Страница:
Концепция спина была введена в физику в 1925 году американскими учеными Дж. Уленбеком и С. Гаудсмитом, предположившими на основе анализа спектроскопических данных, что электрон можно рассматривать как «вращающийся волчок» с собственным механическим моментом и собственным (спиновым) магнитным моментом (2). Кроме массы и заряда элементарная частица приобрела еще одну важнейшую характеристику – спин. Спин измеряется в единицах постоянной Планка и характеризуется спиновым квантовым числом, которое для определенных групп элементарных частиц принимает целочисленные или полуцелые значения. Например, спин электрона, протона, мюона, нейтрино и гипотетических кварков равен 1/2; спин пи– и К‑мезонов равен 0; спин фотона равен 1.
В науке появились серьезные основания предполагать существование специфических взаимодействий и соответствующих им полевых форм, порожденных классическим спином и угловым моментом вращения. Причем экспериментальные данные показывают, что эти взаимодействия принципиально отличаются от известных фундаментальных взаимодействий: сильное, слабое, гравитационное и электромагнитное.
Интересные результаты, связанные с дальнодействием сил, порожденных телами, обладающими собственным моментом вращения, получены, например, в теоретической астрофизике: сформулированы гипотезы о возможных эффектах, связанных с моментами вращения таких объектов, как звезды, галактики и черные дыры. В частности, советский астрофизик Н. А. Козырев, исследуя поле, характеризующее поток времени, источником которого являются звезды – объекты с большим моментом вращения, по существу, исследовал спиновые поля. Его работы позволили предположить, что воздействие от объектов, обладающих моментом вращения, распространяется со скоростью неизмеримо большей, чем скорость света. Анализ выполнялся на базе таких параметров, как масса, заряд и момент вращения.
Человек как часть измерительной системы. Если прибор искажает то, что измеряет, то квантовая теория справедливо выдвигает требование к эксперименту: наблюдаемая система должна быть свободна от внешних воздействий, вызванных процессом наблюдения, на протяжении определенного периода времени между подготовкой и последующим измерением. Это возможно только в том случае, если подготавливающие и измеряющие приспособления находятся на большом физическом удалении друг от друга. Насколько большим должно быть пространство между приборами и объектом? В принципе, оно должно быть бесконечно большим. Только в этом случае исследуемая частица будет представлять собой самостоятельную физическую единицу.
На практике это невозможно, да и не нужно. Здесь нам следует не забывать об основном принципе современной науки – принципе относительности всех понятий и теорий. В данном случае это означает, что понятие самостоятельной физической единицы не обязательно должно быть четко определено: достаточно приблизительного определения. Это делается следующим образом. Наблюдаемый объект (частицу) представляют не самостоятельной единицей, а воплощением взаимодействия между процессами подготовки и измерения, некой промежуточной системой между ними. В этом случае вся макроскопическая система образует единое целое и понятие изолированного объекта утрачивает смысл.
Благодаря этому измерительные приборы и сами ученые представляют собой единую комплексную систему, которая не делится на самостоятельные, четко определенные части. Причем человек-наблюдатель необходим не только для того, чтобы наблюдать свойства объекта, но и для того, чтобы дать определение самим этим свойствам. Дело в том, что в атомной физике мы не можем говорить о свойствах объекта как таковых. Они имеют значение только в контексте взаимодействия объекта с наблюдателем. Наблюдатель решает, каким образом он будет осуществлять измерения, и в зависимости от своего решения получает характеристику свойства наблюдаемого объекта. Если эксперимент проводится по-другому, то свойства наблюдаемого объекта тоже изменяются.
Итак, на уровне атома «объекты» могут быть поняты только в терминах взаимодействия между процессами подготовки и наблюдения. Конечным звеном цепочки всегда будет человеческое сознание. Измерения – это такие взаимодействия, которые порождают определенные «ощущения» в нашем сознании, например зрительное ощущение вспышки света или темного пятнышка на фотографической пластинке, а законы атомной физики говорят нам, с какой вероятностью атомный объект будет порождать определенное ощущение, если мы позволим ему взаимодействовать с нами. «Естественные науки, – говорит Гейзенберг, – не просто описывают и объясняют явления природы; это часть нашего взаимодействия с природой».
Следовательно, в атомной физике ученый не может играть роль стороннего наблюдателя, он обречен быть частью наблюдаемого им мира до такой степени, что он сам воздействует на свойства наблюдаемых объектов. Ученик Эйнштейна, известный теоретик Джон Уиллер, считая активное участие наблюдателя самой важной особенностью квантовой теории, предложил заменить слово «наблюдатель» словом «участник». По словам самого Уиллера:
А физик Э. Уолкер в своей книге «Физика сознания. Квантовый разум и значение жизни» пишет: «Мы открыли, что наблюдатель – доступный инструмент реальности, и мы соприкоснулись со своей собственной природой… Мы обнаружили постоянно действующее там сознание, смотрящее на нас как на актеров на сцене реальности и играющее роль писателя, пишущего пьесу, в которой мы играем» (18).
Делимы ли субатомные частицы? Но вот ученые, разогнав поток элементарных частиц, направили их в пузырьковую камеру. Эксперимент проведен. И что же? При столкновении двух частиц с высокой энергией они разбиваются на части, но эти части представляют собой частицы такого же типа и таких же размеров. Оказывается, эти частицы тут же возникают из кинетической энергии, задействованной в процессе столкновения. И сколько бы мы ни делили частицы, нам не удастся получить кусочек протона или нейтрона, то есть более мелких частей, так как частицы просто возникают из используемой нами энергии. Получается, что субатомные частицы одновременно делимы и неделимы!
