Шесть невозможностей. Загадки квантового мира - Джон Гриббин

Корни транзакционной интерпретации (ТИ) квантовой механики кроются в загадке о природе света, интересовавшей еще Альберта Эйнштейна. Именно размышления о природе света привели Эйнштейна к созданию специальной теории относительности, и одного этого достаточно, чтобы воспринимать вопрос серьезно. К специальной теории великого физика привело осознание того, что из уравнений, описывающих поведение света и всего остального электромагнитного излучения, следует: скорость света одинакова для всех и постоянна (сейчас эту константу записывают как c). Если вы направите на меня луч фонарика, а я буду просто стоять рядом с вами, то при измерении скорости света от фонарика я получу c. Но даже если я буду нестись к вам или от вас с высокой скоростью, я все равно получу при измерении скорости света фонарика величину c. Из этого простого факта Эйнштейн и вывел теорию относительности.

Уравнения, которые, помимо прочего, гласят, что скорость света одинакова для любого наблюдателя, известны как уравнения Максвелла и названы в честь открывшего их физика XIX столетия. Но уравнения Джеймса Кларка Максвелла обладают еще одним любопытным свойством. Они симметричны во времени. В любой задаче с участием электромагнитного излучения – например, излучения, связанного с движущимся электроном, – у этих уравнений всегда имеется два решения. Одно описывает так называемую запаздывающую волну, которая исходит от источника и движется вперед во времени, чтобы быть поглощенной где-то далеко во внешнем мире. Другое описывает «опережающую» волну, которая исходит от поглотителей где-то там, во внешнем мире, и сходится из будущего к тому, что мы воспринимаем как источник излучения (в данном случае движущийся электрон). Большинство физиков просто не обращает внимания на это «опережающее» решение. Но в 1909 г. Эйнштейн сказал:

Можно мысленно удалять тело, поглощающее излучение, причем на любое расстояние. Это относится не только к электронам, взаимодействующим со своими соседями, но и, к примеру, к телевизионным сигналам, распространяющимся от Земли по Вселенной. Уравнения, описывающие этот процесс, всегда включают решение, описывающее опережающие волны, сходящиеся из глубин Вселенной к антеннам, с которых эти сигналы были переданы. Здесь содержится намек на тип нелокальности, отличающийся от того, что мы встречали ранее (или тот же самый?), но, конечно, Эйнштейн в 1909 г. об этом не думал.

Одним из очень немногих людей, кто воспринял эту идею всерьез, был Ричард Фейнман, в 1940-х обучавшийся в аспирантуре в Принстоне. По совету своего научного руководителя Джона Уилера[23] он разработал идею о том, что, взаимодействуя с другой заряженной частицей, электрон как бы по половинке волны испускается в будущее и в прошлое. Там, где эта волна встречается с другой заряженной частицей, последняя испускает вперед и назад во времени собственные половинки волны. Согласно фейнмановской версии, две полуволны, интерферируя, компенсируют друг друга всюду, кроме пространства между этими двумя частицами, где они усиливаются и образуют полную волну. Когда Фейнман делал в Принстоне доклад на эту тему, среди слушателей были Эйнштейн и Вольфганг Паули. Паули сказал, что, по его мнению, идея не заработает, и спросил Эйнштейна, согласен ли он с этим. «Нет, – сказал Эйнштейн, – мне только кажется, что было бы очень трудно создать соответствующую теорию для гравитационного взаимодействия».

Несмотря на такую поддержку, идея долгое время оставалась невостребованной, потому что никто просто не верил в волны, приходящие из будущего. Но в конце 1970-х гг. Джона Крамера, преподавателя Вашингтонского университета в Сиэтле, которого идея Фейнмана захватила еще во времена учебы в аспирантуре, вдруг осенило, как ее можно включить в квантовую механику. Как это часто бывает, мысль Крамера кажется очевидной – но лишь с того момента, когда кто-нибудь ее выскажет.

Крамера подтолкнула мысль о том, что происходит с «волной вероятности» в квантовой системе, когда частица, с которой она связана, регистрируется в определенной локации. Откуда волна во всех остальных местах «узнает», что в это мгновение надо исчезнуть? Крамер провел аналогию с бутылкой, которую с флоридского пляжа бросают в Атлантический океан. Представьте, что это квантовая бутылка и что она исчезает в волне, которая распространяется на весь океан и доходит до Европы. Бутылка оказывается где-нибудь на пляже в Англии, и в это самое мгновение волны, разошедшиеся по всему океану, исчезают. Крамер понял, что должны существовать опережающие и запаздывающие волны и что эти волны повсюду производят «квантовые рукопожатия». Он понял, что только те запаздывающие волны, которые производят «эхо» в виде опережающих волн, могут влиять на положение частиц – их загадочный квантово-механический перенос из точки A в точку B (или переход с одного энергетического уровня на другой) без перемещения через разделяющее их пространство. Волны от бутылки в Англии прошли назад во времени до Флориды через океан, чтобы установить уникальное соединение и погасить все остальные волны. Крамер видел здесь сходство с моделью волны-пилота, в которой волны показывают частицам, куда двигаться, но в которой, что принципиально, нет обращенного назад во времени подтверждения «рукопожатия».

Это объясняет также загадку ЭПР. Две частицы, однажды взаимодействовавшие между собой, впоследствии остаются соединенными «рукопожатием», то есть подтвержденным контактом между ними и местом их взаимодействия. Все это увязывается с верным (по мнению Крамера) описанием знаменитого уравнения Шрёдингера[24].

Чтобы применить теорию поглотителя к квантовой механике, нам потребуется некое квантовое уравнение, которое, подобно уравнениям Максвелла, имеет два решения. Одно из них соответствует волне положительной энергии, текущей в будущее, второе описывает волну отрицательной энергии, текущую в прошлое. На первый взгляд уравнение Шрёдингера не соответствует этому описанию, поскольку описывает поток только в одном направлении, которое мы интерпретируем как направление из прошлого в будущее. Однако любому физику в университете рассказывают, что широко используемая версия уравнения неполна (большинство это быстро забывает). Еще квантовые пионеры квантовой науки поняли, что уравнение Шрёдингера не учитывает требования теории относительности. В большинстве случаев это не имеет значения – вот почему студенты-физики и даже большинство специалистов по квантовой механике пользуются простым вариантом уравнения и ни о чем не беспокоятся. Однако полная версия волнового уравнения, должным образом учитывающая релятивистские эффекты, гораздо больше напоминает уравнения Максвелла. В частности, она имеет два набора решений, один из них соответствует общеизвестному простому уравнению Шрёдингера, второй – своего рода зеркальному отображению уравнения Шрёдингера, описывающего поток отрицательной энергии в прошлое.