Дао физики

В классической физике понятие вероятности используется в тех случаях, когда неизвестны характеристики какого-то процесса или реакции. Так, играя в кости, мы, в принципе, могли бы предсказать результат того или иного броска, если бы имели информацию обо всех условиях, в которых он совершается: материал, из которого изготовлена кость, местонахождение ее центра тяжести, характер поверхности, на которую падает кость, и т. д. Все эти показатели называются локальными переменными, так как они принадлежат предметам, принимающим участие в данном процессе. В субатомной физике примером локальных переменных являются связи между пространственно удаленными друг от друга объектами, реализующиеся посредством сигналов — частиц или их последовательностей-каскадов, — а также подчиняющиеся законам пространственного удаления. Эти законы не позволяют никаким сигналам перемещаться быстрее скорости света. Однако в последнее время было обнаружено, что за локальными связями, еще глубже, существуют некие нелокальные связи, которые характеризуются мгновенностью установления и пока не могут предсказываться при помощи языка точной математики.

Некоторые физики рассматривают нелокальные связи в качестве непосредственной сущности квантовой действительности. Квантовая теория не всегда указывает точную причину того или иного явления. Возьмем, к примеру, переход электрона с одной атомной орбиты на другую, или распад субатомной частицы, которые могут происходить и происходят спонтанно, без какой-то определенной причины. Не всегда можно заранее предсказать, когда и каким образом произойдет подобное событие; реально лишь охарактеризовать его вероятность. Это не означает, что атомные явления протекают совершенно произвольным образом; все, что имеется в виду, — это то, что они не вызываются локальными причинами. Поведение любой части целого определяется ее нелокальными связями с последним, а поскольку об этих связях мы ничего не знаем, нам приходится заменить узкие классические понятия причины и следствия более широкими представлениями о статистической причинности. Законы атомной физики имеют природу статистических закономерностей, согласно которым, вероятность отдельных атомных явлений определяется общей динамикой всей системы. В то время, как в классической физике свойства и поведение некоего целого определяется свойствами и поведением его отдельных частей, в физике квантовой все обстоит совершенно противоположным образом: поведение частей целого определяется самим целым.

Таким образом, вероятность используется в классической и квантовой физике практически в одних и тех же целях. В обоих случаях мы имеем дело с некими «сокрытыми» переменными, которые нам неизвестны, и такое отсутствие информированности мешает нам делать какие-либо определенные выводы. Тем не менее, между двумя этими случаями есть и очень существенная разница. Если в классической физике скрытые переменные являются локальными механизмами, то в квантовой физике они нелокальны: они представляют собой мгновенные связи со Вселенной в целом. В повседневной, макроскопической действительности нелокальные связи играют сравнительно незначительную роль, вследствие чего мы можем говорить о самостоятельных объектах и формулировать законы, описывающие их поведение в терминах стопроцентных определенностей. Однако при переходе к более низким измерениям определенности уступают место вероятностям, и отделить какую-то часть Вселенной от целого становится чрезвычайно сложно.

Сам Эйнштейн долго не мог признать существование нелокальных связей и вытекающее из этого факта фундаментальное значение вероятности. Именно этой проблеме был посвящен его исторический спор с Бором в двадцатые годы, во время которого Эйнштейн выразил свое несогласие с тем, как Бор интерпретирует квантовую теорию при помощи знаменитого афоризма: «Бог не играет в кости» [68]. 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.

Согласиться с Бором Эйнштейну мешала его непоколебимая вера в некую внешнюю реальность, состоящую из независимых, пространственно удаленных друг от друга элементов. Пытаясь доказать непоследовательность интерпретации Бора, Эйнштейн поставил «мысленный» эксперимент, который получил известность под названием эксперимента Эйнштейна-Подольского-Розена (ЭПР) [5, 614]. Три десятилетия спустя Джон Белл построил теорему, опирающуюся на этот эксперимент, которая доказывает, что существование локальных скрытых переменных плохо согласуется со статистическими формулировками квантовой теории [70]. Теорема Белла нанесла сокрушительное поражение позиции Эйнштейна, доказав, что понимание действительности как сложной структуры, состоящей из отдельных частей, соединенных при помощи локальных связей, несовместимо с идеями квантовой теории.

