Квантовая революция. Как самая совершенная научная теория управляет нашей жизнью - Адам Беккер

единственным способом избежать требования мгновенного коллапса волновой функции и нарушения принципа локальности. А следовательно, квантовая физика давала неполное описание природы, и, чтобы понять истинные законы квантового мира, требовалось ее, физики, развитие. В частности, чтобы снять противоречия с принципом относительности, частицы должны в любой момент обладать определенными положениями, а не только волновой функцией. «Мне кажется, мсье де Бройль прав[110], занимаясь поисками в этом направлении», – заключил Эйнштейн.

Рис. 3.3. Эйнштейн и Бор, около 1930 года

Реакцию участников конференции на мысленный эксперимент Эйнштейна можно было назвать скрытым непониманием. Бор, к его чести, это непонимание признал откровенно. «Я чувствую себя в очень трудном положении, так как не понимаю, что именно Эйнштейн хочет доказать, – сказал он. – Но это, без сомнения, моя вина»[111]. Простой мысленный эксперимент Эйнштейна содержал сокрушительную критику копенгагенской позиции, но, возможно, сама его простота, как ни парадоксально, стала помехой для его осознания: объяснения Эйнштейна были довольно краткими и могли создать впечатление, что он просто запутался в понимании природы вероятности[112]. В частности, Бор, как видно, уловил мысль Эйнштейна довольно плохо: позже он вспоминал, что у Эйнштейна были сомнения в отношении принципа неопределенности Гейзенберга и он придумал мысленный эксперимент, чтобы как-то этот принцип обойти. Таким образом, для участников Сольвеевской конференции эйнштейновское замечание по поводу нарушения локальности прошло незамеченным. Но Эйнштейн вскоре построил новые мысленные эксперименты, упорно выявляя трудности, которые, как он видел, стояли перед квантовой физикой.

* * *

На следующей Сольвеевской конференции, в 1930 году, Эйнштейн представил Бору другой мысленный эксперимент. В нем участвовало воображаемое устройство, которое содержало пружинный динамометр и подвешенный к нему заполненный светом ящик с точными часами. Бор опять подумал, что Эйнштейн пытается обойти квантовый принцип неопределенности. После недолгого раздумья Бор объявил, что эйнштейновский мысленный эксперимент «провалился» – Эйнштейн не учел некоторых следствий собственной общей теории относительности.

Этот легендарный эпизод вошел в историю квантовой физики – Эйнштейн подорвался на собственной мине[113]. Но на деле неправым оказался Бор. Придумывая мысленный эксперимент, Эйнштейн вовсе не собирался обходить принцип неопределенности – в центре его внимания, как и на Сольвеевском конгрессе тремя годами раньше, снова была локальность. По словам Поля Эренфеста, друга Эйнштейна, тот «более не имел никаких сомнений по поводу соотношений неопределенности» и разработал этот мысленный эксперимент «с совершенно иной целью»[114]. Бор снова попал пальцем в небо[115].

Прошло еще несколько лет, и Эйнштейн предложил еще один мысленный эксперимент, демонстрирующий проблемы с локальностью. На этот раз эхо эйнштейновского выступления отдавалось в течение нескольких десятилетий. Эйнштейн и двое его сотрудников, Борис Подольский и Натан Розен, в 1935 году опубликовали статью с провокационным названием «Можно ли считать полным квантово-механическое описание физической реальности?»[116]. Эту статью, часто обозначаемую инициалами ее авторов (ЭПР), иногда представляют как последнюю отчаянную попытку Эйнштейна выиграть схватку с Бором. Но на деле вся эта история оказалась гораздо более запутанной – и гораздо более интересной.

На первый взгляд, в работе ЭПР речь идет не о локальности, а, по иронии судьбы, именно о том, как обойти гейзенберговский принцип неопределенности. Но вместо того, чтобы придумывать способ прямо измерить импульс и положение одиночной частицы в одно и то же время, что Эйнштейн будто бы делал в своих предыдущих мысленных экспериментах, авторы ЭПР это делают косвенным путем. В предлагаемом ими эксперименте воображаемая пара частиц, A и B, испытывает лобовое столкновение, взаимодействует друг с другом некоторым весьма специальным и чувствительным образом, а затем разлетается в противоположных направлениях. Суммарный импульс всегда сохраняется – это основной закон природы, – и потому общий импульс этих частиц на любой момент времени известен. А способ взаимодействия частиц таков, что расстояние между ними в любой заданный момент легко вычислить.

В классической ньютоновской физике эта ситуация напоминает случай, когда два одинаковых бильярдных шара сталкиваются лоб в лоб и затем отскакивают друг от друга к противоположным стенкам огромного бильярдного стола. Так как общее количество движения пары должно быть нулевым, то, зная скорость и направление движения одного из шаров, мы тем самым мгновенно установим, что второй шар движется с той же самой скоростью в противоположном направлении. Подобным же образом, определение положения одного из шаров на некоторое время тут же даст нам положение и другого, если мы знаем время и точку столкновения.

В квантовой физике ситуация несколько более сложная, так как мы не можем одновременно измерить и импульс, и положение частицы. Когда частицы A и B находятся далеко друг от друга, мы можем либо измерить импульс частицы A, что мгновенно снабдит нас и знанием импульса частицы B, либо вместо этого измерить положение частицы A, что опять-таки мгновенно расскажет нам о том, где находится частица B. Согласно копенгагенской интерпретации, у частиц нет таких характеристик, как положение или импульс (как нет и никаких других), до тех пор, пока мы эти характеристики не измерили. Но, говорится в ЭПР, измерения, выполненные для одной из частиц, не могут мгновенно повлиять на находящуюся на большом расстоянии от нее другую частицу. Следовательно, чтобы обеспечить соответствие своих характеристик результатам измерения, которое мы производим с удаленной частицей A, частица B должна изначально обладать определенным положением и импульсом. Но квантовая физика не позволяет нам одновременно предсказывать и положение, и импульс одиночной частицы! Итак, заключает ЭПР, квантово-механическое описание является неполным – существуют характеристики, которых оно не отражает. Статья ЭПР заканчивается выражением надежды на то, что усовершенствованная теория сможет описать недостающие характеристики: «Хотя мы, таким образом, показали, что волновая функция не обеспечивает полного описания физической реальности, мы оставляем открытым вопрос о том, существует ли такое описание вообще. Однако мы верим, что данная теория возможна».

«Нападение» самого знаменитого ученого в мире на хорошо всем известную (хоть и не всем понятную) теорию, да еще в таких резких выражениях, конечно, вызвало шумиху в газетах, особенно после того, как Подольский преждевременно «слил» эту историю репортерам. «Эйнштейн атакует квантовую теорию», – раструбила New York Times 4 мая 1935 года, за несколько дней до публикации статьи ЭПР. «Ученый и Двое Его Коллег Обнаружили Что Она “Неполна” Хоть И “Верна”!»[117] Разъяренный Эйнштейн немедленно послал в редакцию опровержение: «Информация, на которой основывается заметка “Эйнштейн атакует квантовую теорию”[118], предоставлена вам без моего разрешения. Я неизменно придерживаюсь правила обсуждать научные вопросы только на соответствующих дискуссионных площадках и решительно возражаю против преждевременных публикаций сообщений по этим вопросам в непрофессиональных изданиях»[119].

Допущенная Подольским «утечка информации» стала не единственной причиной плохого настроения Эйнштейна. Несмотря на то что он поставил свое имя под статьей ЭПР,