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

Это означает со всей очевидностью, что наш мир не состоит ни из частиц, ни из полей, по крайней мере в той форме, в которой их обычно представляют: как структуры, олицетворяющие принцип локальности. Физики по-прежнему говорят о «квантовых частицах» и «квантовых полях», но это звучит как «общеизвестный секрет» или «оплачиваемый доброволец». Под определением «квантовый» понимается «подобная частице, но не частица» или «имеющее совершенно непохожие на поле характеристики».

Возьмем для начала подход с точки зрения частиц. В соответствии со старой квантовой механикой положение и скорость частицы неопределенны. Вы не знаете, где она окажется или как быстро будет двигаться. Но по крайней мере она находится где-то. Это правило перестает выполняться, как только вы принимаете во внимание теорию относительности, что приходится делать, если скорости приближаются к скорости света. Логика ведет нас назад к ключевому факту квантовой неопределенности. Скорость и положение частицы не являются независимыми величинами. Если известно рассеяние возможных скоростей, то можно рассчитать рассеяние возможных положений, опираясь на принцип неопределенности Гейзенберга, и наоборот. Теория относительности нарушает это преобразование, требуя, чтобы принцип неопределенности был независимым от наблюдателя. Теперь при преобразовании скорости в положение оказывается, что разные позиции больше не являются взаимоисключающими. Одну и ту же частицу можно обнаружить одновременно в двух местах или найти частицу в одном месте, а ее энергию где-то еще. Объединение квантовой механики с теорией относительности нарушает локальность в том аспекте, который был для Эйнштейнапринципиальным: оно нарушает положение о том, что все вещи имеют свое место.

Соединение относительности с нелокальностью означает полный переворот. Эйнштейновское ограничение космической скорости должно было покончить с нелокальностью, а не подкреплять ее. «Увидев это, мы говорим: “Ну вот, а нам казалось, что все позади”, — замечает Халворсон. — Все считают, что относительность устраняет нелокальность, а здесь она, наоборот, приводит к нелокальности».

В проведенном в 1949 г. авторитетном анализе пионер квантовой теории Юджин Вигнер и его студент Тед Ньютон показали, что частица может иметь однозначное положение, только если теория относительности не применяется при определении положения. В этом случае, однако, наблюдатели должны расходиться во мнении о том, на что похожа Вселенная, и, таким образом, привносить в физику опасную субъективность. Это слишком большая жертва, да к тому же она не решает проблему. Теперь наблюдатели должны расходиться во мнении не только о положении частицы, но и о существовании этого положения в принципе. Одни могут сужать место положения частицы до ограниченной области, а другие предполагать ее материализацию в любой точке Вселенной. Те же наблюдатели, которые все же обнаруживают частицу в некотором четко определенном месте, могут увидеть, как она неожиданно перепрыгивает в отдаленную область Вселенной — эффект, который, если он реален, должен позволить инженерам создать сверхсветовую коммуникационную систему. Можно, конечно, сказать: давайте оставим попытки определить точное положение частиц и просто пересчитаем их. Но даже такая скромная задача окажется невыполнимой, поскольку разные наблюдатели будут давать разные ответы.

В общем, квантовая теория поля говорит, что поиск частиц сродни игре в наперстки. Их невозможно засечь, они могут исчезать из одного места и появляться в другом, нельзя получить даже согласованной оценки их количества. Эти проклятые штучки начинают казаться сплошным надувательством. Большинство физиков и философов пришли к выводу, что маленькие бильярдные шарики просто не могут существовать в нашей Вселенной. «Нет ничего, что действительно можно привязать к определенному месту», — говорит Халворсон.

«Частицы», которые описываются в уравнениях квантовой теории поля, фактически являются разновидностью волны. Такие «частицы» не существуют в каком-то одном месте, они распределены по всему полю подобно тому, как звук, извлеченный с помощью гитарной струны, не существует в каком-то ее месте, а распространяется по всей длине. Единственная причина для использования термина «частица» заключается в том, что это образование представляет дискретный сгусток энергии и импульса[20]. Но даже такое усеченное применение слова «частица» работает только тогда, когда энергию и импульс можно разделить на независимые сгустки. В случае интенсивного взаимодействия полей волны настолько перепутаны, что частицы перестают существовать даже при таком вольном определении.

Физики привычно рассуждают о частицах. Почти все, что написано о физике, от учебников до надписей в туалете, связано с частицами. Во многих случаях разговор о частицах по-прежнему имеет смысл. Однако в том языке, на котором говорит сама природа, такого слова нет. Каждый раз, когда вы видите нечто напоминающее частицу, с этим объектом необходимо разбираться более тщательно. Например, наиболее широко используемое описание квантовой теории поля — фейнмановская система контурных рисунков, о которой я говорил в главе 1, — показывает взаимодействие частиц в определенных местах в пространстве и времени. Диаграммы Фейнмана обычно используются для изучения сценариев столкновения двух частиц. Однако описание любого такого сценария требует бесконечного множества диаграмм, хотя вполне можно обойтись «всего лишь» сотнями или миллионами. Отдельно взятая диаграмма не имеет ничего общего с реальным миром — только совокупность множества таких диаграмм имеет смысл. Таким образом, диаграммы — это всего лишь полезный математический аппарат, способ разбивки крупной проблемы на удобоваримые части вроде статистических данных, которые говорят, например, что в средней американской семье 1,9 ребенка и 2,3 автомобиля. Частицы, которые появляются на этих диаграммах, в том числе «виртуальные частицы», нередко фигурирующие в дискуссиях физиков, не более чем умозрительные образы. «Они фактически ничего не могут сказать о реальности», — говорит Халворсон.

Физики-экспериментаторы, со своей стороны, создают детекторы вроде камеры Вильсона, которые, понятное дело, должны обнаруживать частицы. На деле все, что они регистрируют, так это небольшие всплески волновой энергии — мимолетные возмущения, подобные отблескам солнца на неспокойной поверхности водоема. Очень соблазнительно соединить полученные точки и предположить, что это следы частички материи, пролетевшей через прибор. Не поддавайтесь этому соблазну.

Если мир не состоит из частиц, то по умолчанию он должен состоять из полей, так ведь? Максвеллпредставлял электрическое и магнитное поля как совокупность конвейерных лент и вращающихся барабанов — подобно сталепрокатному заводу времен промышленной революции. Мы — дети информационной эпохи и можем сравнивать поля с жидкокристаллическим телевизором или компьютерным дисплеем, т.е. с мозаикой крошечных пикселей. Чтобы развить эту аналогию, нарисуем каждый «пиксель» в виде локальной штучки вроде частицы, но зафиксированной на месте. У него есть признаки, аналогичные яркости и цвету. Он может оказывать силовое воздействие на объекты, реагировать на силы, прикладываемые к нему, и взаимодействовать с ближайшими соседями. Если, например, поместить компас в магнитное поле, ближайшие пиксели захватят стрелку и повернут ее в соответствии с собственным направлением. И наоборот, если взять магнит, то ближайшие пиксели будут реагировать на него, их соседи начнут реагировать на их реакцию, и рябь распространится по экрану. Такая метафора работает хорошо при условии, что вы воображаете экран с бесконечным разрешением, где элементы — это не крошечные квадратики света, а геометрические точки нулевого размера. Они образуют континуум без стыков или зазоров.