 |
Скелет в квантовом шкафу. Эйнштейн повержен
|
|
|
|
Скелет в квантовом шкафу
Ничего не может быть неприятнее для физика, чем наша полная неспособность определить, что подразумевается под измерением. Мы усмехаемся, когда рассказываем студентам про кота Шрёдингера, но в глубине души понимаем, что эта история не повод для смеха. Когда мы не в состоянии честно ответить на вопросы студентов про кота, то уходим от ответа; мы всего лишь следуем совету Фейнмана и избегаем думать об этом, опасаясь сойти с ума.
Существуют целые книги, отдельные главы, конференции и эссе, посвященные теории измерений. Google дает на этот запрос 239 миллионов ссылок; Bing – 17, 8 миллиона. Эти результаты могут любого ввести в заблуждение и дать понять, что такая теория существует. Если порыться как следует, то обнаружится, что на самом деле в наличии только набор мыслей, многие из которых противоречат друг другу и ни одна из которых не привела до сих пор к удовлетворительному выводу.
Один из возможных вариантов гласит, что для достоверного измерения необходим человек – разумная, сознающая себя, мыслящая душа. Именно на эту идею нападал Шрёдингер, придумывая историю с котом. Вы можете всерьез поверить, что кот одновременно мертв и жив до тех пор, пока человек не заглянет в коробку? Мартин Рис[198] удачно спародировал замечательную идею о том, что никакое измерение нельзя считать свершившимся фактом, если в нем не задействован человек. Он сказал:
Вначале были только вероятности. Вселенная могла возникнуть только в том случае, если кто‑ то за ней наблюдал. Неважно, что наблюдатели объявились на несколько миллиардов лет позже. Вселенная существует только потому, что мы знаем о ее существовании.
|
|
|
Мне это высказывание Риса кажется карикатурой на эгоистичное представление человека о том, что всякое измерение требует его участия; это же представление высмеивал Эйнштейн, когда говорил, что Луны не существует, пока мы на нее не посмотрим, и его же пытался высмеять Шрёдингер своей кошачьей историей.
Роджер Пенроуз[199] предполагает, что Вселенная сама проводит измерения. В нормальных условиях мы их не замечаем, потому что они происходят не мгновенно; на это требуется некоторое время. Луне не нужен Эйнштейн, который бы на нее смотрел; она находится достаточно далеко, чтобы Вселенная каким‑ то образом сделала ее реальной прежде, чем Эйнштейн бросит на нее взгляд. Пенроуз называет это объективной редукцией[200], или объективным коллапсом. Он считает, что это происходит «всякий раз, когда существенно расходятся две геометрии пространства‑ времени и, следовательно, два варианта гравитационных эффектов». Мне кажется, Пенроуз на верном пути, но его теория нуждается в количественных оценках; она должна что‑ то предсказывать. Что‑ то ведь заставляет волновые функции коллапсировать задолго до того, как они доберутся до людей. Я не знаю, что именно вызывает этот эффект, и не знаю также, сколько времени на это потребуется. Пенроуз тоже не утверждает, что ему это известно; он всего лишь указывает направление. Мудрая мысль очень ценна, но к сложным физическим вопросам следует подходить, вооружившись экспериментами. Исследования запутанных переменных (о них в следующей главе) позволяют предположить, что этот волшебный временной интервал равен как минимум одной миллионной доле секунды, по крайней мере в лаборатории.
Еще одна попытка разобраться с загадкой измерений называется многомировой интерпретацией[201]. Об этом мы тоже поговорим в следующей главе.
До сих пор произошел лишь один великий экспериментальный прорыв – такой, что вносит в вопрос намного больше ясности, чем любая склока среди многочисленных теоретиков. Стюарт Фридман и Джон Клаузер опубликовали свое открытие в 1972 году. Их работа доказала, что Эйнштейн был неправ.
|
|
|
Глава 19
Эйнштейн повержен
Убеждение Эйнштейна, что квантовая физика ошибочна, опровергнуто с помощью ключевого эксперимента…
Все, что мы называем реальным, состоит из вещей, которые невозможно рассматривать как реальные.
Нильс Бор, отец‑ основатель квантовой физики
Есть многое в природе, друг Горацио,
Что и не снилось нашим мудрецам.