За последние годы эксперимент ЭПР неоднократно становился предметом дискуссий и анализа специалистов в связи с проблемами интерпретации квантовой теории, поскольку он является превосходным примером для демонстрации отличия между понятиями классической и квантовой физики. Для наших целей достаточно ограничиться рассмотрением упрощенной версии этого эксперимента, в которой принимают участие два вращающихся электрона и которая была разработана в ходе исчерпывающего анализа, данного этому эксперименту Дэвидом Бомом. Для того, чтобы уловить основной смысл ситуации, необходимо познакомиться с некоторыми свойствами электронного спина, или вращения электрона. Классическая метафора вращающегося теннисного мяча не вполне подходит для описания вращающейся субатомной частицы. В определенном смысле, спин частицы представляет собой ее вращение вокруг собственной оси, однако, как это всегда бывает в субатомной физике, это классическое понятие имеет ограниченную область применения. В случае с электроном, множество значений спина состоит из двух вариантов: количество вращения остается всегда постоянным, однако относительно оси вращения электрон может вращаться в двух направлениях — или по, или против часовой стрелки. Физики обычно обозначают эти два значения при помощи слов «верх» и «вниз».

Основное свойство вращения электрона, которое нельзя объяснить при помощи классических терминов, — это невозможность точного определения направления его оси. Электроны обладают тенденцией существовать в различных точках внутри атома, и точно таким же образом для них характерны тенденции вращаться вокруг той или иной 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, однако до этого момента об оси вращения ничего определенного сказать нельзя: электрон имеет только некоторую тенденцию, или потенцию, вращаться вокруг этой оси.

Придя к такому пониманию спина электрона, мы можем приступить к рассмотрению эксперимента ЭПР и теоремы Белла. В эксперименте участвуют два электрона, вращающиеся в противоположных направлениях, так, что их суммарный спин равен нулю. Существует несколько экспериментальных методик, которые позволяют привести два электрона в такое состояние, при котором направления осей вращения неизвестны, но общий спин двух частиц точно равен нулю. Теперь предположим, что какие-то процессы, не оказывающие воздействия на спин частиц, вызывают их удаление друг от друга. При этом суммарное значение спина остается равным нулю, и, когда расстояние между ними становится достаточно большим, исследователи поочередно измеряют спин каждой из двух частиц. Важная деталь эксперимента — то, что расстояние между ними может быть сколько угодно большим: одна частица может находиться в Нью-Йорке, другая в Париже; одна — на Земле, а другая— на Луне.

Предположим теперь, что после измерения спина частицы вокруг вертикальной оси мы обнаружили, что она имеет «верхний» спин. Поскольку суммарный спин обеих частиц равен нулю, из этого следует, что спин второй частицы должен быть «нижним». Таким образом, посредством измерения спина частицы 1 мы одновременно косвенно измеряем спин частицы 2, не оказывая на нее совершенно никакого воздействия. Парадоксальность эксперимента ЭПР заключается в том, что исследователь волен выбирать для измерения любую ось. Квантовая теория утверждает, что спины частиц будут иметь противоположные значения по отношению к каждой оси вращения, однако до момента измерения они существуют только в качестве тенденций или воэможностей. Стоит наблюдателю выбрать определенную ось и произвести измерения, как обе частицы получают определенную общую ось вращения. Особенно важен тот факт, что мы можем выбрать ось измерения в последний момент, когда между электронами будет уже довольно большое расстояние. В тот момент, когда ны производим измерение характеристик частицы 1, частица 2, которая, возможно, находится на удалении в несколько тысяч миль, тоже приобретает определенное значение спина по отношению к выбранной оси измерения. Как частица 2 «узнает» о том, какую ось мы выбрали? Это происходит настолько быстро, что она не может получить эту информацию при помощи какоголибо условного сигнала.