Дао физики. Исследование параллелей между современной физикой и восточной философией - Фритьоф Капра

Основное свойство электрона, которое нельзя объяснить при помощи классических понятий, — невозможность точно определить направление оси вращения. Электроны могут существовать в разных точках внутри атома, и они склонны вращаться вокруг той или иной оси. Но стоит нам провести измерения, как мы обнаружим, что электрон вращается вокруг оси в одном из двух направлений. Частица приобретает ось вращения в момент измерения, а до этого момента о ней ничего определенного сказать нельзя; электрон имеет только некоторую тенденцию, или вероятность, вращения вокруг этой оси.

Теперь мы можем по-новому рассмотреть эксперимент ЭПР и теорему Белла. В эксперименте участвуют два электрона, вращающиеся в противоположных направлениях, и их суммарный спин равен 0. Есть несколько экспериментальных методик, которые позволяют привести два электрона в состояние, где направления осей неизвестны, но общий спин двух частиц определенно равен 0. Предположим, какие-то процессы, не воздействующие на спин частиц, вызывают их удаление друг от друга. При их расхождении в противоположных направлениях суммарное значение спина остается равным 0, и, когда расстояние между ними достаточно велико, спин каждой из двух частиц измеряется. Помните, что расстояние между частицами может быть произвольно большим: одна может находиться в Нью-Йорке, другая в Париже; одна — на Земле, а другая — на Луне.

Предположим, после измерения спина частицы вокруг вертикальной оси мы обнаружили, что он имеет направление «вверх». Поскольку суммарный спин частиц равен 0, спин второй частицы должен быть направлен «вниз». В рамках измерения спина частицы 1 мы одновременно косвенно измеряем спин частицы 2, не оказывая на нее никакого воздействия. Парадоксальность эксперимента ЭПР в том, что исследователь волен выбирать направление оси для измерения. Квантовая теория утверждает, что спины частиц будут иметь противоположные значения при любой оси вращения, но до момента измерения эти спины существуют только как тенденции или возможности. Стоит наблюдателю выбрать ось и произвести измерения, как обе частицы получают общую ось вращения. Особенно важно то, что мы можем выбрать ось в последний момент, когда расстояние между электронами уже довольно велико. Когда мы измеряем характеристики частицы 1, частица 2, которая, возможно, находится на удалении в несколько тысяч километров, тоже приобретает значение спина по отношению к выбранной оси измерения. Как частица 2 «узнаёт» о том, какую ось мы выбрали? Это происходит так быстро, что она не может получить такую информацию при помощи обычного сигнала.

В этом суть эксперимента ЭПР, и именно здесь Эйнштейн был не согласен с Бором. По его мнению, поскольку никакой сигнал не способен двигаться в пространстве быстрее скорости света, измерение, произведенное по отношению к одному из электронов, не может в то же мгновение сообщить направление вращению второго, находящегося в тысячах километрах от первой частицы. По мнению Бора, система из двух электронов представляет собой неделимое целое, даже если частицы и разделены большим расстоянием. Мы не можем рассматривать ее в терминах самостоятельных ее частей. Хотя электроны далеко друг от друга в пространстве, они связаны мгновенными нелокальными связями. Это не сигналы в понимании Эйнштейна, они выходят за пределы привычных представлений о передаче информации. Теорема Белла подтверждает справедливость идей Бора и доказывает, что взгляды Эйнштейна на физическую реальность как на структуру, состоящую из самостоятельных элементов, разделенных пространством, не совместимы с закономерностями квантовой теории. Она демонстрирует, что Вселенная обладает фундаментальной взаимосвязанностью, взаимозависимостью и неразделимостью. Вот что говорил за много сотен лет до Белла индийский буддист Нагарджуна.

Современная физика стремится объединить две свои основные теории, квантовую и теорию относительности, в рамках единой всеобъемлющей теории субатомных частиц. Создать ее пока не удалось, но есть частные теории и модели, успешно описывающие определенные стороны субатомной реальности. В субатомной физике есть две разновидности квантово-релятивистских теорий, которые применяются в различных областях. Первая из них — группа квантовых теорий поля (см. главу 14), которые описывают электромагнитные и слабые взаимодействия; ко второй принадлежит теория S-матрицы (см. главу 17), успешно описывающая сильные взаимодействия. Главная проблема, которая до сих пор не решена, — задача объединения теории относительности и квантовой теории в рамках квантовой теории гравитации. Шагом к решению этой проблемы, возможно, станут существующие уже сейчас концепции «супергравитации»[288], но пока удовлетворительных вариантов такой теории предложено не было.

Квантовые теории поля, подробно описанные в главе 14, исходят из концепции квантового поля — фундаментальной сущности, которая может существовать в протяженной форме в виде поля, а в непротяженной — в виде частиц[289]. При этом разные типы частиц связаны с различными полями. Эти теории пришли на смену представлениям о частицах как о фундаментальных объектах и заменили его гораздо более тонкой концепцией квантовых полей. Несмотря на это, они используют понятие фундаментальных сущностей и являются поэтому полуклассическими теориями, которые не могут полностью продемонстрировать квантово-релятивистскую природу субатомной материи[290].

Квантовая электродинамика, первая из квантовых теорий поля, обязана своим успехом тому, что электромагнитные взаимодействия очень слабы и позволяют полнее поддерживать классические различия между веществом и силами взаимодействия[291]. То же можно сказать о теориях поля, описывающих слабые взаимодействия. По сути, сходство между электромагнитными и слабыми взаимодействиями только усиливается благодаря появлению новой разновидности квантовой теории поля, получившей название теорий калибровочной инвариантности. Они позволяют рассматривать оба типа взаимодействий в комплексе. В возникшей на их основе объединенной теории поля, получившей название теории Вайнберга — Салама в честь своих создателей, Стивена Вайнберга и Абдуса Салама, два типа взаимодействий остаются самостоятельными, но объединены математически с помощью калибровочной группы и получают общее наименование «электрослабых» взаимодействий.