Брайан Грин. Ткань космоса: Пространство, время и структура реальности - Брайан Грин

4. Чтобы избежать путаницы, позвольте мне еще раз подчеркнуть вывод, что когда я говорю "Вселенная не является локальной" или "нечто, что мы делаем здесь, может переплетаться с чем-то там", я не имею в виду возможность оказать мгновенное намеренное влияние на что-то удаленное. Вместо этого, как будет ясно, эффект, на который я ссылаюсь, проявляется как корреляции между событиями, – обычно в форме корреляций между результатами измерений, – имеющими место в удаленных местах (местах, для которых не может быть достаточно времени, чтобы даже свет успел пропутешествовать от одного к другому). Таким образом, я ссылаюсь на то, что физики называют нелокальными корреляциями. На первый взгляд, такие корреляции не могут поразить вас как особенно удивительные. Если кто-то посылает вам ящик, содержащий одну из пары перчаток, и посылает вторую из той же пары вашему другу за тысячи миль от вас, будет иметься корреляция между соответствием перчаток рукам, которое каждый из вас увидит, открыв ваш соответствующий ящик: если вы видите левую, ваш друг увидит правую; если вы видите правую, ваш друг увидит левую. И понятно, в этих корреляциях совсем нет ничего удивительного. Но, как мы постепенно будем описывать, корреляции, видимые в квантовом мире, кажутся имеющими существенно иной характер. Это как если бы вы имели пару "квантовых перчаток", в которых каждая перчатка может быть или левой или правой и фиксирует определенное соответствие той или иной руке только когда над ней проведено подходящее наблюдение или измерение. Таинственность возникает потому, что хотя каждая перчатка кажется при наблюдении выбирающей свое соответствие руке хаотически, перчатки работают в тандеме, даже если они далеко разнесены: если одна выбирается левой, другая выберется правой и наоборот.

5. Квантовая механика делает предсказания о микромире, которые фантастически хорошо согласуются с экспериментальными наблюдениями. На этот счет имеется универсальное согласие. Тем не менее, поскольку детальные свойства квантовой механики, как обсуждается в этой главе, существенно отличаются от особенностей повседневного опыта, и, соответственно, поскольку имеются различные математические формулировки теории (и различные формулировки того, как теория преодолевает зазор между микромиром явлений и макромиром измеряемых результатов), нет консенсуса насчет того, как интерпретировать различные особенности теории (и различные загадочные данные, которые теория, тем не менее, в состоянии объяснить математически), включая проблему нелокальности. В этой главе я выбрал отдельную точку зрения, которую я нахожу самой убедительной, основываясь на современных теоретических представлениях и экспериментальных результатах. Но я делаю акцент здесь, что не всякий согласится с этим взглядом, и в последующем комментарии после более полного объяснения этой точки зрения я коротко отмечу некоторые из других точек зрения и обозначу, где вы можете почитать о них более подробно. Позвольте мне также обратить внимание, как мы будем обсуждать дальше, что эксперименты противоречат вере Эйнштейна, что данные могут быть объяснены исключительно на основе частиц, всегда имеющих определенные, хотя и скрытые, свойства без какого-либо использования или упоминания нелокального запутывания. Однако, неудача этой точки зрения только отвергает локальную вселенную. Она не отбрасывает возможности, что частицы имеют такие определенные скрытые свойства.

6. Для склонного к математике читателя позвольте мне отметить один потенциально вводящий в заблуждение аспект этого описания. Для многочастичных систем вероятностная волна (волновая функция в стандартной терминологии), по существу, имеет ту же интерпретацию, которая только что была описана, но определяется как функция на конфигурационном пространстве частиц (для отдельной частицы конфигурационное пространство изоморфно реальному пространству, но для системы N частиц оно имеет 3N измерений). Это важно иметь в виду, когда мы обдумываем вопрос, является ли волновая функция реальной физической сущностью или просто математическим приемом, поскольку если она занимает первую позицию, необходимо будет принять реальность конфигурационного пространства тоже – интересная вариация тем Глав 2 и 3. Поля в релятивистской квантовой теории поля могут быть определены в обычных четырех пространственно-временных измерениях повседневного опыта, но там тоже имеется некоторая менее широко используемая формулировка, которая требует обобщенные волновые функции – так называемые волновые функционалы, определяемые на еще более абстрактном пространстве, пространстве полей.