Создание и уничтожение материальных частиц – одно из самых впечатляющих явлений эквивалентности энергии и массы. В процессе столкновений, использующихся в физике высоких энергий, масса уже не сохраняется. Сталкивающиеся частицы могут быть уничтожены, а энергия, заключенная в их массах, может преобразоваться частично в кинетическую энергию других участников столкновения, а частично – в массы новых частиц. Например, два протона могут после столкновения разлететься на множество «осколков», но среди них никогда не будет «кусочков протона». Эти «осколки» всегда будут представлять собой целые элементарные частицы, образующиеся из кинетических энергий и масс сталкивающихся протонов (4). Поэтому распад на «составляющие» носит не очень очевидный характер и зависит от количества энергии, принимающей участие в процессе.
С точки зрения классической механики это парадокс. Но при релятивистском подходе частицы воспринимаются как динамические паттерны или процессы, в которых задействовано некоторое количество энергии, заключенной в их массе. В процессе столкновения энергия двух частиц перераспределяется и образует новый паттерн, а если кинетическая энергия столкновения достаточно велика, то новый паттерн может включать дополнительные частицы, которых не было в исходных частицах.
Поскольку квантовая теория описывает наблюдаемые системы в терминах вероятности, мы никогда не можем с точностью утверждать, где будет находиться в наблюдаемый момент субатомная частица, как будет происходить тот или иной атомный процесс. Не можем сказать, когда неустойчивые частицы распадутся и каким «способом». Не можем предугадать, какие именно частицы образуются в результате распада исходной частицы. В области физики высоких энергий фиксируются и подвергаются анализу десятки тысяч столкновений частиц, прежде чем удается определить вероятность какого-либо процесса. И только с некоторой вероятностью ученые могут предсказать распад частицы через определенное время, указав среднюю продолжительность существования большей части частиц такой разновидности, и могут приближенно определить, что из некоторого большого количества частиц, скажем, процентов шестьдесят распадутся одним способом, еще тридцать – другим и, наконец, еще десять процентов – третьим.
Частицы – силы. Теория относительности радикальным образом изменила наши представления не только о частицах, но и о силах взаимного притяжения и отталкивания частиц. Оказывается, при релятивистском подходе частицы взаимодействуют при помощи сил, способных преобразовываться в такие же частицы. Иными словами, релятивистский подход объединяет два понятия – силы и вещества (1). И если со времен греческих атомистов эти понятия считались абсолютно самостоятельными, то сегодня ядерная физика считает, что все силы одновременно являются частицами. То, что силы проявляются в форме частиц, масса которых определяет радиус действия силы, еще одно свидетельство в пользу того, что субатомную действительность невозможно разделить на составные части.
Начиная от нашего макроскопического окружения и заканчивая уровнем ядра, силы притяжения относительно слабы, поэтому можно сделать обобщение, сказав, что вещи состоят из частей. Так, крупинка соли состоит из молекул, молекулы соли – из двух разновидностей атомов, атомы – из ядер и электронов. Однако на уровне элементарных частиц такой взгляд на вещи уже недопустим. Но все эти элементарные частицы входят в атомы, молекулы, крупинки и т. д.
Это обусловлено четырехмерной пространственно-временной сущностью субатомной действительности. Субатомные частицы не есть неподвижные трехмерные объекты, похожие на бильярдные шары; это динамические структуры, каждая из которых имеет пространственный и временной аспекты. Пространственный аспект придает им характеристики объектов, обладающих некоторой массой, а временной аспект – характеристики процессов, в которых существует количество энергии, равное их массе.
В последнее время появилось много свидетельств в пользу того, что протоны и нейтроны также могут быть разложены на составные части. Так как скорости их компонентов весьма высоки, то по отношению к этим частицам также необходимо применить релятивистский подход. Поскольку все силы являются одновременно частицами, то полностью стирается различие между частицами – компонентами нейтрона (или протона) и частицами, проявляющимися в форме сил притяжения. Это еще раз подтверждает, что мир частиц нельзя разложить на элементарные составляющие.
Эксперименты последних десятилетий раскрыли динамическую сущность мира частиц. Любая частица может быть преобразована в другую; энергия может превращаться в частицы, и наоборот. В этом мире бессмысленны такие понятия классической физики, как «элементарная частица», «материальная субстанция» и «изолированный объект». Свойства частицы могут быть поняты только при рассмотрении ее взаимодействия с окружающей средой, и частицы следует рассматривать не как самостоятельные единицы, а как неотделимые части целого. Английский физик Стапп пишет: «Любая элементарная частица – это не независимая неразложимая на части единица. В сущности, это набор отношений, связывающих частицу с внешним миром».
Таким образом, согласно представлениям современной физики, Вселенная – это динамическое неделимое целое, включающее и наблюдателя. Благодаря такому подходу измерительные приборы и сами ученые представляют собой единую комплексную систему, которая не делится на самостоятельные, четко определенные части. Квантовая теория свидетельствует о принципиальном единстве Вселенной. Она показывает, что нельзя разложить мир на независящие друг от друга мельчайшие составляющие.
Вывод о неделимой Вселенной приобретает особый колорит после знакомства с еще одним уникальным парадоксом квантовой механики – с нелокальностью.
