Нелокальность. Феномен, меняющий представление о пространстве и времени, и его значение для черных дыр, Большого взрыва и теорий всего - Джордж Массер

В начале 1920-х гг. Эйнштейн и его молодые коллеги, такие как Эрвин Шрёдингер, совершили решающий скачок. Они предположили, что все формы энергии и материи, а не только свет, могут вести себя и как частица, и как волна. Неразбериха со светом теперь затронула и материю. Чему бы вы ни отдали предпочтение, волнам или частицам, всюду была нелокальность.

Шрёдингер был за волны. «Частицы — не что иное, как своего рода “барашки” на волновом излучении, которое лежит в основе всего», — предполагал он. По его мнению, если далеко отстоящие друг от друга частицы «качаются» на одной и той же волне, они остаются согласованными естественным образом — не нужно никаких нелокальных влияний. Работая с этой идеей, Шрёдингер придумал уравнение, известное теперь просто как уравнение Шрёдингера, которое преподносится студентам-физикам как само определение квантовой механики. Оно позволяет делать все: от расчета траектории движения частицы до вычисления цвета света, который атом испустит или поглотит. Но, к своему огорчению, Шрёдингер понял, что его уравнение описывает не волну, а «волновую функцию», любопытную математическую абстракцию, в которой закодированы свойства частиц и систем частиц. Волновая функция нелокальна. У целой кучи частиц одна волновая функция, которая связывает их судьбы друг с другом, независимо от того, насколько далеко друг от друга они могут разлететься. Даже волновая функция одной-единственной частицы распространяется на всю Вселенную.

Конкурент Шрёдингера, немецкий физик Вернер Гейзенберг, протеже Бора, склонялся к теории о том, что частицы первостепенны, и придумал собственную систему уравнений. Как оказалось, она была математически эквивалентна уравнению Шрёдингера — эти двое дошли до одной и той же теории разными путями. Но версия Гейзенберга не очень-то способствовала объяснению того, что происходит в действительности. Гейзенберг признавал, что не знал, как его уравнения для частиц объясняли волновые эффекты. Позже физики поняли, что частицы в подходе Гейзенберга являются волнообразными, поскольку они могут реагировать не только на то, что происходит непосредственно рядом с ними, но также и на то, что происходит в удаленных областях пространства.

В общем, ни Шрёдингер, ни Гейзенберг не раскрыли загадку нелокальности, а усугубили ее. Действительно, теория казалась немного обрывочной. Если теория относительности органически проистекала из одного-единственного убедительного принципа (симметрии) и быстро была принята, то квантовая механика была кое-как слеплена из разных не связанных друг с другом догадок, и физикам приходилось восстанавливать базовые принципы, которые она воплощала, уже по готовой теории. Ситуация была очень похожа на то замешательство, которое возникло в связи с теорией гравитации Ньютона два столетия назад. Чтобы понять, что они сотворили, физикам пришлось смотреть дальше уравнений и обратиться к интуиции за подсказкой о том, как должен быть устроен мир. Именно тогда начались настоящие споры.

Эйнштейн и Шрёдингер заняли позицию, аналогичную позиции критиков Ньютона, таких как Лейбниц: поскольку теория предсказывает нелокальность, она должна быть предварительной, временной. Теория не была неправильной, но она была неполной. Должна быть какая-то более глубокая теория, которая объясняет нелокальность. Бор и Гейзенберг утверждали, что это не так, что теория не была предварительной. Это было заключительное слово в физике. Безусловно, Эйнштейн и Шрёдингер соглашались друг с другом не во всем, и Бор с Гейзенбергом тоже не всегда сходились во взглядах. Но все же справедливо говорить о двух сторонах в споре хотя бы потому, что ученые сами воспринимали это таким образом.

Представления Бора и Гейзенберга превратились в так называемую копенгагенскую интерпретацию. Один из ее центральных принципов заключается в том, что природа по сути своей случайна. Обоснование этого принципа было отчасти эмпирическим. Квантовые процессы выглядят случайными — например, когда атом испускает фотон, момент этого события, а также направление вылета фотона не определяется ни одним известным законом. Но сторонники копенгагенской интерпретации пошли дальше, чем того строго требовали экспериментальные данные, и утверждали, что никакого такого закона не может существовать, и точка. Волновая функция определяет вероятность обнаружения частицы в данной точке пространства или вероятность ее движения с данной скоростью. Пока никто не начнет искать эту частицу, она существует в состоянии неопределенности, не имея конкретного местоположения, ни импульса, но характеризуется множеством возможностей. Измеряя ее положение, экспериментатор вызывает коллапс волновой функции, которая превращается в узкий пик, случайным образом расположенный в пределах диапазона возможностей, и частица появляется в определенном месте. Коллапс происходит внезапно и необъяснимо, он выходит за рамки уравнений Шрёдингера и Гейзенберга. Как писал один философ: «Этот коллапс является чудом в буквальном смысле».

В их защиту скажу, что поиск причин случайных капризов жизни неизбежно ведет к расстройству. Некоторые вещи просто происходят. Добродетельные люди терпят неудачи, а грешники процветают. Для сторонников копенгагенской интерпретации индетерминизм был уроком современности, противоядием от неуместной веры в здравый смысл родом из эпохи Просвещения, которую многие немецкие интеллектуалы 1920-х гг. считали ответственной за поражение их страны во время Первой мировой войны. Многие историки полагали, что это культурное настроение восходит к вере времен магического мышления и романтизма в то, что природа не подвластна рациональному пониманию.

Эйнштейн и Шрёдингер питали отвращение к такому толкованию квантовой механики. Бог не играет в кости, как сказал Эйнштейн. Это знаменитое и часто цитируемое высказывание звучит так, как если бы у Эйнштейна было религиозное отвращение к индетерминизму. Истина, как всегда, гораздо сложнее и интереснее. Эйнштейн никогда не возражал против случайности как таковой — он потратил большую часть своей карьеры, изучая вероятностные процессы. Его опасения были более прагматичны. Другие вероятностные явления были следствием механических движений более мелкого масштаба. Почему с квантовой случайностью дело должно было обстоять иначе? Почему физики должны оставить поиски более глубокого уровня устройства природы? Как я упоминал в одной из предыдущих глав, Эйнштейна поражал тот факт, что Вселенная постижима во многих отношениях, и он считал, что было бы странно видеть исключение в частицах. Вселенная должна быть либо постижимой, либо непостижимой, а не наполовину постижимой и наполовину непостижимой одновременно.

Кроме того, Эйнштейн понимал, что индетерминизм повлечет за собой нелокальность. Причина состоит в том, что якобы случайные события в квантовой механике скоординированы. Мы не только наблюдаем, что они скоординированы, но они должны быть скоординированы, иначе какое-то количество энергии или импульса будет теряться или, наоборот, приобретаться. Например, те волшебные монеты, о которых я говорил в первой главе, выпадают произвольным образом орлом или решкой, но делают это жестко синхронно. Как они это делают? Если результат броска определяется на лету, монеты должны общаться нелокальным образом, чтобы гарантированно падать одинаково. И наоборот, если они не общаются, то результат должен быть предопределен, и квантовая теория, будучи не в состоянии точно предсказать этот результат, должна быть неполной. В течение многих лет Эйнштейн продолжал работать над этой дилеммой между индетерминизмом с нелокальностью и детерминизмом с локальностью.