Манжит Кумар - Квант. Эйнштейн, Бор и великий спор о природе реальности

Несмотря на конфликт поколений, всегда находились молодые люди, страстно желавшие работать с Эйнштейном. Один из них — двадцатипятилетний Натан Розен из Нью-Йорка, который в 1934 году покинул Массачусетский технологический институт, чтобы стать ассистентом Эйнштейна. За несколько месяцев до этого сотрудником Института перспективных исследований стал и родившийся в России тридцатидевятилетний Борис Подольский. Они встретились с Эйнштейном в 1931 году в Калифорнийском технологическом институте и сделали там совместную работу. Теперь у Эйнштейна созрела идея еще одной статьи. Она должна была стать новой вехой в его дебатах с Бором, началом новой атаки на копенгагенскую интерпретацию.

На Сольвеевских конгрессах 1927 и 1930 годов Эйнштейн пытался обойти принцип неопределенности. Он хотел показать, что квантовая механика не самосогласованна и, следовательно, не полна. Бор с помощью Гейзенберга и Паули отбил все атаки и защитил копенгагенскую интерпретацию. Впоследствии Эйнштейн согласился с тем, что квантовая механика логически самосогласованна, но не считал ее той законченной теорией, которой, по заявлению Бора, она являлась. Эйнштейну нужна была новая стратегия, чтобы показать неполноту квантовой механики и ее неспособность отобразить физическую реальность целиком. Для этого он разработал мысленный эксперимент, объяснить который удалось очень нескоро.

В начале 1935 года Эйнштейн, чтобы тщательно обсудить свою новую идею, несколько недель подряд встречался с Подольским и Розеном. На Подольского легла задача написания окончательного текста статьи, а Розен выполнил большинство расчетов. Как вспоминал позднее Розен, Эйнштейн “сформулировал общую постановку задачи и ее смысл” 9. Статья Эйнштейна — Подольского — Розена (ЭПР) “Можно ли считать, что квантово-механическое описание физической реальности является полным?” занимала всего четыре страницы. Она была отправлена в печать в конце марта и опубликована 15 мая в американском журнале “Физикал ревю” 10. Ответ ЭПР на поставленный вопрос был однозначным: “Нет”. Еще до того, как статья вышла, имя Эйнштейна обеспечило ей никому не нужную рекламу.

Четвертого мая 1935 года, в субботу, на одиннадцатой странице “Нью-Йорк тайме” появилась заметка с интригующим заголовком: “Эйнштейн нападает на квантовую теорию”. В статье говорилось: “Профессор Эйнштейн готовит атаку на важную научную теорию — квантовую механику, которой он приходится чем-то вроде дедушки. Он пришел к выводу, что, несмотря на то, что эта теория ‘правильна’, она не ‘полна’”. Тремя днями позднее газета напечатала заявление явно раздраженного Эйнштейна. Хотя и не новичок в общении с прессой, он писал, что “привык обсуждать научные проблемы только с соответствующим кругом лиц и резко осуждает появление любых предварительных заявлений, касающихся таких вопросов, в обычной печати” 11.

Свою статью Эйнштейн, Подольский и Розен начали с установления разграничения между физической реальностью как таковой и ее физическим осмыслением: “При анализе физической теории необходимо учитывать различие между объективной реальностью, которая не зависит ни от какой теории, и теми физическими понятиями, которыми эта теория оперирует. Эти понятия вводятся в качестве элементов, которые должны соответствовать объективной реальности, и с помощью этих понятий мы представляем себе эту реальность” 12. По утверждению ЭПР, оценивая успех любой физической теории, надо недвусмысленно ответить “да” на два вопроса: правильна ли теория? является ли даваемое теорией описание полным?

“Вопрос о правильности теории решается в зависимости от степени согласия между выводами теории и человеческим опытом,” — утверждается в статье ЭПР. С этим утверждением согласится любой физик, если “опыт” представляет собой эксперимент и измерения. На тот момент не было никаких противоречий между экспериментами, выполненными в лаборатории, и теоретическими предсказаниями квантовой механики. Значит, эта теория правильна. Но Эйнштейну было мало того, что теория правильна и согласуется с экспериментом. Она должна быть полной.

Чтобы точно определить смысл, вкладываемый в термин “полная”, ЭПР сформулировали необходимое условие полноты теории: “Каждый элемент физической реальности должен иметь отражение в физической теории” 13. Чтобы иметь возможность применять это условие в дальнейших рассуждениях, ЭПР пришлось определить, что собой представляет “элемент реальности”.

Эйнштейн не хотел увязнуть в зыбучих песках философии, поглотивших многих, пытавшихся определить, что такое реальность. В прошлом никому справиться с этим не удавалось. ЭПР мудро отказались от “исчерпывающего определения реальности”, считая его “ненужным” для своих целей. Они приняли представлявшийся “удовлетворительным” и “разумным” критерий, который позволил бы определить “элемент реальности”: “Если мы можем без какого бы то ни было возмущения системы предсказать с достоверностью (то есть с вероятностью, равной единице) значение некоторой физической величины, то существует элемент физической реальности, соответствующий этой физической величине” 14.

Эйнштейн хотел опровергнуть Бора, утверждавшего, что квантовая механика является полной, фундаментальной теорией природы. Он намеревался показать, что существуют объективные элементы реальности, которые эта теория отобразить не может. Эйнштейн сместил фокус спора с Бором и его последователями. Теперь он не оспаривал внутреннюю самосогласованность квантовой механики, а рассматривал природу реальности и роль теории.

ЭПР утверждали, что для полноты теории требуется взаимооднозначное соответствие между элементом теории и элементом реальности. Достаточным условием реальности физической величины, такой как импульс, является возможность предсказать ее с достоверностью без возмущения системы. Если существует элемент физической реальности, который теория учесть не может, то теория неполна. Ситуация сходна с положением человека, нашедшего книгу на библиотечной полке, но лишенного возможности записать ее в свой формуляр, потому что библиотекарь говорит, будто в каталоге библиотеки такой книги нет. Поскольку на книге есть все отметки, указывающие на то, что она принадлежит библиотеке, единственное возможное объяснение состоит в том, что каталог неполон.

В соответствии с принципом неопределенности измерение, позволяющее точно определить импульс микроскопического физического объекта или системы, исключает саму возможность измерить одновременно его положение. Вопрос, на который Эйнштейн хотел получить ответ, звучал так: означает ли невозможность прямого измерения координат электрона, что он не находится в определенном месте? Сторонники копенгагенской интерпретации отвечали: если измерение координат электрона произвести невозможно, то координат у него нет. ЭПР намеревались показать: имеются элементы физической реальности, например, электрон с определенными координатами, которые нельзя согласовать с квантовой механикой.