Нелокальность
В науке появились серьезные основания предполагать существование специфических взаимодействий и соответствующих им полевых форм, порожденных классическим спином и угловым моментом вращения. Причем экспериментальные данные показывают, что эти взаимодействия принципиально отличаются от известных фундаментальных взаимодействий: сильное, слабое, гравитационное и электромагнитное.
Интересные результаты, связанные с дальнодействием сил, порожденных телами, обладающими собственным моментом вращения, получены, например, в теоретической астрофизике: сформулированы гипотезы о возможных эффектах, связанных с моментами вращения таких объектов, как звезды, галактики и черные дыры. В частности, советский астрофизик Н. А. Козырев, исследуя поле, характеризующее поток времени, источником которого являются звезды – объекты с большим моментом вращения, по существу, исследовал спиновые поля. Его работы позволили предположить, что воздействие от объектов, обладающих моментом вращения, распространяется со скоростью неизмеримо большей, чем скорость света. Анализ выполнялся на базе таких параметров, как масса, заряд и момент вращения.
Человек как часть измерительной системы. Если прибор искажает то, что измеряет, то квантовая теория справедливо выдвигает требование к эксперименту: наблюдаемая система должна быть свободна от внешних воздействий, вызванных процессом наблюдения, на протяжении определенного периода времени между подготовкой и последующим измерением. Это возможно только в том случае, если подготавливающие и измеряющие приспособления находятся на большом физическом удалении друг от друга. Насколько большим должно быть пространство между приборами и объектом? В принципе, оно должно быть бесконечно большим. Только в этом случае исследуемая частица будет представлять собой самостоятельную физическую единицу.
На практике это невозможно, да и не нужно. Здесь нам следует не забывать об основном принципе современной науки – принципе относительности всех понятий и теорий. В данном случае это означает, что понятие самостоятельной физической единицы не обязательно должно быть четко определено: достаточно приблизительного определения. Это делается следующим образом. Наблюдаемый объект (частицу) представляют не самостоятельной единицей, а воплощением взаимодействия между процессами подготовки и измерения, некой промежуточной системой между ними. В этом случае вся макроскопическая система образует единое целое и понятие изолированного объекта утрачивает смысл.
Благодаря этому измерительные приборы и сами ученые представляют собой единую комплексную систему, которая не делится на самостоятельные, четко определенные части. Причем человек-наблюдатель необходим не только для того, чтобы наблюдать свойства объекта, но и для того, чтобы дать определение самим этим свойствам. Дело в том, что в атомной физике мы не можем говорить о свойствах объекта как таковых. Они имеют значение только в контексте взаимодействия объекта с наблюдателем. Наблюдатель решает, каким образом он будет осуществлять измерения, и в зависимости от своего решения получает характеристику свойства наблюдаемого объекта. Если эксперимент проводится по-другому, то свойства наблюдаемого объекта тоже изменяются.
Итак, на уровне атома «объекты» могут быть поняты только в терминах взаимодействия между процессами подготовки и наблюдения. Конечным звеном цепочки всегда будет человеческое сознание. Измерения – это такие взаимодействия, которые порождают определенные «ощущения» в нашем сознании, например зрительное ощущение вспышки света или темного пятнышка на фотографической пластинке, а законы атомной физики говорят нам, с какой вероятностью атомный объект будет порождать определенное ощущение, если мы позволим ему взаимодействовать с нами. «Естественные науки, – говорит Гейзенберг, – не просто описывают и объясняют явления природы; это часть нашего взаимодействия с природой».
Следовательно, в атомной физике ученый не может играть роль стороннего наблюдателя, он обречен быть частью наблюдаемого им мира до такой степени, что он сам воздействует на свойства наблюдаемых объектов. Ученик Эйнштейна, известный теоретик Джон Уиллер, считая активное участие наблюдателя самой важной особенностью квантовой теории, предложил заменить слово «наблюдатель» словом «участник». По словам самого Уиллера:
Самое важное в квантовом принципе – это то, что он разрушает представление о мире, «бытующем вовне», когда наблюдатель отделен от своего объекта плоским стеклянным экраном толщиной в двадцать сантиметров. Даже для того, чтобы наблюдать такой крошечный объект, как электрон, приходится разбить стекло. Наблюдатель должен забраться под стекло сам, разместить там свои измерительные приборы. Он должен сам решить, что измерять – импульс или местонахождение. Если ввести туда оборудование, способное измерить одну из этих величин, это исключит возможность размещения аппаратуры, способной измерить другую. Более того, в процессе измерения изменяется состояние самого электрона. После этого Вселенная никогда не станет такой, какой она была раньше. Для того чтобы описать то, что происходит, нужно зачеркнуть слово «наблюдатель» и написать «участник». В каком-то непредвиденном смысле наша Вселенная – это участвующая Вселенная (13).Лауреат Нобелевской премии по физике Брайан Джозефсон как-то заметил, что в упорных поисках странных новых частиц физики, возможно, создают свою собственную реальность. Например, конкретная частица, названная аномалоном, обладает свойствами, меняющимися от лаборатории к лаборатории. Предполагают, что свойства этой частицы зависят от того, кто находит и создает ее (17).
А физик Э. Уолкер в своей книге «Физика сознания. Квантовый разум и значение жизни» пишет: «Мы открыли, что наблюдатель – доступный инструмент реальности, и мы соприкоснулись со своей собственной природой… Мы обнаружили постоянно действующее там сознание, смотрящее на нас как на актеров на сцене реальности и играющее роль писателя, пишущего пьесу, в которой мы играем» (18).
