Олег Арсенов - Никола Тесла [Человек, опередивший время]

«Не есть ли господство случая в микромире тоже только обманчивое зрелище, подобное тому, какое открылось под микроскопом шотландскому ботанику ровно за сто лет до открытия принципа относительности? Не лежит ли в недрах микромира под квантово-механическим уровнем движения элементарных частиц более глубокий и более тонкий уровень бытия материи? И не происходят ли там, в этой еще не изведанной глубине, однозначно причинные события, которые и определяют собой вероятностные законы микромира? Ах, если бы удалось хотя бы с помощью самых общих предположений спуститься до этого субквантово-механического уровня! Тогда, по мысли де Бройля и Давида Бома, физики снова увидели бы, как механизм случая, механизм статистических закономерностей заводится старой испытанной классической причинностью. (Совсем как в броуновском движении.)

Неужели никакого субквантово-механического уровня бытия материи не существует? Нет, он, несомненно, существует. Он не может не существовать, хотя пока в распоряжении экспериментаторов нет никаких лабораторных сведений о нем. Он не может не существовать по одному тому, что в мире элементарных частиц уже прощупываются явления, перед которыми становится в тупик квантовая физика. Уже возникла нужда в более общей и более глубокой теории, которая объяснила бы, почему существуют именно такие элементарные частицы материи, с которыми мы сегодня имеем дело, а не другие. Эта новая рождающаяся в наши дни элементарная механика обнимет механику квантовую, как свой случай. Процесс познания не имеет конца. Кто же усомнится в этом?»

Одна из главных загадок квантовой науки — физический смысл пси-функции, это так называемая волновая функция, которая описывает «размазанную в пространстве вероятность» локализации или, проще говоря, точного нахождения микрочастицы, например того же электрона. А главный загадочный вопрос здесь звучит очень даже странно: «Где же находится электрон, когда никто его не ищет или даже просто не думает о его местоположении?» Вот с ответа на этот вопрос и началась историческая полемика Эйнштейна и Бора. Эйнштейн считал, что электрон, как и любая нормальная микрочастица, в любой момент времени имеет свою точку пространства. А вот указать ее, действительно, точно нельзя в силу неполноты квантовой теории, предсказывающей все только вероятностно. Позиция Бора была принципиально иной. Он считал, что пока мы не интересуемся дислокацией микрочастицы, она в буквальном смысле растворена в координатном пространстве. И скажем, вероятностная лужица того же электрона намного превышает его эффективный диаметр.

Получается, что квантовые объекты ведут себя как самые настоящие микроскопические призраки, расплываясь в пространстве полупрозрачным ореолом, пока кто-либо не произнесет магического слова, подставив конкретные данные в пси-функцию! То есть только тогда мы сможем предсказать определенную траекторию в конкретной точке. Проверить это очень просто, надо только подставить мишень, и в момент попадания частица тут же локализуется, оставив точку, скажем, на фотопластинке. Этот опыт физики проводили уже множество раз, и формулы квантовой механики их ни разу не подвели. В каждом учебнике по квантовой механике подобное поведение микрообъектов разбирается на примере уже хрестоматийного двухщелевого эксперимента. Суть его проста: поскольку каждая частица имеет еще и волновую природу, то поток таких частиц, направленный на диафрагму с двумя щелями, напоминает череду волн, набегающих на плотину с двумя каналами, расположенными неподалеку друг от друга. От плотины через протоки разбегаются новые волны двумя перекрывающимися конусами. В тех местах, где колебания волн складываются, они накатываются на берег с удвоенной силой, а там, где впадина и горб волны гасят друг друга, поверхность спокойна. Подобный эксперимент со световыми волнами нарисует на берегу-экране картину сложения волн в виде чередующихся темных и светлых полос.

С какими только частицами не проводили подобные эксперименты физики! И результат всегда был один и тот же.

Пока все, в принципе, понятно. Но давайте предельно упростим наш опыт и выстрелим по мишени-диафрагме одной микрочастицей. Это уже довольно тонкий эксперимент, но вполне выполнимый. И здесь мы опять увидим интерференционную картину. Получается, что один электрон пролетал одновременно через два отверстия и наложился сам на себя.

Схема двухщелевого эксперимента: А — источник микрочастиц; Н1 и Н2 — отверстия (щели); ВС — экран; X, Y — точки наложения волн.

Ну а теперь давайте поставим возле одной из щелей некий детектор, который будет определять, через какую щель на самом деле проходит микрочастица. Включаем детектор — и он однозначно показывает, что частица проходит только через одну щель. Но самое интересное — интерференционная картина отсутствует! Разумеется, первые подозрения касаются самого детектора, который самим фактом «узнавания» воздействует на микрочастицу. Да, смысл в подобном замечании, конечно, есть, однако даже если разместить всего один детектор на одной из щелей и частица не будет искажаться на второй щели, интерференционная картина все равно пропадает! Откуда же электрон предугадал, что его продетектируют на второй щели? В учебниках по квантовой физике это объясняется так: та компонента (часть) волновой функции, которая подверглась детекции, изменила поведение микрообъекта, превратив его из волны в частицу, пролетевшую через вторую щель. Поведение любой квантовой частицы описывается формулой как сумма возможных состояний. Упрощенно это можно записать так:

Состояние частицы {F} = правая функция состояния в щели {H1} + левая функция состояния в щели {Н2},

— то есть полностью поведение микрочастицы определяется как сумма всех его возможных состояний, входящих в знаменитую пси-функцию. При измерении, то есть при воздействии на микрообъект, а именно на одно из формальных слагаемых волновой функции, частица тут же локализуется в пространстве. Получается, что, детектируя частицу в ее волновой форме, мы можем измерять любую ее часть, пролетающую через одну из щелей! «Истинно колдовское исчисление!» — воскликнул в свое время великий Эйнштейн.

Вообще говоря, локализацию микрочастиц физики называют редукцией волновой функции. Со всем этим и связан ЭПР-парадокс. При этом ход рассуждения группы Эйнштейна был следующий: пусть одновременное измерение у природных квантовых систем импульса и координаты в принципе невозможно по законам квантового мира. Тогда давайте попробуем создать особую искусственную квантовую систему! Для этого возьмем две микрочастицы и особой процедурой запутаем их состояния, так что их свойства окажутся взаимосвязаны. Разлетаясь, такие частицы поделят импульс в некоторой пропорции. Теперь проведем измерение координат у одной и импульса у другой частицы. Так мы легко получим координату первой частицы прямым измерением и ее импульс по импульсу второй частицы из закона сохранения импульса.