Барри Паркер - Мечта Эйнштейна. В поисках единой теории строения

Эйнштейн внёс важный вклад в квантовую теорию на раннем этапе её развития, но не мог согласиться с тем, что за ней останется последнее слово. Ему казалось, что она в лучшем случае представляет собой лишь приближение, и рано или поздно квантовую теорию, сменившую непригодную для описания микромира классическую, заменит более глубокая теория. Дело не в том, что квантовая теория не позволяла получить точные значения – этот аспект у него возражений не вызывал. Беспокоили Эйнштейна философские выводы – то, что она говорила нам о физическом мире. Выходило, что ничего нельзя вычислить точно, можно только определить вероятности, т.е. квантовая теория – статистическая. При её помощи можно предсказать, что в среднем произойдёт с пучком частиц, но не с каждой отдельной частицей пучка. Эйнштейн был уверен, что более глубокая теория позволит определять и судьбу отдельных частиц.

Нильс Бор – главный сторонник квантовой теории, несмотря на дружбу с Эйнштейном, никогда не разделял этого мнения. Более того, их взгляды на квантовую теорию были диаметрально противоположны, а спор о её философских следствиях растянулся на долгие годы. Не совсем ясную позицию Бора понять было нелегко (теперь её называют копенгагенской интерпретацией). В её основе лежат сформулированный немецким физиком Вернером Гейзенбергом принцип неопределённости, из которого следует, что на атомном уровне имеется некоторая «размытость»» и предложенный Бором принцип дополнительности, поясняющий, как следует рассматривать элементарные частицы. Например, электрон ведёт себя то как частица, то как волна. Принцип дополнительности гласит, что эти аспекты дополняют друг друга, т.е. могут существовать только по отдельности.

Один из вопросов, который следует из копенгагенской интерпретации, звучит так: «Что мы понимаем под реальностью?». Квантовая механика даёт ответ, в котором как будто мало толку – по крайней мере, с точки зрения того, что мы называем здравым смыслом. Большинство из нас считает, что объективный мир существует вне нас, т.е. вне зависимости от того, регистрируем ли мы происходящие в нём события. В копенгагенской же интерпретации этот вопрос трактуется иначе; всё в окружающем физическом мире зависит от способа измерения; этот мир не существует до выполнения измерения. Например, электрон может быть волной или частицей в зависимости от способа измерения. Более того, положение и импульс частицы (произведение её массы на скорость) зависят от того, как мы их измеряем.

Рассмотрим последнее утверждение подробней, Оно следует из принципа неопределённости, в соответствии с которым нельзя одновременно измерить импульс и координату частицы. При измерении импульса нарушается положение частицы – она находится уже не там, где раньше. Но тогда возникает вопрос, существуют ли в действительности положение и импульс? Потенциально – да, но каждый из них обретает реальность только после измерения, а так как в каждый момент можно измерить только один из этих параметров, приходится говорить, что другой не существует. Иными словами, вне нас нет объективной реальности – она появляется только тогда, когда мы выполняем измерения.

Изображения от электронов, проходящих через одну щель (слева) и через две щели (справа). Высота кривой соответствует интенсивности излучения, попадающего на экран

Можно взглянуть на это и с другой стороны, если вспомнить о принципе дополнительности. Эксперимент, который позволяет понять некоторые его следствия, известен как опыт с двумя щелями. Предположим, что на экран, расположенный позади щели, направлен пучок электронов. Когда щель одна, большинство электронов проходит в неё в виде частиц; несколько из них, возможно, отклонится у краев щели, но мы ими пренебрежём. Получаемая на экране картина показана на левом рисунке. Теперь предположим, что рядом с первой щелью на некотором расстоянии от неё установлена вторая и электроны падают сразу на обе. В этом случае, как ни странно, картина получается совершенно иной (см. правый рисунок).

Продолжим наш опыт. Теперь уменьшим интенсивность пучка настолько, чтобы электроны вылетали из источника по одному, тогда, вроде бы, должно быть известно наверняка, через какую щель – A или B – прошёл каждый электрон. Однако на практике оказывается, что никакой разницы нет; если проводить опыт достаточно долго, результат будет таким же, как и в эксперименте с двумя щелями. Как же так? Ведь чтобы получилась такая картина, электрону в момент прохождения одной щели должно быть известно, открыта другая или закрыта! Если она открыта, электрон попадёт в одну точку экрана, если закрыта – в другую. Но откуда он знает, открыта или закрыта другая щель? Чтобы ответить на этот вопрос, приходится предположить, что электрон – это волна, которая размазывается перед тем, как попасть в установку, и проверяет, в каком состоянии находится вторая щель, т.е., по сути, один и тот же электрон проходит через обе щели. Но поскольку электрон – это и частица, физически представляется, что он может проходить либо через одну, либо через другую щель.

Попробуем перехитрить электрон. Предположим, что у щелей установлено такое устройство, которое позволяет определить, через какую из них электрон проходит на самом деле. Но здесь в игру вступает принцип неопределённости – проводя измерения, мы вмешиваемся в процесс и влияем на его результат. Пытаясь определить, проходит ли электрон через щель A , мы воздействуем на него, и он проходит через щель B .

Непривычность этого и ему подобных опытов отталкивала Эйнштейна. Он резко выступал против квантовой механики, за что подвергался суровой критике. Но аргументы Эйнштейна основывались на глубоком знании теории и отнюдь не были пустыми придирками. Он очень интересовался этой теорией и, как говорят, постоянно носил с собой книгу Дирака «Принципы квантовой механики». Эйнштейн прилагал массу усилий, чтобы выявить недостатки этой теории. Однажды он сказал: «Вы даже не представляете, с каким упорством я пытался найти удовлетворительный математический подход к квантовой теории, но пока безуспешно».

Усилия Эйнштейна не пропали даром. В 1935 году он указал на один из возможных недостатков теории, и к его идеям до сих пор относятся со всей серьёзностью. Вместе с Борисом Подольским и Натаном Розеном он опубликовал статью «Можно ли считать квантовомеханическое описание физической реальности полным?».

Рассмотрим упрощённый вариант приводимых в статье рассуждений. Предположим, что имеется система из двух частиц, вращающихся в противоположных направлениях. Будем считать, что спин (параметр, характеризующий вращение) одной из частиц направлен вверх, а другой – вниз. Пусть теперь эти частицы каким-то образом разделяются, например разлетаются в противоположных направлениях. Предположим далее, что одна из них улетает в окно, а другая попадает в лабораторную установку, где определяется её спин. Допустим, что спин второй частицы направлен вверх; отсюда следует, что спин первой направлен вниз. Таким образом, мы получаем информацию об одной из частиц, не проведя над ней измерения. Но это противоречит копенгагенской интерпретации, из которой следует, что до тех пор, пока не выполнено измерение, объект не существует – ни одна частица не существует без измерения.