Делимы ли субатомные частицы? Но вот ученые, разогнав поток элементарных частиц, направили их в пузырьковую камеру. Эксперимент проведен. И что же? При столкновении двух частиц с высокой энергией они разбиваются на части, но эти части представляют собой частицы такого же типа и таких же размеров. Оказывается, эти частицы тут же возникают из кинетической энергии, задействованной в процессе столкновения. И сколько бы мы ни делили частицы, нам не удастся получить кусочек протона или нейтрона, то есть более мелких частей, так как частицы просто возникают из используемой нами энергии. Получается, что субатомные частицы одновременно делимы и неделимы!
Создание и уничтожение материальных частиц – одно из самых впечатляющих явлений эквивалентности энергии и массы. В процессе столкновений, использующихся в физике высоких энергий, масса уже не сохраняется. Сталкивающиеся частицы могут быть уничтожены, а энергия, заключенная в их массах, может преобразоваться частично в кинетическую энергию других участников столкновения, а частично – в массы новых частиц. Например, два протона могут после столкновения разлететься на множество «осколков», но среди них никогда не будет «кусочков протона». Эти «осколки» всегда будут представлять собой целые элементарные частицы, образующиеся из кинетических энергий и масс сталкивающихся протонов (4). Поэтому распад на «составляющие» носит не очень очевидный характер и зависит от количества энергии, принимающей участие в процессе.
С точки зрения классической механики это парадокс. Но при релятивистском подходе частицы воспринимаются как динамические паттерны или процессы, в которых задействовано некоторое количество энергии, заключенной в их массе. В процессе столкновения энергия двух частиц перераспределяется и образует новый паттерн, а если кинетическая энергия столкновения достаточно велика, то новый паттерн может включать дополнительные частицы, которых не было в исходных частицах.
Поскольку квантовая теория описывает наблюдаемые системы в терминах вероятности, мы никогда не можем с точностью утверждать, где будет находиться в наблюдаемый момент субатомная частица, как будет происходить тот или иной атомный процесс. Не можем сказать, когда неустойчивые частицы распадутся и каким «способом». Не можем предугадать, какие именно частицы образуются в результате распада исходной частицы. В области физики высоких энергий фиксируются и подвергаются анализу десятки тысяч столкновений частиц, прежде чем удается определить вероятность какого-либо процесса. И только с некоторой вероятностью ученые могут предсказать распад частицы через определенное время, указав среднюю продолжительность существования большей части частиц такой разновидности, и могут приближенно определить, что из некоторого большого количества частиц, скажем, процентов шестьдесят распадутся одним способом, еще тридцать – другим и, наконец, еще десять процентов – третьим.
Частицы – силы. Теория относительности радикальным образом изменила наши представления не только о частицах, но и о силах взаимного притяжения и отталкивания частиц. Оказывается, при релятивистском подходе частицы взаимодействуют при помощи сил, способных преобразовываться в такие же частицы. Иными словами, релятивистский подход объединяет два понятия – силы и вещества (1). И если со времен греческих атомистов эти понятия считались абсолютно самостоятельными, то сегодня ядерная физика считает, что все силы одновременно являются частицами. То, что силы проявляются в форме частиц, масса которых определяет радиус действия силы, еще одно свидетельство в пользу того, что субатомную действительность невозможно разделить на составные части.
Начиная от нашего макроскопического окружения и заканчивая уровнем ядра, силы притяжения относительно слабы, поэтому можно сделать обобщение, сказав, что вещи состоят из частей. Так, крупинка соли состоит из молекул, молекулы соли – из двух разновидностей атомов, атомы – из ядер и электронов. Однако на уровне элементарных частиц такой взгляд на вещи уже недопустим. Но все эти элементарные частицы входят в атомы, молекулы, крупинки и т. д.
Это обусловлено четырехмерной пространственно-временной сущностью субатомной действительности. Субатомные частицы не есть неподвижные трехмерные объекты, похожие на бильярдные шары; это динамические структуры, каждая из которых имеет пространственный и временной аспекты. Пространственный аспект придает им характеристики объектов, обладающих некоторой массой, а временной аспект – характеристики процессов, в которых существует количество энергии, равное их массе.
В последнее время появилось много свидетельств в пользу того, что протоны и нейтроны также могут быть разложены на составные части. Так как скорости их компонентов весьма высоки, то по отношению к этим частицам также необходимо применить релятивистский подход. Поскольку все силы являются одновременно частицами, то полностью стирается различие между частицами – компонентами нейтрона (или протона) и частицами, проявляющимися в форме сил притяжения. Это еще раз подтверждает, что мир частиц нельзя разложить на элементарные составляющие.
Эксперименты последних десятилетий раскрыли динамическую сущность мира частиц. Любая частица может быть преобразована в другую; энергия может превращаться в частицы, и наоборот. В этом мире бессмысленны такие понятия классической физики, как «элементарная частица», «материальная субстанция» и «изолированный объект». Свойства частицы могут быть поняты только при рассмотрении ее взаимодействия с окружающей средой, и частицы следует рассматривать не как самостоятельные единицы, а как неотделимые части целого. Английский физик Стапп пишет: «Любая элементарная частица – это не независимая неразложимая на части единица. В сущности, это набор отношений, связывающих частицу с внешним миром».