У. Шекспир, «Гамлет» [202]
Эйнштейн в свое время нашел верное слово: spooky [203]. Говорил он при этом о квантовой физике, в которой присутствовало кое‑ что, что сам он считал невозможным. Обычная квантовая физика, на первый взгляд, требовала, чтобы волновые функции изменялись со скоростью быстрее скорости света. А этого быть не могло. Оказалось, однако, что это все же верно. Эксперименты показывают, что такое на самом деле происходит, а если что‑ то происходит, то оно наверняка возможно.
Решающий эксперимент провели Стюарт Фридман и Джон Клаузер в Калифорнийском университете, Беркли. Помню, какое благоговение я испытывал по отношению к их невероятно сложному проекту. Эксперимент требовал величайшей тщательности, потому что любой полученный результат способен был разрушить целый класс разнообразных теорий и оскорбить множество теоретиков. Стюарт, с которым мы подружились достаточно близко, любил шутить, что ничего не открывал: он лишь доказал, что другие физики ошибаются. Ну, тогда достаточно сказать, что ученым, ошибочность утверждений которого он доказал, был Эйнштейн; я считаю это немалым достижением.
Одно из возражений Эйнштейна против квантовой физики заключалось в неприятном свойстве мгновенного коллапса волновой функции. Он называл такой коллапс и другие внезапные изменения жутким дальнодействием [204]. Измерение положения частицы могло, согласно копенгагенской интерпретации, сразу же, мгновенно повлиять на амплитуду частицы, находящейся от измеряющего на расстоянии в несколько световых лет. Ранее Эйнштейн в своей теории относительности показал, что сама концепция мгновенности и одновременности бессмысленна для разделенных объектов. Даже порядок, в котором происходят события, может зависеть от системы отсчета. Это означало, что если одно событие вызывает другое, то в другой СО событие‑ причина может происходить после события‑ результата (как в моем парадоксе с тахионным убийством). Эйнштейн исследовал эту проблему в эпохальной работе, написанной с соавторами – Борисом Подольским[205] и Натаном Розеном[206], и их анализ позже получил известность как парадокс Эйнштейна− Подольского− Розена, или ЭПР ‑ парадокс [207] (по заглавным буквам фамилий авторов).
|
|
|
Конечно, у этого парадокса было и простое решение, к которому, собственно, и склонялся сам Эйнштейн. Он предложил иную интерпретацию волновой функции. Это не физический объект, говорил он, представляющий реальность целиком, но всего лишь статистическая функция, отражающая недостаточность и недостоверность наших знаний. Эйнштейн считал, что электрон всегда занимает вполне реальное, но скрытое положение, и квантовая физика просто не знает, что это за положение. Никакие реальные волны не исчезают; никакой коллапс не нужен. В квантовой физике просто недостает некоторого скрытого параметра (к примеру, это может быть реальное положение частицы в пространстве). Добавить его – и физика вновь станет полной, и прошлое вновь полностью определяет будущее.
Аналогию такого подхода можно найти в наших представлениях о газах. Мы не знаем, где находится каждая молекула газа, но у нас есть теория, описывающая свойства частиц в среднем. Давление, которое мы измеряем, и температура – это всего лишь средние значения характеристик громадного числа молекул. Это статистическая теория. Уравнение состояния идеального газа [208] – закон, связывающий давление газа с его объемом и температурой, – представляет собой именно такое статистическое усреднение. Мгновенное давление, измеренное как сумма ударов большой группы молекул в стенку, может выглядеть и иначе, в чем можно убедиться с помощью броуновского движения. Так и в квантовой физике, считал Эйнштейн. Он был уверен, что подлинная теория – это скрытые параметры, а квантовая физика – всего лишь статистическая сумма.
|
|
|
Позже парадоксом ЭПР занялся Джон Белл[209]. Он доказал, что теории скрытых параметров не в состоянии воспроизвести все предсказания квантовой физики. Это означало, что и квантовая теория, и теория скрытых параметров были сфальсифицированы. Проведя соответствующий эксперимент, можно определить, какая из двух верна. Белл проанализировал ситуацию, когда две частицы испускаются в противоположных направлениях (такую схему предложил еще Дэвид Бом[210]), и объявил, что хороший экспериментатор мог бы определить, какой из подходов справедлив – копенгагенская интерпретация или теория скрытых параметров, – с помощью условия, которое сейчас называется неравенством Белла [211]. Работа Белла вдохновила Джона заняться поисками эксперимента, способного продемонстрировать толпе поклонников копенгагенской интерпретации, что теория скрытых параметров, то есть Эйнштейново объяснение квантового поведения, верна.
|
|
|
