Суперсила. Поиски единой теории природы.

П.Девис

3. Действительность и мир квантов

Лабиринт парадоксов

Летом 1982 г. в Парижском университете был проведен исторический эксперимент. Французский физик Ален Аспек и его сотрудники решили проверить, не удастся ли им "перехитрить" квант. На карту были поставлены не только наиболее плодотворная научная теория, но и сама основа того, что мы считаем физической реальностью.

Как и многие решающие эксперименты в физике, парижский эксперимент восходил к парадоксу, который озадачивал и интриговал физиков и философов на протяжении почти половины века. Речь идет об одной из принципиальных особенностей квантовой физики — о неопределенности. Знаменитый принцип неопределенности Гейзенберга вынуждает вносить существенные поправки в простую, построенную на интуиции картину мира атомов, согласно которой частицы под действием сил движутся по вполне определенным траекториям. В действительности частица, например электрон, движется сложным, почти непредсказуемым образом, и проследить за ее движением в деталях или хотя бы дать его описание невозможно.

До появления квантовой теории физическую Вселенную рассматривали как огромный часовой механизм, ход которого до мельчайших деталей неукоснительно следовал безупречной логике причины и следствия, воплощенной в законах механики Ньютона, Разумеется, законы Ньютона и поныне справедливы для описания большинства явлений в окружающем нас мире. Они направляют пулю к цели и заставляют планеты двигаться точно по орбитам. Но, как мы теперь уже знаем, в масштабах атома многое обстоит совсем иначе. На смену знакомому упорядоченному движению макроскопических тел приходит беспорядок и хаос. Привычные твердые тела на поверку оказываются призрачной мозаикой, образованной всплесками энергии. Квантовая неопределенность убеждает нас, что невозможно всегда все знать о частице. Если, фигурально говоря, вы попытаетесь "пришпилить" частицу к определенному месту, она ускользнет от вас.

Эта неуловимость квантовых частиц доставила немало хлопот физикам при построении квантовой теории. В 20-х годах нашего столетия новая квантовая механика выглядела лабиринтом парадоксов. Хотя Вернер Гейзенберг и Эрвин Шрёдингер были главными строителями квантовой теории, ее интерпретацию предложили Макс Борн и особенно Нильс Бор. Датский физик Бор первым осознал во всей полноте, что квантовая теория в той же мере применима к веществу, как и к излучению, и в последующие годы стал ведущим авторитетом и лидером среди физиков в области концептуальных основ квантовой механики. Институт Бора в Копенгагене был центром исследований по квантовой физике на протяжении более чем десятилетия. Однажды Бор заметил своим коллегам: "Если у человека при первом знакомстве с квантовой механикой голова не идет кругом, то он не понимает в ней ничего". В своей книге "Физика и философия" Гейзенберг вспоминает о первых мучительных сомнениях по поводу смысла новой квантовой механики:

Я вспоминаю дискуссии с Бором, длившиеся за полночь, которые приводили меня почти в отчаяние. И когда я после таких обсуждений отправлялся на прогулку в соседний парк, передо мной снова и снова возникал вопрос: действительно ли природа может быть столь абсурдной, какой она предстает перед нами в этих атомных экспериментах?

Самым крупным оппонентом квантовой механики был Эйнштейн. Хотя ему самому довелось приложить руку к формулировке квантовой теории, он никогда полностью не разделял ее идей, считая квантовую теорию либо ошибочной, либо в лучшем случае "истинной наполовину". Известно его изречение: "Бог не играет в кости". Эйнштейн был убежден, что за квантовым миром с его непредсказуемостью, неопределенностью и беспорядком скрывается привычный классический мир конкретной действительности, где объекты обладают четко определенными свойствами, такими, как положение и скорость, и детерминировано движутся в соответствии с причинно-следственными закономерностями. "Безумие" атомного мира по утверждению Эйнштейна, не является фундаментальным свойством. Это всего лишь фасад, за которым "безумие" уступает место безраздельному господству разума.

