем, что он в настоящее время не на Солнце. Теория гласит, что волновая функция коллапсирует мгновенно. Согласуется ли это с нашими представлениями об относительности?
Я использовал слово мгновенно, но его значение сильно зависит от контекста. Согласно теории относительности, два отдельных события (регистрация электрона возле Земли и исчезновение его волновой функции возле Солнца) не будут одновременными во всех системах отсчета, даже если они одновременны в интересующей нас СО, связанной с детектором. Это означает, что существует система отсчета, в которой исчезновение волновой функции предшествует измерению. Более того, есть СО, в которой волновая функция присутствовала возле Солнца еще некоторое время после измерения. Таким образом, согласно правилам квантовой физики, существует система отсчета, в которой электрон, зарегистрированный у Земли, еще некоторое время может с ненулевой вероятностью находиться у Солнца. То есть мы имеем некоторый шанс зарегистрировать его там. Но это невозможно, поскольку электрон уже зарегистрирован у Земли, а он только один. (Да, мы можем организовать все таким образом, чтобы с уверенностью сказать: в системе присутствует только один электрон. ) Что‑ то не сходится.
|
|
|
Очевидное объяснение этому таково: электрон на самом деле не распределенный, а точечный объект, и волновая функция всего лишь отражает наше неведение о том, где он находится в реальности. Именно так часто преподают квантовую физику, и именно так об этих вопросах думают многие действующие специалисты. Но на самом деле это неверно. Идея о том, что существует какая‑ то более широкая реальность, а квантовая физика просто описывает наше незнание, не что иное, как теория скрытых параметров, где настоящее, но не известное нам, положение электрона играет роль скрытого параметра. Для проверки, какая из теорий верна, было проведено немало экспериментов, и во всех до сих пор квантовая теория находила подтверждение, а теория скрытых параметров опровергалась. Это означает, что волновая функция не подчиняется теории относительности. И это внушает тревогу: теория относительности за минувшее столетие проверялась очень широко и подтверждалась множеством экспериментов. Как же разрешить конфликт между теорией относительности и квантовой физикой?
Глава 18
Подразним квантовый призрак
Загадочный вопрос с измерением, и как плохо мы исследуем квантовую волновую функцию…
[Жизнь] как коробка шоколадных конфет. Никогда не знаешь, что у каждой конфеты внутри.
Из фильма «Форрест Гамп» [184]
У волновых функций множество свойств, благодаря которым сравнение с призраком представляется более чем метафорой. Как мы уже обсуждали, коллапс волновой функции не ограничен скоростью света. Из этого следует, что в некоторых системах отсчета ее коллапс будет двигаться назад во времени. Единственная связь волновой функции с реальностью возникает, когда мы пытаемся измерить положение или энергию частицы, которую эта функция описывает. При этом, согласно квантовой физике, изменение волновой функции противоречит нашим интуитивным представлениям и на первый взгляд не соответствует понятиям о теории относительности.
|
|
|
Вы шокированы? Вас удивляет, что в дебрях современной физики скрывается такой зверь? Один из отцов‑ основателей квантовой физики Нильс Бор сказал: «Тот, кого не шокирует квантовая теория, не понял в ней ни единого слова». Ричарду Фейнману принадлежит фраза: «Можно смело сказать, что квантовую механику не понимает никто»[185]. Джон Уилер, наставник Фейнмана и один из важнейших разработчиков пути развития квантовой физики, думал точно так же: «Если квантовая механика не приводит вас в полнейшее замешательство, значит вы ее не понимаете». Роджер Пенроуз, один из ведущих современных мыслителей, работающих над философией этого раздела науки, писал: «Квантовая механика абсолютно лишена смысла»[186].
Эта безумная теория, которую невозможно понять, – квантовая физика, несмотря на свою призрачную и путаную природу, лежит в основе всей современной физики. Может быть, она эфемерна, но зато позволяет делать строгие и точные предсказания. Нужно просто не обращать внимания на ее туманные аспекты, научиться решать уравнения – и вы сможете вычислять будущее с замечательной (хотя и не исчерпывающей) точностью.
Уравнения квантовой физики, такие как уравнение Шрёдингера, позволяют вычислить, как изменится волновая функция, скажем, электрона, если вы приложите к нему ту или иную силу. Но волновая функция не электрон. Это амплитуда, это дух электрона, его призрак, его душа. Мы никаким образом не в состоянии зарегистрировать или измерить волновую функцию. Можем только рассчитать или «пощупать» ее в какой‑ то точке. Но когда начинаем щупать, пытаемся измерить, тут же изменяем эту волновую функцию навсегда, сразу же, необратимо и мгновенно.
Частолны и волницы [187]
Представьте, что мы поставили измерительное устройство перед волновой функцией электрона – к примеру, это может быть проводник электрического тока. Если волновая функция электрона пространственно распределена, в контакт с проводником войдет лишь ее часть. Это означает, что вероятность регистрации электрона будет невелика. Исходя из волновой функции и размеров проводника, можно рассчитать вероятность, с которой электрон попадет в этот проводник и будет измерен.
|
|
|
При движении электрона его волновая функция ведет себя как волна – отсюда и ее название. Волну одного электрона можно послать по двум различным не совпадающим путям одновременно, точно так же, как одна‑ единственная звуковая волна может прийти в оба ваши уха. Но когда электрон все же регистрируется, он выглядит как вспышка, внезапное столкновение, квант. Во многих отношениях он ведет себя при этом как частица.
Так что же такое электрон – частица или волна? Правильный ответ: ни то, ни другое. Мы можем разобраться в электроне и понять его, только если используем новый конструкт – то, что можно было бы назвать частичной волной, или волновой частицей, или еще как‑ нибудь. Несколько раз я устраивал среди своих студентов голосование о том, как следовало бы назвать этот конструкт: частолной или волницей? Ни один термин не выиграл голосования. Это не волна и не частица; объект обладает некоторыми свойствами того и другого, но получившаяся смесь выглядит очень странно. Движется в пространстве как волна; реагирует на измерение как частица. Это волна, способная переносить массу и электрический заряд. Она может рассеиваться, отражаться и гасить сама себя (интерферировать), как шумоподавляющие наушники гасят звуковые волны. Но если вы зарегистрировали этот объект, наблюдаете внезапное, резкое событие. Обнаруженный электрон продолжает существовать, но его волновая функция необратимо меняется. Если зарегистрируете его с помощью маленького прибора, большая до этого момента волновая функция мгновенно станет маленькой.
|
|
|