Таким образом, согласно представлениям современной физики, Вселенная – это динамическое неделимое целое, включающее и наблюдателя. Благодаря такому подходу измерительные приборы и сами ученые представляют собой единую комплексную систему, которая не делится на самостоятельные, четко определенные части. Квантовая теория свидетельствует о принципиальном единстве Вселенной. Она показывает, что нельзя разложить мир на независящие друг от друга мельчайшие составляющие.
Вывод о неделимой Вселенной приобретает особый колорит после знакомства с еще одним уникальным парадоксом квантовой механики – с нелокальностью.
Нелокальность
Прежде чем начать разговор о нелокальности, вспомним сначала, что значит «локальное взаимодействие» (лат. localis – местный). Физический энциклопедический словарь дает такое понятие: «Локальное взаимодействие – это механизм взаимодействия между полями, при котором поведение одного поля v в точке пространства – времени х определяется значением другого поля u в той же точке» (4). Примером локального взаимодействия может служить, например, электродинамика, в которой поведение электрона в точке х определяется потенциалом электромагнитного поля в той же точке.
Можно привести более простой пример с бильярдным шаром. Если лежащий на бильярдном столе шар приходит в движение, причина находится в механике (удар другого шара), полях (воздействие электромагнитного поля толкает шар в определенном направлении) или геометрии (стол наклонен). Но без причины шар двигаться не будет. Эти местные (локальные) причины воздействия в приведенных случаях называются локальными параметрами.
Вообще в классической физике понятие «вероятность» используется в тех случаях, когда неизвестны характеристики какого-то процесса или явления. Иными словами, вероятность – это выражение нашего незнания тех явлений, которые будут открыты позднее. Вероятные локальные параметры (которые пока еще нам неизвестны) в фундаментальной физике представляют связи между пространственно удаленными друг от друга объектами, которые осуществляются посредством каких-либо сигналов, передаваемых со скоростями, не превышающими скорость света.
В субатомной физике тоже существуют локальные переменные, которые представляют собой связи между пространственно удаленными друг от друга объектами. Эти локальные связи реализуются посредством сигналов-частиц или их последовательностей – каскадов и также подчиняются законам пространственного удаления, которые не позволяют никаким сигналам перемещаться быстрее скорости света.
Однако в последнее время было обнаружено, что за локальными связями существуют некие нелокальные связи, которые характеризуются мгновенностью установления и пока не могут предсказываться при помощи языка точной математики.
Представьте себе ситуацию, при которой бильярдный шар, лежащий на одном конце стола, внезапно повернулся по часовой стрелке. В то же самое мгновение второй бильярдный шар, лежащий на другом конце стола, повернулся против часовой стрелки. Вот такой наблюдаемый эффект в квантовом мире называется нелокальным.
Словом, нелокальность – это наличие таких областей в пространстве и времени, в которых не действуют известные нам физические законы. Наличие нелокальности в квантовом мире предполагает мгновенное действие на расстоянии, то есть распространяющееся с бесконечно большой скоростью.
Сам Эйнштейн долго не мог признать существование нелокальных связей и вытекающее из этого факта фундаментальное значение вероятности. Особенно он возражал против той гипотезы Бора, согласно которой свойства частиц отсутствуют, пока они ненаблюдаемы, так как в сочетании с другими открытиями квантовой физики это как раз и означает, что элементарные частицы взаимосвязаны самым невероятным образом.
С таким предположением Эйнштейн был категорически не согласен. Именно этой проблеме был посвящен его исторический спор с Бором в 1920-е годы, во время которого Эйнштейн выразил свое несогласие с тем, как Бор интерпретирует квантовую теорию при помощи знаменитого афоризма: «Бог не играет в кости» (19). Согласиться с Бором Эйнштейну мешала его непоколебимая вера в существование локальных скрытых переменных, которых наука пока не знает.
ЭПР-парадокс. В 1935 году Эйнштейн со своими коллегами Борисом Подольским и Натаном Розеном опубликовал ставшую впоследствии знаменитой статью под названием «Может ли квантово-механическое описание физической реальности считаться законченным?». Стремясь объяснить, в чем состоит ошибка Бора, признающего нелокальное взаимодействие, они использовали весьма убедительный, как им казалось, аргумент – ничто (никакие сигналы) не может двигаться быстрее скорости света, тем более двигаться мгновенно, поскольку это приведет к разрушению барьера времени и откроет дверь различного рода неприемлемым парадоксам (3). В то время когда Эйнштейн и его коллеги выдвинули свой пример о паре частиц, по техническим и другим причинам постановка такого эксперимента была затруднена. Этот эксперимент так и остался в воображении. Позднее, когда существование нелокальных связей было доказано многочисленными экспериментами, аргументация этих ученых получила название «парадокс Эйнштейна – Подольского – Розена» (или ЭПР-парадокс).
После выхода статьи Эйнштейна Бор остался невозмутим. Вместо того чтобы допустить скорость связи фотонов, превышающую скорость света, он предложил другое объяснение. Если элементарные частицы не существуют, пока не наблюдаются, тогда никто не может представлять их в виде независимо существующих «объектов». То есть Эйнштейн, по мнению Бора, основывал свое возражение на ошибочном предположении о независимом существовании пары частиц. На самом деле они были частью неделимой системы, и было бы немыслимо думать о них по-другому.
Со временем большинство физиков приняло сторону Бора и согласилось, что его подход верен. Триумфу Бора способствовали также успешные предсказания его теории относительно поведения частиц, поэтому физики поддержали его версию. Хотя Бор привел свой аргумент для того, чтобы противостоять атаке Эйнштейна на квантовую механику, как мы позже увидим, взгляды Бора на неделимость внутриатомных систем оказали большое влияние при постижении природы реальности.
