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

Примером такой связи является ориентация, или поляризация, световых волн. Свет может быть поляризован в двух направлениях. Именно поэтому в современных 3D-фильмах используется поляризованный свет: проектор создает два изображения на экране, каждое из которых имеет свою поляризацию, а 3D-очки позволяют каждому глазу видеть только свое изображение. Однако в этом есть нечто таинственное. Почему не бывает трех направлений поляризации? В конце концов, пространство имеет три измерения, т.е. три возможных направления движения. Некоторые типы волн, например сейсмические волны в земной коре, колеблются во всех трех направлениях. Почему свет не может этого? Из-за связи. Она соединяет разные точки поля, ограничивая диапазон их движения подобно связанным движениям исполнительниц канкана, которые выбрасывают ноги вперед, но никогда вбок. Математически связь определяется как свойства индивидуальных точек в пространстве, которые лишены автономии. Смысл локальности в отсутствии таких связей. Предполагается, что разные области поля независимы — способны влиять друг на друга, посылая возмущения через пространство, но не жестко взаимосвязаны в силу логической необходимости.

Чтобы подчеркнуть проблемность старого оптимистического представления о калибровочной инвариантности, в 1959 г. Дэвид Бом с Якиром Аароновым, тогда еще студентом, предложили квантовую версию эксперимента Фарадея. Индикаторами на этот раз служили электроны, а не зажженные свечи. Эксперимент оказался технически сложным, и физики не могли осуществить его до 1985 г., однако аналогичное тестирование магнетизма было проще, и его выполнили в течение года после предложения Бома и Ааронова. Результат: частицы ведут себя иначе внутри высоковольтной камеры. Волновая картина, которую они создают, смещается. Она смещается даже несмотря на то, что внутри камеры электрическое силовое поле равно нулю, — по классическим правилам электромагнетизма такого происходить не должно.

Для большинства физиков это прозвучало как гром среди ясного неба, и мало кто поверил в такое. Однако постепенно они признали, что локальные структуры не соответствуют реалиям электромагнетизма. Электрический потенциал — это слишком много: заданная разность потенциала может складываться из бесконечного множества абсолютных уровней потенциала, создавая более широкий набор возможностей, чем существует в природе. Электрическое поле — это слишком мало: оно недостаточно насыщено, чтобы уловить смещение волновой картины электрона, точно так же как экран компьютера не может должным образом передать насыщенность цветов картин Шагала. Теоретики нуждались в подходящей структуре. Когда локальные возможности исчерпаны, третий горшок каши, предположительно, должен быть нелокальным.

•

Философам потребовалось еще больше времени, чтобы переварить эти изменения. В числе первых был Ричард Хили из Аризонского университета. Если многие связывают свою любовь к науке с детскими впечатлениями — влиянием кого-то из родителей или учителя, открывшего им глаза на чудеса Вселенной, — то, по словам Хили, у него не было такого примера. «Меня окружали люди, которые знали множество вещей, но ничего не понимали в науке, — вспоминает он. — Я рос в такой обстановке». Школа лишь укрепила его стремление поступать наоборот. «Физика в средней школе заставляла меня страдать, — говорит Хили. — Я ненавидел ее и знал, что эти парни что-то утаивают от меня. Мне хотелось знать больше, а этому не учили в средней школе». Его карьера тоже строилась на наблюдении за тем, что делают другие, и выборе чего-то иного. Поскольку философы в 1990-х гг. в массе своей отрицали калибровочную инвариантность, он, естественно, склонился на ее сторону. «В те времена я чувствовал себя очень одиноко», — признался он коллегам.

Хили завораживает то, что калибровочная инвариантность может привести к открытию нового типа нелокальности, совершенно непохожего на запутанность, которая так мучила Эйнштейна и Джона Белла. Электроны в эксперименте Ааронова — Бома не нужно было приводить в состояние запутанности или подготавливать как-то иначе. Они были больше «зрителями», чем «актерами». В силу своей волновой природы они чувствительны к таким аспектам мира, на которые обычные объекты совершенно не реагируют, и привносят в силовые поля своего рода спящую нелокальность.

