Ткань космоса. Пространство, время и текстура реальности - Брайан Грин

44

Предсказания квантовой механики потрясающе точно согласуются с экспериментальными наблюдениями. С этим согласны все. Тем не менее, поскольку понятия квантовой механики весьма непривычны для нашего повседневного опыта, и отчасти из-за этого имеются различные математические формулировки теории (и различные представления о том, как теория преодолевает разрыв между явлениями микромира и измеряемыми в макромире величинами), то нет согласия в том, как интерпретировать различные особенности теории (и загадочные результаты экспериментов, которые теория тем не менее может объяснить математически), включая вопросы нелокальности. В данной главе я принял ту точку зрения, которую посчитал самой убедительной, основываясь на современных теоретических представлениях и экспериментальных результатах. Но я подчёркиваю, что не все соглашаются с этой точкой зрения, и в дальнейшем, разъяснив свои взгляды, я коротко отмечу некоторые другие точки зрения и укажу, где можно подробнее прочесть о них. Я также хочу особо подчеркнуть, что упомянутые эксперименты противоречат вере Эйнштейна в то, что их результаты могут быть объяснены исключительно на основе представления о том, что частицы всегда имеют определённые, хотя и скрытые, характеристики, не привлекая при этом идею нелокальной связи. Однако несостоятельность этой веры приводит к отказу только от представления о локальной Вселенной; при этом не отбрасывается возможность того, что частицы имеют определённые скрытые характеристики.

45

Для математически подкованного читателя следует отметить один аспект, который может ввести в заблуждение. Для многочастичных систем волна вероятности (обычно называемая волновой функцией) имеет по сути ту же интерпретацию (как только что описанную), но определяется как функция на конфигурационном пространстве всех частиц (для одной частицы конфигурационное пространство изоморфно реальному пространству, но для системы N частиц оно имеет 3N измерений). Важно не забывать об этом, размышляя над тем, является ли волновая функция реальной физической сущностью или просто математическим приёмом, — ведь если занять первую позицию, то потребуется принять реальность и конфигурационного пространства — интересная вариация на темы глав 2 и 3. Поля в релятивистской квантовой теории поля можно определить в обычном четырёхмерном пространстве-времени, хотя имеются и не так широко используемые формулировки, в которых вводятся обобщённые волновые функции — так называемые волновые функционалы, определяемые на ещё более абстрактном пространстве, пространстве полей.

46

Я имею в виду эксперименты по фотоэлектрическому эффекту, в которых свет, направленный на кусок металла, выбивает электроны с его поверхности. Экспериментаторы обнаружили, что чем выше интенсивность света, тем больше испускается электронов. Более того, эксперименты показали, что энергия каждого испущенного электрона определяется цветом (т. е. частотой) света. Эйнштейн указал, что это легко понять, если представить себе луч света состоящим из частиц, и тогда бо́льшая интенсивность света означает большее количество частиц света (фотонов) в луче — а чем больше фотонов, тем с большим числом электронов они столкнутся и выбьют с поверхности металла. Далее, частота света определяет энергию каждого фотона и, значит, и энергию каждого испущенного электрона, что находится в точном соответствии с экспериментальными данными. Корпускулярные свойства фотонов были окончательно подтверждены в 1923 г. Артуром Комптоном в экспериментах по упругому рассеянию фотонов на электронах.

47

Institut International de Physique Solvay. Rapport et discussions du 5ème Conseil. Paris, 1928. P. 253ff.

48

Born I., trans. The Born-Einstein Letters. New York: Walker, 1971. P. 223.

49

Stapp H. Nuovo Cimento. 1977. № 40B. P. 191–204.

50

Дэвид Бом является одним из самых творческих умов, работавших в квантовой механике на протяжении XX в. Он родился в Пенсильвании в 1917 г. и был студентом Роберта Оппенгеймера в Беркли. Во время преподавания в Принстонском университете он был вызван в Комитет по расследованию антиамериканской деятельности, но отказался давать показания на слушаниях. Дэвид Бом был вынужден покинуть США и стал профессором университета Сан-Паоло в Бразилии, затем в Технионе в Израиле и, наконец, в Биркбек-колледже Лондонского университета. Дэвид Бом жил в Лондоне до своей смерти в 1992 г.