В результате спора Эйнштейну пришлось признать, что квантовая теория в трактовке Бора и Гейзенберга представляет собой последовательную систему научных взглядов, однако его не покидала мысль о том, что рано или поздно науке удастся найти детерминистское описание всех доселе необъяснимых явлений в терминах локальных скрытых переменных.
Теорема Белла. В 1952 году доктор Джон Стюарт Белл, теоретик из CERN – Центра ядерных исследований, расположенного близ Женевы в Швейцарии, познакомился со статьей известного физика Д. Бома, которая произвела на него огромное впечатление. В статье Бом теоретически рассмотрел процесс распада нестабильного атома позитрония, состоящего из электрона и позитрона (частицы и античастицы). Образовавшиеся при этом два кванта света, или фотона, бегущие в противоположных направлениях, согласно квантовой физике, вне зависимости от расстояния между ними, при измерении должны были показать одинаковые углы поляризации. Поляризация частиц – характеристика состояния частицы, связанная с наличием у них собственного момента импульса – спина и его направлением в пространстве (4). Бом в своей работе предполагал наличие нелокальности в квантовом мире, и Белл невольно начал думать о проверке этого предположения.
В 1964 году он получил годичный отпуск для научной работы и смог сконцентрироваться на идее, которая так его захватила. Он достаточно быстро нашел элегантное математическое обоснование эксперимента. Единственной проблемой в то время было ограничение точности, обусловленное уровнем развития техники. Чтобы убедиться в том, что частицы, например, в случае ЭПР-парадокса не используют обычной связи, основные экспериментальные измерения должны были производиться за такой бесконечно малый промежуток времени, за который луч света не успевал бы пройти расстояние между частицами. Это означало, что измерительные приборы должны были производить необходимые отсчеты в течение нескольких миллиардных долей секунды. Таких приборов тогда еще не было.
В 1965 году Белл опубликовал теоретическую работу, кратко называемую теоремой Белла, которая подтверждала предположение Бома: в наблюдаемом квантовом мире должны действовать нелокальные эффекты (20). В физике теорема – это не просто «теория», а математическое доказательство, которое должно быть признано истинным, если в нем нет математических ошибок и если эксперименты, лежащие в его основе, воспроизводимы. Белл доказал свою теорему математически точно. Ее весьма тщательно проверил Бом, а несколько лет спустя были произведены эксперименты, подтверждающие правильность теории.
Теорема Белла позволяет сформулировать обобщенно ее суть так: не существует изолированных систем; каждая частица Вселенной находится в «мгновенной» связи со всеми остальными частицами. Вся Система, даже если ее части разделены огромными расстояниями и между ними отсутствуют сигналы, поля, механические силы, энергия и т. д., функционирует как Единая Система (21). При этом мгновенная «связь», описываемая теоремой Белла, не требует затрат энергии.
Казалось бы, подобная связь между частицами, протекающая со скоростью, превышающей скорость света, вступает в противоречие со специальной теорией относительности. Однако правильность теоремы Белла экспериментально подтвердил доктор А. Аспект из Орсе.
Эксперимент А. Аспекта. В 1970-е годы уровень технологии уже позволил нескольким исследователям поставить эксперимент с двумя частицами, описанный ранее Бомом. Хотя результаты были обнадеживающие, окончательный вывод так и не был сделан.
В 1982 году физики Ален Аспект, Жан Далибар и Жерар Роже из Института оптики Парижского университета произвели долгожданный эксперимент и получили положительный результат. Сначала они произвели серию одинаковых фотонов путем нагрева атомов кальция лазерами. Затем они позволили каждому фотону бежать в противоположных направлениях через трубку длиной 6,5 м и проходить через специальные фильтры, направляющие их к одному из двух возможных анализаторов. Каждый фильтр производил переключение между одним и другим анализатором за десять миллиардных секунды, то есть на тридцать миллиардных секунды меньше, чем было необходимо свету для прохождения 13 м, отделяющих каждую группу фотонов. Таким путем Аспект и его коллеги смогли исключить любую возможность связи фотонов через известные физические процессы (20).
Они обнаружили, что, как и предсказывала квантовая теория, каждый фотон может коррелировать свой угол поляризации с углом своего двойника. Это указывало либо на нарушение эйнштейновского запрета на связь, превышающую скорость света, либо на нелокальную связь обоих фотонов. Поскольку большинство физиков не могло согласиться с привнесением в физику процессов, скорость которых превышает скорость света, эксперимент Аспекта стал рассматриваться как подтверждение нелокальной связи двух фотонов.
Чтобы рассмотреть упрощенную версию такого эксперимента, которая была разработана в ходе исчерпывающего анализа, данного Дэвидом Бомом, необходимо поближе познакомиться с некоторыми свойствами спина.
В определенном смысле спин частицы представляет собой ее вращение вокруг собственной оси. Однако, как и положено, в субатомной физике ничего не бывает простым и однозначным. В случае с электроном множество значений спина состоит из двух вариантов: количество вращения остается всегда постоянным, однако относительно заданной оси вращения электрон может вращаться в двух направлениях – или по, или против часовой стрелки. Физики обычно обозначают эти два значения при помощи слов «вверх» и «вниз». Естественно, невозможно определить и точное направление оси вращения электрона. Электроны обладают тенденцией существовать в различных точках внутри атома, и точно таким же образом для них характерна тенденция вращаться вокруг любой оси. Тем не менее стоит нам выбрать некую ось и произвести измерения, как мы обнаружим, что электрон вращается именно вокруг этой оси в одном из двух направлений. Другими словами, частица приобретает определенную ось вращения в момент измерения, хотя до этого момента об оси вращения ничего определенного сказать было нельзя: электрон имеет только некоторую тенденцию, или потенцию, вращаться вокруг этой оси (1).
