Фритьоф Капра - Дао физики

Сам Эйнштейн долго не мог признать существование нелокальных связей и вытекающее из этого факта фундаментальное значение вероятности. Именно этой проблеме был посвящен его исторический спор с Бором в двадцатые годы, во время которого Эйнштейн выразил свое несогласие с тем, как Бор интерпретирует квантовую теорию при помощи знаменитого афоризма: «Бог не играет в кости» [68]. В результате спора Эйнштейну пришлось признать, что квантовая теория в трактовке Бора и Гейзенберга представляет собой последовательную систему научных взглядов, однако его не покидала мысль о том, что рано или поздно науке удастся найти детерминистское описание всех доселе необъяснимых явлений в терминах локальных скрытых переменных.

Согласиться с Бором Эйнштейну мешала его непоколебимая вера в некую внешнюю реальность, состоящую из независимых, пространственно удаленных друг от друга элементов. Пытаясь доказать непоследовательность интерпретации Бора, Эйнштейн поставил «мысленный» эксперимент, который получил известность под названием эксперимента Эйнштейна-Подольского-Розена (ЭПР) [5, 614]. Три десятилетия спустя Джон Белл построил теорему, опирающуюся на этот эксперимент, которая доказывает, что существование локальных скрытых переменных плохо согласуется со статистическими формулировками квантовой теории [70]. Теорема Белла нанесла сокрушительное поражение позиции Эйнштейна, доказав, что понимание действительности как сложной структуры, состоящей из отдельных частей, соединенных при помощи локальных связей, несовместимо с идеями квантовой теории.

За последние годы эксперимент ЭПР неоднократно становился предметом дискуссий и анализа специалистов в связи с проблемами интерпретации квантовой теории, поскольку он является превосходным примером для демонстрации отличия между понятиями классической и квантовой физики. Для наших целей достаточно ограничиться рассмотрением упрощенной версии этого эксперимента, в которой принимают участие два вращающихся электрона и которая была разработана в ходе исчерпывающего анализа, данного этому эксперименту Дэвидом Бомом. Для того, чтобы уловить основной смысл ситуации, необходимо познакомиться с некоторыми свойствами электронного спина, или вращения электрона. Классическая метафора вращающегося теннисного мяча не вполне подходит для описания вращающейся субатомной частицы. В определенном смысле, спин частицы представляет собой ее вращение вокруг собственной оси, однако, как это всегда бывает в субатомной физике, это классическое понятие имеет ограниченную область применения. В случае с электроном, множество значений спина состоит из двух вариантов: количество вращения остается всегда постоянным, однако относительно оси вращения электрон может вращаться в двух направлениях — или по, или против часовой стрелки. Физики обычно обозначают эти два значения при помощи слов «верх» и «вниз».

Основное свойство вращения электрона, которое нельзя объяснить при помощи классических терминов, — это невозможность точного определения направления его оси. Электроны обладают тенденцией существовать в различных точках внутри атома, и точно таким же образом для них характерны тенденции вращаться вокруг той или иной оси. Тем не менее, стоит нам выбрать некую ось и произвести измерения, как мы обнаружим, что электрон вращается именно вокруг этой оси в одном из двух направлений. Другими словами, частица приобретает определенную ось вращения в момент измерения, однако до этого момента об оси вращения ничего определенного сказать нельзя: электрон имеет только некоторую тенденцию, или потенцию, вращаться вокруг этой оси.

Придя к такому пониманию спина электрона, мы можем приступить к рассмотрению эксперимента ЭПР и теоремы Белла. В эксперименте участвуют два электрона, вращающиеся в противоположных направлениях, так, что их суммарный спин равен нулю. Существует несколько экспериментальных методик, которые позволяют привести два электрона в такое состояние, при котором направления осей вращения неизвестны, но общий спин двух частиц точно равен нулю. Теперь предположим, что какие-то процессы, не оказывающие воздействия на спин частиц, вызывают их удаление друг от друга. При этом суммарное значение спина остается равным нулю, и, когда расстояние между ними становится достаточно большим, исследователи поочередно измеряют спин каждой из двух частиц. Важная деталь эксперимента — то, что расстояние между ними может быть сколько угодно большим: одна частица может находиться в Нью-Йорке, другая в Париже; одна — на Земле, а другая— на Луне.

Предположим теперь, что после измерения спина частицы вокруг вертикальной оси мы обнаружили, что она имеет «верхний» спин. Поскольку суммарный спин обеих частиц равен нулю, из этого следует, что спин второй частицы должен быть «нижним». Таким образом, посредством измерения спина частицы 1 мы одновременно косвенно измеряем спин частицы 2, не оказывая на нее совершенно никакого воздействия. Парадоксальность эксперимента ЭПР заключается в том, что исследователь волен выбирать для измерения любую ось. Квантовая теория утверждает, что спины частиц будут иметь противоположные значения по отношению к каждой оси вращения, однако до момента измерения они существуют только в качестве тенденций или воэможностей. Стоит наблюдателю выбрать определенную ось и произвести измерения, как обе частицы получают определенную общую ось вращения. Особенно важен тот факт, что мы можем выбрать ось измерения в последний момент, когда между электронами будет уже довольно большое расстояние. В тот момент, когда ны производим измерение характеристик частицы 1, частица 2, которая, возможно, находится на удалении в несколько тысяч миль, тоже приобретает определенное значение спина по отношению к выбранной оси измерения. Как частица 2 «узнает» о том, какую ось мы выбрали? Это происходит настолько быстро, что она не может получить эту информацию при помощи какоголибо условного сигнала.

В этом заключается основная проблема интерпретации эксперимента ЭПР, и именно в этом вопросе Эйнштейн не мог согласиться с Бором. По мнению Эйнштейна, поскольку никакой сигнал не способен перемешаться в пространстве быстрее скорости света, измерение, произведенное по отношению к одному из электронов, не может в то же мгновение сообщить определенное направление вращению второго электрона, находящегося в тысячах миль от первой частицы. По мнению Бора, система из двух электронов представляет собой неделимое целое, хотя частицы и разделены большим расстоянием, и мы не можем рассматривать эту систему в терминах составных частей. Хотя электроны находятся довольно далеко друг от друга, они, тем не менее, соединены мгновенными, нелокальными связями. Эти связи не являются сигналами в понимании Эйнштейна, они не соответствуют нашим условным представлениям о передаче информации. Теорема Белла подтверждает справедливость концепции Бора в отношении несовместимости взглядов Эйнштейна на физическую действительность как на сложную структуру, состоящую из самостоятельных элементов, разделенных пространством, с законами квантовой теории. Другими словами, теорема Белла проливает свет на фундаментальную взаимосвязь и нераздельную слитность Вселенной. Как говорил за две тысячи лет до Белла индийский буддист Нагарджуна (см. главу 10), «Вещи черпают свое существование и природу во взаимозависимости, и не являются ничем сами по себе.»