Несмотря на отличие от запутанности, нелокальность калибровочной инвариантности имеет сходные эффекты. «Эффект Ааронова — Бома отличают от парадокса Белла, однако у них масса общего», — говорит Хили. Запутанность связывает частицы в единое целое, обладающее коллективными свойствами, которых нет у индивидуальных частиц. Калибровочная инвариантность аналогичным образом наделяет поля свойствами, которые не существуют ни в одном отдельно взятом месте, а присущи широкой области пространства. В обоих случаях система не является простой суммой ее пространственных частей в отличие от свойства локальности, которое Эйнштейн называл принципом отделимости. Поле разделимо почти по определению, поэтому нарушение этого принципа — плохая новость для понятия поля. В то же время и запутанность, и калибровочная инвариантность не противоречат другому определенному Эйнштейном аспекту локальности, принципу локального действия, поскольку ни одно из явлений не позволяет передать сигнал, удаленно управлять дроном или транслировать восторженные чувства предмету обожания на другом конце земли.

Однако если силы не передаются ни полями, ни частицами, то как они вообще передаются? Хилипридерживается идеи, восходящей к Дираку и получившей распространение среди физиков после эксперимента Ааронова и Бома. Она строится на следующем ключевом положении: потенциал в отдельно взятой точке может быть неопределенным, однако при сложении потенциалов множества точек, образующих замкнутый контур, его величина становится однозначной. Можно, например, от задней двери вашего дома обойти двор и возвратиться к исходной точке, измеряя по пути электромагнитный потенциал. Отдельно взятые показания будут зависеть от вашего произвольного выбора нулевого уровня потенциала, однако сумма всех показаний окажется независимой от этого выбора. Каким-то образом этот ряд показаний выявляет структуру природы, которую индивидуальные показания выявить не могут. Что бы ни заставляло электричество течь, а магниты притягиваться к холодильнику, это не аккуратная матрица вроде компьютерного дисплея, а запутанное кружево вроде вязаного шарфа. «Петли, а не точки — естественная колыбель электромагнетизма», — говорит Хили.

Петли разнесены (в нарушение отделимости), однако передают электрические и магнитные силы, смещая друг друга (в соответствии с локальностью действия). При обычных обстоятельствах невозможно различить петли и классические поля. Фактически петли стянуты так сильно, что выглядят как точки в регулярной решетке. Однако истинный характер ткани проявляется, когда одна из петель цепляется за гвоздь и выдергивается. В эксперименте Ааронова — Бома наэлектризованная камера действует подобно такому гвоздю, вытягивая одну из петель и создавая эффекты, о которых Максвелл даже не подозревал. При попытке обнаружить эти эффекты с помощью локальной структуры вроде потенциала остается некоторая неопределенность.

Мораль этой истории в том, что квантовая теория поля смешивается с нашим представлением о пространстве. Это не теория локализованных строительных блоков вроде частиц или пикселей — на деле такие вещи представляются невозможными. Это теория делокализованных структур, петель или чего-то еще. Технически этот факт не требует отказа от наших представлений о пространстве. Мы по-прежнему можем воображать, что петли или что-то другое вместо них существуют в пространстве. «Мы не теряем точки, — говорит Хили. — Эта структура, которая построена на них, нелокальна». Однако размещение петель в пространстве сродни проведению рок-концерта в консерватории. Вы можете сделать это, но все будет не на месте. Физики и философы всегда выводили природу пространства из поведения материи. Древнегреческие атомисты придумали концепцию пространства с тем, чтобы дать частицам место для существования. Для современных теоретиков пространство — это субстрат из полей. Если частицы и поля реально не существуют, пространство теряет свой смысл.