Можно привести более простой пример с бильярдным шаром. Если лежащий на бильярдном столе шар приходит в движение, причина находится в механике (удар другого шара), полях (воздействие электромагнитного поля толкает шар в определенном направлении) или геометрии (стол наклонен). Но без причины шар двигаться не будет. Эти местные (локальные) причины воздействия в приведенных случаях называются локальными параметрами.
Вообще в классической физике понятие «вероятность» используется в тех случаях, когда неизвестны характеристики какого-то процесса или явления. Иными словами, вероятность – это выражение нашего незнания тех явлений, которые будут открыты позднее. Вероятные локальные параметры (которые пока еще нам неизвестны) в фундаментальной физике представляют связи между пространственно удаленными друг от друга объектами, которые осуществляются посредством каких-либо сигналов, передаваемых со скоростями, не превышающими скорость света.
В субатомной физике тоже существуют локальные переменные, которые представляют собой связи между пространственно удаленными друг от друга объектами. Эти локальные связи реализуются посредством сигналов-частиц или их последовательностей – каскадов и также подчиняются законам пространственного удаления, которые не позволяют никаким сигналам перемещаться быстрее скорости света.
Однако в последнее время было обнаружено, что за локальными связями существуют некие нелокальные связи, которые характеризуются мгновенностью установления и пока не могут предсказываться при помощи языка точной математики.
Представьте себе ситуацию, при которой бильярдный шар, лежащий на одном конце стола, внезапно повернулся по часовой стрелке. В то же самое мгновение второй бильярдный шар, лежащий на другом конце стола, повернулся против часовой стрелки. Вот такой наблюдаемый эффект в квантовом мире называется нелокальным.
Словом, нелокальность – это наличие таких областей в пространстве и времени, в которых не действуют известные нам физические законы. Наличие нелокальности в квантовом мире предполагает мгновенное действие на расстоянии, то есть распространяющееся с бесконечно большой скоростью.
Сам Эйнштейн долго не мог признать существование нелокальных связей и вытекающее из этого факта фундаментальное значение вероятности. Особенно он возражал против той гипотезы Бора, согласно которой свойства частиц отсутствуют, пока они ненаблюдаемы, так как в сочетании с другими открытиями квантовой физики это как раз и означает, что элементарные частицы взаимосвязаны самым невероятным образом.
С таким предположением Эйнштейн был категорически не согласен. Именно этой проблеме был посвящен его исторический спор с Бором в 1920-е годы, во время которого Эйнштейн выразил свое несогласие с тем, как Бор интерпретирует квантовую теорию при помощи знаменитого афоризма: «Бог не играет в кости» (19). Согласиться с Бором Эйнштейну мешала его непоколебимая вера в существование локальных скрытых переменных, которых наука пока не знает.
ЭПР-парадокс. В 1935 году Эйнштейн со своими коллегами Борисом Подольским и Натаном Розеном опубликовал ставшую впоследствии знаменитой статью под названием «Может ли квантово-механическое описание физической реальности считаться законченным?». Стремясь объяснить, в чем состоит ошибка Бора, признающего нелокальное взаимодействие, они использовали весьма убедительный, как им казалось, аргумент – ничто (никакие сигналы) не может двигаться быстрее скорости света, тем более двигаться мгновенно, поскольку это приведет к разрушению барьера времени и откроет дверь различного рода неприемлемым парадоксам (3). В то время когда Эйнштейн и его коллеги выдвинули свой пример о паре частиц, по техническим и другим причинам постановка такого эксперимента была затруднена. Этот эксперимент так и остался в воображении. Позднее, когда существование нелокальных связей было доказано многочисленными экспериментами, аргументация этих ученых получила название «парадокс Эйнштейна – Подольского – Розена» (или ЭПР-парадокс).
После выхода статьи Эйнштейна Бор остался невозмутим. Вместо того чтобы допустить скорость связи фотонов, превышающую скорость света, он предложил другое объяснение. Если элементарные частицы не существуют, пока не наблюдаются, тогда никто не может представлять их в виде независимо существующих «объектов». То есть Эйнштейн, по мнению Бора, основывал свое возражение на ошибочном предположении о независимом существовании пары частиц. На самом деле они были частью неделимой системы, и было бы немыслимо думать о них по-другому.
Со временем большинство физиков приняло сторону Бора и согласилось, что его подход верен. Триумфу Бора способствовали также успешные предсказания его теории относительно поведения частиц, поэтому физики поддержали его версию. Хотя Бор привел свой аргумент для того, чтобы противостоять атаке Эйнштейна на квантовую механику, как мы позже увидим, взгляды Бора на неделимость внутриатомных систем оказали большое влияние при постижении природы реальности.
В результате спора Эйнштейну пришлось признать, что квантовая теория в трактовке Бора и Гейзенберга представляет собой последовательную систему научных взглядов, однако его не покидала мысль о том, что рано или поздно науке удастся найти детерминистское описание всех доселе необъяснимых явлений в терминах локальных скрытых переменных.
