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

Первый раз Эйнштейн представил свою дилемму миру в октябре 1927 г. на конференции, которая считается одной из самых величайших встреч в истории физики. Фонд, основанный бельгийским промышленным магнатом Эрнестом Сольве, взял на себя все расходы, чтобы 28 изысканно одетых мужчин и одна элегантная дама провели неделю в шикарном отеле, читая в институте Брюсселя лекции о квантовой механике (которые после этого были опубликованы) и общаясь друг с другом в неформальной обстановке (протоколы не велись, чтобы никто не чувствовал себя скованно). Эйнштейн не представил собственного доклада, но изложил свои доводы против копенгагенской интерпретации, когда одному из докладчиков задавали вопросы.

Его аргументом была обновленная версия парадокса пузыря. Квантовая волновая функцияраспространяется в пространстве как расширяющийся пузырь, однако частица, которую она представляет, появляется только в одном определенном месте, если вы начнете ее искать. Что заставляет пузырь лопнуть? Что мешает частице появиться в нескольких местах? Что-то должно управлять коллапсом, чтобы частица гарантированно материализовалась в одном, и только одном месте. Тем не менее в этом сценарии не задействована никакая сила — ни электричество, ни магнетизм, ни тяготение. Да никакие силы и не могли быть в нем задействованы, поскольку эффект происходит мгновенно и потенциально на бесконечном расстоянии. Этот эффект должен быть нелокальным; он должен противоречить теории относительности. На Сольвеевском конгрессе Эйнштейн выразил это следующим образом: «Вероятность того, что эта частица будет найдена в данной точке, предполагает наличие исключительно необычного механизма действия на расстоянии, который мешал бы волне, непрерывно распределенной в пространстве, действовать в двух местах». Такое действие на расстоянии, сказал он коллегам, «подразумевает, по моему мнению, противоречие постулату относительности».

С точки зрения Эйнштейна, естественным было отказаться от пузыря, который лопается, оставляя после себя частицу. Вместо этого частица должна сидеть и ждать в том месте, где ее находят. Никакой нелокальной координации не нужно. Эту возможность иногда называют «реализмом», потому что у частицы в действительности всегда есть определенное положение, даже если квантовая теория не может сказать, где оно. Положение частицы — это то, что физики называют «скрытым параметром»: «скрытым» в том смысле, что он не появляется в уравнениях Шрёдингера и Гейзенберга. Более полная теория должна включать такую переменную. Эйнштейн пытался придумать такую теорию, основанную на его более ранних идеях о направляющем поле, и французский физик Луи де Бройльпредставил такую модель на Сольвеевском конгрессе. «Я думаю, что мистер де Бройль правильно делает, что ищет в этом направлении», — сказал Эйнштейн.

Бор безусловно принял дилемму «нелокальность или неполнота». Его согласие с тем, что уравнения предсказывают нелокальность, выразилось в словах, обращенных к Эйнштейну: «Все основания для каузального описания пространства-времени разрушаются квантовой теорией». Но Бор подходил к вопросу с точки зрения того, что мы можем и не можем измерить, а не того, какой физический процесс мог координировать поведение частицы на больших расстояниях и какие проблемы вызовет существование такого процесса. С его точки зрения, достаточно было того, что квантовая механика предоставляла «некоторые математические методы, достаточные для описания наших экспериментов». А что еще нужно?

Эти двое провели несколько дней в глубоких дискуссиях за завтраками и ужинами. Мы никогда не узнаем наверняка, что они говорили друг другу, но, по всем свидетельствам, их разговор ушел от нелокальности и вертелся вокруг случайности, а именно вокруг принципа неопределенностиГейзенберга, который количественно определяет степень случайности, свойственной поведению частицы. Эйнштейн неоднократно пытался обойти этот принцип, но Бор каждый раз не давал ему это сделать, создавая впечатление, что он перехитрил кудрявого гения. Один из свидетелей, австрийско-голландский теоретик Пауль Эренфест, написал об этом так: «Как игра в шахматы. Эйнштейн все время с новыми примерами… чтобы нарушить СООТНОШЕНИЕ НЕОПРЕДЕЛЕННОСТИ. Бор, сидя с философским видом в клубах дыма, постоянно искал инструменты, чтобы разгромить один пример за другим. Эйнштейн каждое утро выпрыгивал, как черт из табакерки, со свежими доводами». Тем временем Бор оставил без внимания основной повод для беспокойства Эйнштейна: связи между удаленными точками пространства. С этого непонимания начались недоразумения, которые препятствовали принятию нелокальности в течение полувека.

К следующему Сольвеевскому конгрессу три года спустя Эйнштейн разработал другой сценарий, чтобы обосновать свою точку зрения. Это был первый черновой вариант аргумента, вокруг которого будут строиться все последующие споры. Предположим, что у нас есть коробочка, заполненная фотонами, которые со стуком перекатываются в ней, как конфетки «Тик Так» в пластмассовом контейнере. Один из них выскакивает через отверстие и улетает в космос. Коробочка с остальными фотонами отскакивает в противоположном направлении. Поскольку вся система частиц описывается единственной волновой функцией, судьбы коробочки и вылетевшего фотона остаются связанными. Некоторое время спустя вы измеряете положение коробочки, зная которое можно вычислить положение фотона.

Это означает одно из двух. Либо измерение коробочки оказывает какое-то воздействие на фотон, либо оно не оказывает никакого воздействия на фотон. Согласно копенгагенской интерпретации, верен первый вариант. То есть перед тем, как вы измеряете коробочку, и она, и фотон находятся в состоянии неопределенности, не имея определенного положения. После того как вы ее измеряете, волновая функция коллапсирует и фотон появляется в каком-то месте. Независимо от того, каким прибором вы проводили измерения, коробочка должна действовать как пульт дистанционного управления. Нажмите кнопку и — бац! — частица немедленно воплощается из неопределенного тумана потенциальной возможности в реальный импульс света. Поскольку фотон перемещается со скоростью света, сигнал от «пульта дистанционного управления» должен распространяться быстрее света, чтобы догнать его. «Если бы происходило такое физическое воздействие со стороны B на улетающий квант света, — писал Эйнштейн позже, — это было бы действие на расстоянии, которое распространяется со сверхсветовой скоростью. Такое предположение, конечно, логически возможно, но оно очень сильно противоречит моему физическому чутью». Согласно второму варианту — когда измерение никак не влияет на фотон — частица уже существует в том месте, где вы ее обнаруживаете, даже если волновая функция «слепа» к этому факту. Копенгагенская интерпретация вводит в заблуждение, и вы думаете, что у вас есть пульт дистанционного управления, в то время как его, увы, нет.

В общем, этот новый сценарий излагал ту же самую дилемму, что и прежде: квантовая теория либо нелокальна, либо неполна. К сожалению, одна особенность доклада Эйнштейна в 1930 г. посеяла многолетние сомнения даже среди его сторонников. Эйнштейн заметил, что вместо измерения положения коробки можно измерять ее импульс. То есть у вашего пульта дистанционного управления как будто есть две кнопки: одна заставляет фотон материализоваться с определенным положением, а другая заставляет его материализоваться с определенным импульсом. Но эта дополнительная функциональность вторична. Главная проблема в том, что у вас вообще есть пульт дистанционного управления.