7. Эксперименты, на которые я тут ссылаюсь, это эксперименты по фотоэлектрическому эффекту, в которых свет падает на различные металлы, заставляя электроны вылетать из поверхности металла. Экспериментаторы нашли, что чем больше интенсивность света, тем большее количество электронов эмитируется. Более того, эксперименты обнаружили, что энергия каждого испущенного электрона определяется цветом – частотой – света. Это, как доказал Эйнштейн, легко понять, если луч света составлен из частиц, поскольку большая интенсивность света переводится в большее количество частиц света (фотонов) в луче – а чем больше имеется фотонов, тем с большим числом электронов они столкнутся, а потому большее число электронов вылетит из поверхности металла. Более того, частота света определяет энергию каждого фотона, а потому и энергию каждого испущенного электрона, что точно подтверждается данными опыта. Корпускулярные свойства фотонов, наконец, были подтверждены Артуром Комптоном в 1923 в экспериментах, включающих упругое рассеяние фотонов и электронов.

8. Institut International de Physique Solvay, Rapport et discussions du 5-e Conseil (Paris, 1928), pp. 253ff.

9. Irene Born, trans., The Born-Einstein Letters (New York: Walker, 1971), p. 223.

10. Henry Stapp, Nuovo Cimento 40B (1977), 191-204.

11. Дэвид Бом находится среди самых творческих умов, которые работали в квантовой механике на протяжении двадцатого века. Он родился в Пенсильвании в 1917 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 слушании дела. Вместо этого, он покинул США, стал профессором Университета Сан-Паоло в Бразилии, затем в Технионе в Израиле и, наконец, в Колледже Беркбека в Университете Лондона. Он жил в Лондоне до своей смерти в 1992.

12. Определенно, если вы достаточно долго ждете, то, что вы делаете с одной частицей, может, в принципе, повлиять на другую: одна частица может послать сигнал, предупреждающий другую, что первая подверглась измерению, и этот сигнал может повлиять на принимающую частицу. Однако, поскольку ни один сигнал не может двигаться быстрее скорости света, этот вид влияния не является мгновенным. Ключевой момент в настоящей дискуссии тот, что в тот самый момент, когда мы измеряем спин одной частицы относительно выбранной оси, мы узнаем спин другой частицы относительно этой оси. Так что любой вид "стандартного" обмена информацией между частицами – световой или досветовой обмен – не имеет значения.

13. В этой и следующей секции выжимка из открытия Белла, которую я использую, является "инсценировкой", инспирированной превосходными статьями Дэвида Мермина "Quantum Mysteries for Anyone," Journal of Philosophy 78, (1981), pp. 397-408; "Can You Help Your Team Tonight by Watching on TV?," in Philosophical Consequences of Quantum Theory: Reflections on Bell's Theorem, James T. Cushing and Ernan 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 N. David Mermin, Boojums All the Way Through (Cambridge, Eng.; Cambridge University Press, 1990). Для любого, кто интересуется рассмотрением этих идей в более формальном варианте, нет лучшего способа, чем начать с собственных статей Белла, многие из которых собраны в книге J. S. Bell, Speakable and Unspeakable in Quantum Mechanics (Cambridge, Eng.: Cambridge University Press, 1997).

14. В то время как предположение локальности является ключевым для аргументов Эйнштейна, Подольского и Розена, исследователи пытались найти ошибки в других элементах их рассуждения в попытке избежать заключения, что вселенная допускает нелокальные свойства. Например, иногда утверждают, что все, что требуют данные, это что мы отказываемся от так называемого реализма – идеи, что все объекты обладают свойствами, которые измеряются, независимо от процесса измерения. В этом контексте, однако, такое утверждение попадает пальцем в небо. Если рассуждения 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, такие как то, что нахождение вашей левой перчатки здесь подразумевает, что ее пара там будет правой перчаткой. Но такие рассуждения были опровергнуты результатами Белла/Аспекта. Теперь, если в ответ на опровержение ЭПР мы отвергнем реализм, – как мы это делаем в стандартной квантовой механике, – это никак не уменьшит ошеломительную загадочность дальнодействующих корреляций между далеко разнесенными друг от друга случайными процессами; когда мы отказываемся от реализма, перчатки, как в комментарии 4, становятся "квантовыми перчатками". Отказ от реализма любым способом не делает наблюдаемые нелокальные корреляции хоть сколь-нибудь менее эксцентричными. Верно то, что если в свете результатов ЭПР, Белла и Аспекта мы попытаемся сохранить реализм, – например, как в теории Бома, обсуждающейся позже в главе, – разновидность нелокальности, которую нам потребуется согласовать с данными опыта, окажется более сильной, включая нелокальность взаимодействий, а не только нелокальность корреляций. Многие физики воздерживаются от такого выбора и, таким образом, отказываются от реализма.