Теорема Белла. В 1952 году доктор Джон Стюарт Белл, теоретик из CERN – Центра ядерных исследований, расположенного близ Женевы в Швейцарии, познакомился со статьей известного физика Д. Бома, которая произвела на него огромное впечатление. В статье Бом теоретически рассмотрел процесс распада нестабильного атома позитрония, состоящего из электрона и позитрона (частицы и античастицы). Образовавшиеся при этом два кванта света, или фотона, бегущие в противоположных направлениях, согласно квантовой физике, вне зависимости от расстояния между ними, при измерении должны были показать одинаковые углы поляризации. Поляризация частиц – характеристика состояния частицы, связанная с наличием у них собственного момента импульса – спина и его направлением в пространстве (4). Бом в своей работе предполагал наличие нелокальности в квантовом мире, и Белл невольно начал думать о проверке этого предположения.
В 1964 году он получил годичный отпуск для научной работы и смог сконцентрироваться на идее, которая так его захватила. Он достаточно быстро нашел элегантное математическое обоснование эксперимента. Единственной проблемой в то время было ограничение точности, обусловленное уровнем развития техники. Чтобы убедиться в том, что частицы, например, в случае ЭПР-парадокса не используют обычной связи, основные экспериментальные измерения должны были производиться за такой бесконечно малый промежуток времени, за который луч света не успевал бы пройти расстояние между частицами. Это означало, что измерительные приборы должны были производить необходимые отсчеты в течение нескольких миллиардных долей секунды. Таких приборов тогда еще не было.
В 1965 году Белл опубликовал теоретическую работу, кратко называемую теоремой Белла, которая подтверждала предположение Бома: в наблюдаемом квантовом мире должны действовать нелокальные эффекты (20). В физике теорема – это не просто «теория», а математическое доказательство, которое должно быть признано истинным, если в нем нет математических ошибок и если эксперименты, лежащие в его основе, воспроизводимы. Белл доказал свою теорему математически точно. Ее весьма тщательно проверил Бом, а несколько лет спустя были произведены эксперименты, подтверждающие правильность теории.
Теорема Белла позволяет сформулировать обобщенно ее суть так: не существует изолированных систем; каждая частица Вселенной находится в «мгновенной» связи со всеми остальными частицами. Вся Система, даже если ее части разделены огромными расстояниями и между ними отсутствуют сигналы, поля, механические силы, энергия и т. д., функционирует как Единая Система (21). При этом мгновенная «связь», описываемая теоремой Белла, не требует затрат энергии.
Казалось бы, подобная связь между частицами, протекающая со скоростью, превышающей скорость света, вступает в противоречие со специальной теорией относительности. Однако правильность теоремы Белла экспериментально подтвердил доктор А. Аспект из Орсе.
Эксперимент А. Аспекта. В 1970-е годы уровень технологии уже позволил нескольким исследователям поставить эксперимент с двумя частицами, описанный ранее Бомом. Хотя результаты были обнадеживающие, окончательный вывод так и не был сделан.
В 1982 году физики Ален Аспект, Жан Далибар и Жерар Роже из Института оптики Парижского университета произвели долгожданный эксперимент и получили положительный результат. Сначала они произвели серию одинаковых фотонов путем нагрева атомов кальция лазерами. Затем они позволили каждому фотону бежать в противоположных направлениях через трубку длиной 6,5 м и проходить через специальные фильтры, направляющие их к одному из двух возможных анализаторов. Каждый фильтр производил переключение между одним и другим анализатором за десять миллиардных секунды, то есть на тридцать миллиардных секунды меньше, чем было необходимо свету для прохождения 13 м, отделяющих каждую группу фотонов. Таким путем Аспект и его коллеги смогли исключить любую возможность связи фотонов через известные физические процессы (20).
Они обнаружили, что, как и предсказывала квантовая теория, каждый фотон может коррелировать свой угол поляризации с углом своего двойника. Это указывало либо на нарушение эйнштейновского запрета на связь, превышающую скорость света, либо на нелокальную связь обоих фотонов. Поскольку большинство физиков не могло согласиться с привнесением в физику процессов, скорость которых превышает скорость света, эксперимент Аспекта стал рассматриваться как подтверждение нелокальной связи двух фотонов.
Чтобы рассмотреть упрощенную версию такого эксперимента, которая была разработана в ходе исчерпывающего анализа, данного Дэвидом Бомом, необходимо поближе познакомиться с некоторыми свойствами спина.
В определенном смысле спин частицы представляет собой ее вращение вокруг собственной оси. Однако, как и положено, в субатомной физике ничего не бывает простым и однозначным. В случае с электроном множество значений спина состоит из двух вариантов: количество вращения остается всегда постоянным, однако относительно заданной оси вращения электрон может вращаться в двух направлениях – или по, или против часовой стрелки. Физики обычно обозначают эти два значения при помощи слов «вверх» и «вниз». Естественно, невозможно определить и точное направление оси вращения электрона. Электроны обладают тенденцией существовать в различных точках внутри атома, и точно таким же образом для них характерна тенденция вращаться вокруг любой оси. Тем не менее стоит нам выбрать некую ось и произвести измерения, как мы обнаружим, что электрон вращается именно вокруг этой оси в одном из двух направлений. Другими словами, частица приобретает определенную ось вращения в момент измерения, хотя до этого момента об оси вращения ничего определенного сказать было нельзя: электрон имеет только некоторую тенденцию, или потенцию, вращаться вокруг этой оси (1).