Шесть невозможностей. Загадки квантового мира - Джон Гриббин

На самом деле это не такая уж большая загадка. Во-первых, я уже упоминал, что Бор при помощи и содействии Вольфганга Паули облил эту идею презрением и раздавил теорию де Бройля скорее силой своей личности и весомостью научной репутации, чем убедительностью аргументов. Но репутация – еще не все. Второй причиной, по которой идея де Бройля вместе с другими теориями со скрытыми переменными была втоптана в грязь, стало ошибочное «доказательство» фон Неймана, согласно которому подобные теории невозможны. Де Бройль отказался от попыток продвинуть свою идею, и она была прочно забыта физиками. Когда американец Дэвид Бом в начале 1950-х гг. выдвинул аналогичную идею, он ничего не знал о своем предшественнике. Поначалу это привело к напряженности в отношениях между ним и де Бройлем, обидевшимся на то, что его не упомянули, однако позже все сгладилось, и теперь идею волны-пилота часто называют интерпретацией де Бройля – Бома.

Сегодня особенно интересно, как Бом пришел к своему варианту волны-пилота. Будучи молодым исследователем, Бом написал учебник по квантовой физике, который вышел в начале 1951 г. В нем так хорошо излагалась копенгагенская интерпретация, что учебник одобрил даже Паули, известный суровой критикой всех, кого он считал в интеллектуальном отношении ниже себя (то есть всех вообще). Эйнштейн также признал, что Бом как нельзя лучше объяснил КИ, но он связался с Бомом и подчеркнул, что, по его мнению, копенгагенская интерпретация ошибочна. Бом решил посмотреть, нет ли другого способа объяснить происходящее в квантовом мире, и вскоре обнаружил, что такой способ есть. Его модель волны-пилота была математически эквивалентна копенгагенской интерпретации и давала те же ответы на квантовые вопросы. В основном это была та же модель, что у де Бройля, но Бом продвинулся чуть дальше в описании взаимодействия между квантовым и классическим миром. Однако его теория основывалась на скрытых переменных, а ведь фон Нейман сказал, что это невозможно. Не в последнюю очередь именно по этой причине (а также, по крайней мере в США, потому, что во время маккартистской «охоты на ведьм» Бома заклеймили как сочувствующего коммунистам) многие физики не принимали Бома всерьез. Если фон Нейман сказал, что это невозможно, значит, где-то в модели Бома непременно должна быть ошибка. Имелось, однако, одно очень существенное исключение.

В 1952 г. Джон Белл работал в британском Исследовательском центре атомной энергии в Малверне, в Вустершире. Как одному из лучших молодых ученых, ему предоставили годовой творческий отпуск для проведения исследований. Белл отправился в Бирмингемский университет, где занялся исследованиями квантовой теории и узнал об идее волны-пилота Бома. У Белла сразу же сложилось мнение, отличное от мнения большинства физиков. Если идея Бома работает, а фон Нейман утверждал, что такие идеи невозможны, из этого должно следовать, что ошибся именно фон Нейман. К сожалению, в то время книга фон Неймана была опубликована только на немецком языке, которым Белл не владел. Он вернулся к основной работе по проектированию ускорителей частиц, а в 1960 г. перешел в ЦЕРН. В 1963 г., когда книга фон Неймана была издана на английском, Белл нашел у автора ошибку и изложил свои выводы во время творческого отпуска в США.

Дэвид Бом

Legion-Media

Белл предложил также собственный вариант теории со скрытыми переменными в качестве дополнительного доказательства ошибки фон Неймана. Но, как я уже упоминал, он показал, что все теории скрытых переменных, включая теорию волны-пилота, нелокальны. В одной из статей, вышедших во время его поездки в США, Белл писал: «Именно требование локальности или, точнее, требование того, чтобы результат измерений одной системы не зависел от операций над некой другой отдаленной системой, с которой первая система взаимодействовала в прошлом, порождает главную трудность» в таких вопросах, как загадка ЭПР (или, скажем, мой пример с котятами в космосе, где, согласно теории де Бройля – Бома, электрон всегда находится в одной половине ящичка и никакой суперпозиции нет). В интерпретации с волной-пилотом явно требуется, чтобы в любой момент такие свойства, как скорость одной частицы или то, как она меняет направление движения, зависели от свойств в этот же самый момент всех остальных частиц, с которыми эта частица взаимодействовала ранее.

Я никогда не встречал такое сравнение у других, но мне лично это напоминает так называемый принцип Маха. Физик Эрнст Мах, оказавший немалое влияние на Эйнштейна, привлек общее внимание к загадке, которая беспокоила ученых по крайней мере со времен Ньютона. Эта загадка связана с инерцией. Если толкнуть что-нибудь, это что-нибудь сопротивляется попытке привести его в движение. Я говорю не о трении, поскольку речь идет о воображаемой ситуации, когда объект свободно плавает в пространстве. Он будет оставаться в покое или продолжит двигаться по прямой (первым на такую возможность указал Роберт Гук), пока его не толкнут. При толчке объект изменит свою скорость, направление движения или то и другое вместе. Но откуда он знает, что меняет направление движения или скорость? По отношению к чему измеряется изменение? Не нужно слишком много наблюдать и размышлять, чтобы заметить, что инерция представляет собой сопротивление изменению движения по отношению ко Вселенной в целом.

Чтобы увидеть эту загадку во всей красе, не нужно в мыслях переноситься в космос. Еще Исаак Ньютон в своей великой книге «Начала…»[10] описал эксперимент с ведром, который вы можете проделать у себя дома. Ньютон подвесил за ручку ведро с водой на длинной веревке, хорошенько закрутил веревку и отпустил. Ведро начало раскручиваться, но поначалу уровень воды в нем остался прежним. То, что ведро двигалось по отношению к воде, никак не сказывалось на ее поведении. Затем, когда вода «подхватила» вращение, ее уровень немного понизился в центре ведра, образовав вогнутую поверхность. Ньютон схватил ведро за бока, оно перестало раскручиваться, но вода внутри еще некоторое время продолжала двигаться, и ее поверхность оставалась вогнутой, постепенно уплощаясь по мере замедления вращения. Форма поверхности воды зависела от того, как она двигалась относительно некоторой загадочной неподвижной системы отсчета, и не имела никакого отношения к тому, как вода двигалась относительно ведра. В наши дни эта система отсчета определяется как среднее распределение масс во Вселенной. Чтобы увидеть влияние Вселенной на локальные объекты, не нужно даже ведро – достаточно понаблюдать за поверхностью чая или кофе в чашке, когда вы размешиваете в ней сахар!

Так что именно среднее распределение масс во Вселенной образует систему отсчета, по которой измеряются подобные изменения. Каким-то образом «локальный» объект испытывает на себе влияние всего, что находится «вовне» его. Принцип Маха гласит, что инерция частицы обусловлена некоторым взаимодействием этой частицы со всеми остальными объектами во Вселенной. Но что это за взаимодействие, долгое время оставалось загадкой. Не исключено, что ее решение – это интерпретация с волной-пилотом плюс нелокальность.