Идеи с границы познания. Эйнштейн, Гёдель и философия науки - Джим Холт

Можно подумать, что такие запутанные частицы не загадочнее пары однояйцовых близнецов, разъехавшихся в разные города: если видишь в Нью-Йорке близнеца А и он рыжий, точно знаешь, что у близнеца В в Сиднее тоже рыжие волосы. Однако в отличие от цвета волос квантовые свойства остаются неопределенными, пока не подверглись измерению. Когда частица А измерена, смесь вероятностей мгновенно схлопывается в одно определенное состояние, и по всему выходит, что это вынуждает запутанную с ней партнершу частицу В тоже мгновенно перейти из смеси вероятностей в точно определенное соответствующее состояние.

Если квантовая механика верна, то запутанные частицы похожи не на пару однояйцовых близнецов, а на волшебные монетки, которые иногда представляют себе в ходе мысленных экспериментов – хотя их никто никак не подправлял и не утяжелял, они откуда-то знают, что если их бросят, нужно будет упасть одной и той же стороной вверх. Словно бы между запутанными частицами возникает телепатическая связь, дающая им возможность координировать свое поведение мгновенно на любых расстояниях, хотя, согласно теории относительности, все известные методы коммуникации ограничены скоростью света.

Из мысленного эксперимента ЭПР Эйнштейн сделал тот же вывод, что и из своих коробок: такая связь была бы «призрачным действием на расстоянии». Квантовая запутанность не может существовать в реальности. Строго срежиссированное поведение частиц, находящихся на больших расстояниях, должно быть запрограммировано заранее, с самого начала (как у однояйцовых близнецов), а не подчиняться корреллирующей случайности (как у волшебных монеток). А поскольку квантовая теория ничего не говорит о таком программировании, которое физики называют скрытыми переменными, описание мира, которое она дает, неполно.

До этого момента логика ЭПР ясна. Однако статья, которую Эйнштейн, Подольский и Розен опубликовали в 1935 году, на этом не кончается и на последних страницах пытается опровергнуть принцип неопределенности Гейзенберга, согласно которому некоторые пары физических свойств частицы, например, местоположение и импульс, нельзя определить одновременно. (Впоследствии Эйнштейн утверждал, что эта дерзость целиком и полностью на совести юного Подольского, который написал последний раздел статьи ЭПР самостоятельно.) Это настолько все испортило, что у Бора появилась долгожданная возможность поквитаться с Эйнштейном – однако его ответная статья стала шедевром темноты и таинственности. Через десять лет после ее публикации Бор сам признавался, что ему было трудновато понять, что он, собственно, написал. Но большинство физиков так устали от этих «философских», по их мнению, споров и так хотели спокойно заняться своими квантовыми вычислениями, что просто приняли на веру, что Бор выиграл спор с Эйнштейном, который, что называется, уже не тот. По словам Абрахама Пайса, биографа Эйнштейна, его «слава ничуть не померкла бы, а может быть, и засияла ярче, если бы он вместо всего этого увлекся рыбалкой».

Однако впоследствии нашелся физик, который не придерживался общепринятого мнения, и это и был Джон Стюарт Белл (1928–1990). Он был сыном торговца лошадьми из Белфаста и сделал карьеру в прикладной физике – помогал строить первый ускоритель частиц в ЦЕРНе (Европейском центре экспериментальной физики близ Женевы). Но еще он смотрел на концептуальные основы физики глазами философа. По строгости и ясности рассуждений Белл мог потягаться с Эйнштейном. И подобно Эйнштейну, относился к квантовой механике недоверчиво. «Я воздерживался от мысли, что она ошибочна, но знал, что в ней что-то не так», – говорил он. Размышляя о мысленном эксперименте ЭПР, Белл обнаружил способ хитроумно подправить его и провести на самом деле опыт, который окончательно решит вопрос о квантовой механике и локальности. Доказательство, что такое возможно – теперь это знаменитая «теорема Белла», – он опубликовал в 1964 году. Что самое поразительное, это всего пара страниц алгебраических выкладок, понятных даже старшекласснику.

Суть идеи Белла такова: если мы хотим заставить запутанные частицы проявить свою нелокальную связь (при условии, что она существует, само собой), надо подвергнуть их более деликатному допросу. А это, по мысли Белла, можно сделать, если измерить спин частиц под разными углами. Особенности квантового спина таковы, что каждое измерение – это словно заданный частице вопрос, на который можно ответить только «да» или «нет». Если задать двум разделенным, но запутанным частицам один и тот же вопрос, то есть если измерить их спины под одним и тем же углом, они с гарантией дадут один и тот же ответ – два «да» или два «нет». В таком согласии нет ничего волшебного – возможно, пара частиц, родившихся вместе, просто так запрограммирована.

Но если задать запутанным частицам разные вопросы, то есть если измерить спин каждой из них под своим углом, квантовая механика предсказывает точную статистическую закономерность совпадений и несовпадений ответов «да» и «нет». Белл доказал, что если правильно подобрать комбинацию вопросов, предсказанная квантовой механикой закономерность будет бесспорно нелокальной. Никакое предварительное программирование, никакие «скрытые переменные» в том виде, в каком их представлял себе Эйнштейн, этого не объяснят. Согласно Беллу, такая надежная корреляция может лишь означать, что разлученные частицы координируют свое поведение неизвестным науке образом: каждая «знает» не только какой вопрос задали ее далекому близнецу, но и как тот на него ответил.

Вот что сделал Белл. Сначала он придумал эксперимент, в ходе которого будет проделан определенный набор измерений пары разделенных, но запутанных частиц. Затем он привел безупречное математическое доказательство, что если статистическая закономерность, возникающая из этих измерений, соответствует предсказаниям квантовой механики, то с логической точки зрения выхода нет – это призрачное действие.

Чтобы уладить разногласия Эйнштейна с квантовой механикой, оставалось лишь проделать эксперимент по плану Белла и посмотреть, возникает ли такая статистическая закономерность. Поначалу для этого не было технических возможностей, но к началу семидесятых физики приступили к лабораторной проверке идеи Белла. Эксперименты с измерением свойств пар запутанных фотонов неизменно выявляли именно ту статистическую закономерность, которую рассчитал Белл. Вердикт: призрачное действие реально[26].

Так что же, Эйнштейн заблуждался? Было бы честнее (пусть и несколько мелодраматичнее) сказать, что его подвела природа, которая, нарушив принцип локальности, оказалась не такой логичной, как он думал. Однако Эйнштейн заглянул в квантовую механику глубже Бора и других поборников квантовой ортодоксальности. (Как-то раз Эйнштейн заметил, что раздумывал о квантовой механике в сто раз больше, чем о собственной теории относительности.) Он понимал, что нелокальность – неотъемлемая и очень неприятная черта новой теории, а не просто математическая фикция, какой ее, похоже, считали Бор и его последователи.

Давайте остановимся и вдумаемся, какая она на самом деле странная, эта квантовая связь между частицами. Во-первых, она не слабеет с