Уолтер Айзексон - Эйнштейн. Его жизнь и его Вселенная

Часто оказывалось, что так называемые ошибки Эйнштейна (например, добавление космологической постоянной в уравнения гравитационного поля) возбуждали больший интерес, чем достижения других людей. То же можно сказать и о статьях, где он критиковал Бора и Гейзенберга. В статье ЭПР не удалось доказать, что квантовая теория ошибается. Но из нее стало ясно, что, как и утверждал Эйнштейн, квантовая механика несовместима с пониманием локальности на уровне нашего повседневного восприятия, с нашим отказом признать существование призрачного действия на расстоянии. Странно, что, по-видимому, Эйнштейн оказался прав в значительно большей степени, чем предполагал.

Прошли годы с тех пор, как в статье ЭПР он предложил свой мысленный эксперимент. А теперь физики-экспериментаторы все больше уделяют времени изучению таких странных квантовых понятий, как перепутывание и призрачное действие на расстоянии, когда наблюдение, произведенное над одной из частиц системы, может мгновенно повлиять на состояние другой частицы, находящейся очень далеко от нее. В 1951 году Давид Бом, блестящий ассистент-профессор из Принстона, переформулировал мысленный эксперимент ЭПР так, что теперь в нем принимали участие два противоположных “спина” частиц, которые после взаимодействия разлетались в разные стороны 27. В 1964 году Джон Стюарт Белл, инженер, работавший в ЦЕРНе – европейском центре ядерных исследований вблизи Женевы, написал статью, где предложил экспериментальный метод проверки выводов ЭПР и Бома 28.

Квантовая механика не удовлетворяла Белла. “Я не решался даже подумать, что она неправильна, – сказал он однажды, – но знал, что здесь что-то не так” 29. Это и восхищение Эйнштейном зародило в нем надежду, что, возможно, удастся доказать, что прав Эйнштейн, а не Бор. Но, когда в 1980 году французскому физику Алану Аспе удалось выполнить необходимые эксперименты, было получено свидетельство, указывающее на то, что квантовому миру локальность не свойственна. А свойственно ему “призрачное действие на расстоянии”, или, точнее, неявная перепутанность разнесенных частиц 30.

Несмотря на это, Белл по-прежнему высоко оценивал работу Эйнштейна. “Я чувствую, что в этом случае интеллектуальное превосходство Эйнштейна над Бором было невероятным, пропасть между человеком, который ясно видит, что необходимо, и тем, кто пытается нащупать истину в темноте, – говорил он. – Что касается меня, жаль, что предположение Эйнштейна не оправдалось. Именно разумные вещи обычно не срабатывают” 31.

Квантовое перепутывание, которое в 1935 году Эйнштейн рассматривал как способ “подрыва” квантовой механики, настолько противоречит интуиции, что теперь превратилось в одну из самых интригующих загадок физики. С каждым годом множится число свидетельств, подтверждающих это явление, и это подогревает интерес к нему. Например, в конце 2005 года The New York Times опубликовала обзорную статью Денниса Овербая “Квантовое жульничество: проверка самой странной теории Эйнштейна”. Там цитируется физик из Корнельского университета Натаниэль Дэвид Мермин, назвавший квантовое перепутывание “самым близким к магии из известных нам” 32явлений. А в 2006 году журнал New Scientist напечатал историю, озаглавленную “Чип демонстрирует “призрачное действие” Эйнштейна”. Она начинается так:

Простой полупроводниковый чип был использован для генерации пары перепутанных фотонов. Это шаг первостепенной важности для того, чтобы квантовый компьютер стал реальностью. Перепутывание, которое Эйнштейн шутливо окрестил “призрачное действие на расстоянии”, – это загадочное явление, при котором две квантовые частицы, например фотоны, ведут себя как одна вне зависимости от того, как далеко они находятся друг от друга 33.

Может ли это призрачное действие на расстоянии, при котором нечто происшедшее в данном месте с одной частицей мгновенно отражается на другой частице, находящейся на расстоянии миллиардов километров от нее, приводить к нарушению закона о конечности скорости света? Нет, по-видимому, теории относительности ничто не угрожает. Эти две частицы, как далеко они ни были бы разнесены, остаются частями одного физического объекта. Выполняя наблюдения над одной из них, мы оказываем влияние на ее свойства, и это коррелирует с тем, что можно было бы увидеть, наблюдая за второй частицей. Но никакая информация не передается, не посылается сигнал, поэтому и нет привычной причинно-следственной связи. Мысленные эксперименты позволяют показать, что квантовое перепутывание нельзя использовать для мгновенной передачи информации. “Короче, – говорит физик Брайан Грин, – специальная теория относительности устояла только чудом” 34.

За последние несколько десятилетий заметное число теоретиков, включая Мюррея Гелл-Манна и Джеймса Хартла, взяли на вооружение интерпретацию квантовой механики, несколько отличающуюся от копенгагенской. Эта интерпретация, основанная на представлении об альтернативных историях Вселенной, позволяет проще объяснить мысленный эксперимент ЭПР. В общих словах, под этим подразумевается, что в каждой из историй повторяются только отдельные элементы, а остальные игнорируются (или усредняются). Эти “некогерентные” (несогласованные) истории образуют напоминающую дерево структуру, где в данный момент времени каждая из альтернативных возможностей разветвляется на альтернативные варианты в следующий момент времени, и т. д.

В случае мысленного эксперимента ЭПР координата одной из частиц измеряется на одной из ветвей истории. Поскольку частицы происходят из общего источника, это значит, что и координата второй частицы тоже определена. На другой ветви истории можно измерить импульс одной из частиц, а значит, определить и импульс другой частицы. На каждой из ветвей не происходит ничего такого, что противоречило бы законам классической физики. Информация об одной из частиц несет в себе соответствующую информацию о другой частице. Но при измерении, произведенном над первой частицей, со второй частицей ничего не происходит. Поэтому угрозы специальной теории относительности нет, как и следующему из нее запрету на мгновенную передачу информации. Особенность квантовой механики в том, что невозможно определить одновременно и координату, и импульс частицы, поэтому, если измеряются две эти величины, это должно происходить на различных ветвях истории 35.

Великий спор Эйнштейн с Бором и Гейзенбергом о квантовой механике был не просто о том, подбрасывает ли Бог кости или оставляет кота наполовину живым. Он даже не был только о причинности, локальности или даже полноте. Это был спор о реальности 36. Существует ли она? Точнее, имеет ли смысл говорить о физической реальности, существующей независимо от того, можем ли мы как-либо наблюдать ее? “В основе проблемы, – говорил Эйнштейн о квантовой механике, – вопрос не столько причинности, сколько реалистичности” 37.