Остров знаний. Пределы досягаемости большой науки - Марсело Глейзер

В течение 12 лет после публикации работы Бома ситуация не сдвигалась с мертвой точки. Большинство физиков в духе широко распространенного научного консерватизма 1950-х годов не были готовы изменить успешную теорию из-за метафизической потребности в реализме, в особенности если эта теория опиралась на нелокальность – свойство, которое многим не хотелось допускать в физику. Прагматическая эффективность казалась важнее верного толкования. При этом физики 1950-х игнорировали то, что было на кону: либо новая теория о фундаментальных свойствах материи, соответствующая нашим наивным мечтам о познаваемости Природы и ее детерминированности, то есть управлении логическими законами, либо принятие странности квантовой механики как нерушимой преграды, мешающей нам познать истинную суть вещей. Иными словами, большинство ученых заняли сторону Бора и Гейзенберга и придерживались мнения о непознаваемости самой сути реальности (чем бы она ни была).

Лишь немногие заинтересовались идеей, которая наверняка привлекла бы внимание Эйнштейна, – локальной теорией скрытых переменных. Такая теория могла бы восстановить реализм квантовой физики, избавив ее от ужасного понятия нелокальности. Но стоило тратить свое время на поиск таких теорий или это было бессмысленно?

Ответ на этот вопрос появился в 1964 году, когда у ирландского физика Джона Белла родилась блестящая идея. Как он писал впоследствии, на нее его натолкнула теория скрытых переменных: «Я увидел, что невозможное возможно. Я прочел это в работах Дэвида Бома».[143] Белл нашел способ экспериментальным путем найти различия между квантовой механикой и локальным действием скрытых переменных и, следовательно, установить, действительно ли традиционный формализм является неполным, как полагали Эйнштейн и его сторонники.

В то время Белл работал в ЦЕРН. Он воспользовался академическим отпуском, предоставленным ему в США, чтобы обдумать эту забытую философскую проблему. Однажды я даже встречался с Беллом лично. Это было в начале 1980-х, когда я только начинал учиться в аспирантуре лондонского Кингз-колледжа. Меня не очень привлекала область исследований, которую предлагал мой научный руководитель, поэтому я решил сменить интересы и переключиться на основания квантовой механики. Я мечтал об этом еще со студенческих лет, после того, как мне в руки попал знаменитый учебник «Фейнмановские лекции по физике». Дело было на конференции в Оксфорде. Я подошел к великому ученому после семинара, посвященного его знаменитому неравенству.

– Доктор Белл, меня зовут Марчело Глейзер, я работаю вместе с Джоном Тейлором над вопросами суперсимметрии.

– Отлично, это прекрасная тема для исследования.

– Да, но на самом деле я уже давно интересуюсь основаниями квантовой теории. Я даже писал Дэвиду Бому и просил его быть научным руководителем моей диссертации, но он сказал, что больше не курирует студентов.

В то время Бом работал в Биркбек-колледже, тоже в Лондоне. При упоминании Бома глаза Белла сверкнули.

– Что ж, ваши интересы делают вам честь, хотя они и редки для людей вашего возраста. Однако я бы порекомендовал вам не писать диссертацию на эту тему.

– Почему же? – спросил я, уже догадываясь, каким будет ответ.

– Сначала нужно поработать с чем-то основательным, с чем-то, что поддерживает научное сообщество. Пока у вас нет прочной репутации в физике, никто не захочет слушать ваших рассуждений о квантовой механике. Да и в этом случае тема останется довольно зыбкой, поверьте мне.

– Хорошо, я понял, – ответил я, пытаясь скрыть разочарование. – Может быть, я вернусь к этому позже.

– Ну я именно так и сделал.

Так завершился мой единственный разговор с Джоном Беллом. Я считаю эту книгу своей первой попыткой победить квантовый призрак и, будем надеяться, предисловием к новым, более техническим публикациям. В конце концов, с момента встречи с Беллом прошло 30 лет. Если и сейчас моя репутация недостаточно прочна, я уже никогда ее не укреплю.

Мы уже знаем, что с помощью своего эксперимента ЭПР исследовали взаимоотношение положения частицы в пространстве и момента, чтобы поставить под сомнение полноту квантовой механики. Бом упростил эту идею, использовав вместо двух свойств спин частицы. Это был умный ход, потому что он делал рассуждение более ясным, а также упрощал измерения. В отличие от положения свободно движущейся частицы в пространстве (свободной переменной, которая может принимать любое значение), спин имеет лишь несколько дискретных значений. Классический волчок, будь то игрушка или планета Земля, обращающаяся вокруг своей оси, может вращаться с любой (угловой) скоростью, в то время как квантовые частицы имеют лишь три возможных варианта: нулевой спин (как у бозона Хиггса), целый спин (как у фотона) или половинное значение квантовой единицы спина (как у электрона или кварка), то есть постоянная Планка h, разделенная на 2π (h / 2π). Изменить спин квантовой частицы невозможно – это ее неотъемлемая характеристика.

Для упрощения давайте обозначим квантовую единицу спина буквой s (s = h / 2π). Электроны, протоны и нейтроны имеют спин s / 2, а спин фотонов равняется s. Спин может быть по-разному ориентирован в пространстве, хотя на его направление можно влиять (например, с помощью магнитного поля). Давайте сфокусируемся на вертикальном направлении спина, перпендикулярном движению частицы, и обозначим его как ось z. Если ориентировать магнитное поле вертикально, электроны (или любые другие частицы со спином, равным s / 2) будут ориентированы в направлении поля или против него (проще говоря, вверх или вниз). Это значительно упрощает дело, потому что теперь мы можем говорить о частицах со спином +s / 2 и – s / 2. Вариантов остается всего два. Чтобы сделать наш эксперимент еще проще, давайте заменим эти значения на +1 и –1.

В своем мысленном эксперименте Белл представил источник, испускающий пару связанных частиц с половинным спином, совокупный спин которых равняется нулю. Соответственно, если одна из них направлена вверх (+1), вторая обязательно будет двигаться вниз (–1). Как и в эксперименте с Элис и Бобом, частицы разлетаются в разных направлениях и проходят сквозь детекторы, определяющие направление их спина. Пускай буквой П будет обозначен детектор справа, а Л – слева, как показано на схеме ниже.

Если все пары электронов и два детектора будут постоянно ориентированы вертикально, у нас получится четкая корреляция. Когда один исследуемый объект направится вверх, второй будет двигаться вниз, и наоборот. Удивительно то, что из нашего обсуждения поляризованных фотонов мы уже знаем: связанная пара действует как одно целое, в котором каждая частица всегда знает, куда направляется другая (разумеется, «знает» – это не самый правильный термин). Так как в квантовой механике частица приобретает определенное свойство только после измерения, электрон Элис окажется направленным вверх, когда она определит его ориентированность. Но как частица Боба узнает об этом так быстро? Как писал Сет Ллойд в своей книге о квантовой информации, эти частицы похожи на двух братьев-близнецов в разных барах: когда один заказывает пиво, другой тут же берет себе виски и когда первый говорит: «Виски», второй моментально произносит: «Пиво».[144]