51

Конечно, если подождать достаточно долго, то воздействие, оказанное вами на одну частицу, может, в принципе, передаться другой: первая частица могла бы послать сигнал, оповещающий вторую, что она подверглась измерению, и этот сигнал мог бы повлиять на вторую частицу. Однако, поскольку ни один сигнал не может распространяться быстрее света, такого рода влияние не может быть мгновенным. Самое главное в нашем рассуждении состоит в том, что в тот самый момент, когда мы измеряем спин одной частицы относительно выбранной оси, мы сразу же узнаём спин другой частицы относительно этой же оси. Так что любой вид «стандартного» сообщения между частицами — посредством света или с ещё более низкой скоростью связи — не имеет отношения к делу.

52

В этом и следующем разделах я излагаю суть открытия Белла, используя «инсценировку», вдохновлённую превосходными статьями Дэвида Мермина «Quantum Mysteries for Anyone» (Journal of Philosophy. 1981. № 78. P. 397–408); «Can You Help Your Team Tonight by Watching on TV?» (in Philosophical Consequences of Quantum Theory: Reflections on Bell’s Theorem. J. T. Cushing and E. McMullin, eds. University of Notre Dame Press, 1989); «Spooky Action at a Distance: Mysteries of the Quantum Theory» (in The Great Ideas Today. Encyclopaedia Britannica Inc., 1988), которые все собраны в книге: Mermin N. D. Boojums All the Way Through. Cambridge, Eng.: Cambridge University Press, 1990. Интересующимся более формальным изложением идей с техническими деталями лучше всего начать с собственных статей Белла, многие из которых собраны в его книге: Bell J. S. Speakable and Unspeakable in Quantum Mechanics. Cambridge, Eng.: Cambridge University Press, 1997.

53

В то время как предположение о локальности является ключевым в аргументации Эйнштейна, Подольского и Розена, исследователи пытались найти ошибки и в других элементах их рассуждения, чтобы избежать вывода, что Вселенная допускает нелокальные свойства. Например, иногда утверждается, что всё, что требуют результаты экспериментов — это отказаться от так называемого реализма — представления, согласно которому объекты обладают своими характеристиками независимо от процесса измерения. Однако это ничего не решает. Если доводы ЭПР были бы подтверждены экспериментом, не было бы ничего удивительного в дальнодействующих корреляциях квантовой механики; они были бы не более удивительны, чем классические дальнодействующие корреляции — того же рода, что обнаружив левую перчатку здесь, вы можете с уверенностью утверждать, что её пара, находящаяся где-то там, будет обязательно правой. Но доводы ЭПР были опровергнуты результатами Белла/Аспекта. Однако если в ответ на опровержение ЭПР мы откажемся от реализма (как мы поступаем в стандартной квантовой механике), это никак не уменьшит ошеломляющую загадочность дальнодействующих корреляций между далеко разнесёнными друг от друга случайными процессами; когда мы отказываемся от реализма, перчатки, как в примечании {43}, становятся «квантовыми перчатками». Отказ от реализма никоим образом не делает наблюдаемые нелокальные корреляции хоть сколько-нибудь менее странными. Хотя, конечно, верно, что если в свете результатов ЭПР, Белла и Аспекта мы попытаемся сохранить реализм (например, как в теории Бома), то для согласования с имеющимися данными потребуется ещё более сильная нелокальность, включающая нелокальность взаимодействий, а не только нелокальность корреляций. Многие физики воздерживаются от такого выбора и, таким образом, отказываются от реализма.

54

Специальная теория относительности запрещает всему, что когда-либо двигалось медленнее скорости света, пересекать барьер скорости света. Но, строго говоря, специальная теория относительности не запрещает чему-то всегда двигаться со скоростью, превышающей скорость света. Гипотетические частицы такого сорта называются тахионами. Большинство физиков считают, что тахионы не существуют, но другим нравится тешить себя возможностью их существования. Однако, по большей части из-за странных свойств, которые эти частицы имели бы согласно уравнениям специальной теории относительности, никто не нашёл для них полезного применения — даже гипотетически. В настоящее время теории, в которых появляются тахионы, обычно выглядят страдающими от нестабильности.