Эйнштейн пытался найти это фундаментальное свойство в нескончаемых дискуссиях с Бором — наиболее ярким выразителем взглядов той группы физиков, которые считали квантовую неопределенность неотъемлемой чертой природы, не сводимой к чему-либо другому. Эйнштейн с завидным упорством продолжал свои атаки на квантовую неопределенность, пытаясь придумать гипотетические ("мысленные", как принято говорить) эксперименты, которые обнаружили бы логический изъян в официальной версии квантовой теории. Бор каждый раз отражал нападки Эйнштейна, опровергая его аргументы.

Особенно памятен один эпизод на конференции, на которой собрались многие ведущие физики Европы в надежде услышать о последних достижениях новой тогда квантовой теории. Эйнштейн направил свою критику против варианта принципа неопределенности, устанавливающего, с какой точностью можно определить энергию частицы и момент времени, когда частица ей обладает. Эйнштейн предложил необычайно остроумную схему, позволяющую обойти неопределенность энергии—времени. Его идея сводилась к точному намерению энергии с помощью взвешивания: знаменитая формула Эйнштейна E= mc2 сопоставляет энергию E и массу т, а массу можно измерить взвешиванием.

На этот раз Бор был обеспокоен, и те, кто видел, как он провожал Эйнштейна в гостиницу, заметили, что Бор был сильно взволнован. Но на следующий день Бор, проведший бессонную ночь за детальным анализом рассуждений Эйнштейна, торжествуя, обратился к участникам конференции. Развивая свои аргументы против квантовомеханической неопределенности, Эйнштейн упустил из виду один важный аспект созданной им самим теории относительности. Согласно этой теории, гравитация замедляет течение времени. А поскольку при взвешивании без гравитации не обойтись, эффектом замедления времени пренебречь нельзя. Бор продемонстрировал, что при надлежащем учете этого аффекта неопределенность восстанавливается на обычном уровне.

Эксперимент Эйнштейна — Подольского — Розена

Самые важные мысленные эксперименты Эйнштейна, не утратившие своего значения и поныне, были предложены лишь в 1935 г., когда вместе со своими коллегами Борисом Подольским и Натаном Розеном он опубликовал в журнале The Physical Review статью, содержащую наиболее убедительную и по сей день формулировку парадоксальной природы квантовой физики. По существу эксперимент Эйнштейна—Подольского—Розена затрагивал старую проблему: может ли частица одновременно обладать определенным положением и определенным импульсом. Задача, которую поставили перед собой Эйнштейн и его коллеги, состояла в том, чтобы придумать схему мысленного эксперимента, позволяющего (по крайней мере в принципе) сколь угодно точно измерить координаты частицы и ее импульс.

К тому времени было общепризнано, что любая попытка непосредственно измерить положение и импульс частицы обречена на провал по простой причине: когда вы пытаетесь измерить положение частицы, само измерение вносит не поддающиеся контролю изменения в величину импульса частицы. В свою очередь измерение импульса аннулирует всю полученную ранее информацию о положении частицы. Измерение одного типа несовместимо с измерением другого типа и аннулирует его результат. И если Эйнштейн надеялся преуспеть в попытке одновременного измерения координат и импульсов, ему надлежало избрать более тонкую стратегию.

Если отвлечься от второстепенных деталей, то суть работы Эйнштейна, Подольского и Розена сводится к следующему. Пусть установлено, что невозможно непосредственно измерить в одно и то же время положение и импульс одной частицы; тогда возникает мысль взять вторую частицу — "сообщницу". Располагая двумя частицами, можно одновременно измерять большее число величин. Если бы нам удалось каким-то образом заранее связать движение двух частиц то измерения, выполненные одновременно над обеим частицами, позволили бы экспериментатору проникнуть сквозь завесу квантовой неопределенности, непреодолимую по утверждению Бора,

Использованный Эйнштейном и его коллегами принцип достаточно известен. При игре в бильярд, когда шар, по которому игрок ударяет кием, сталкивается с другим шаром, оба они разлетаются в разные стороны. Но их движения не произвольны, а жестко связаны друг с другом законом действия и противодействия — законом сохранения импульса. Измерив импульс одного шара, можно судить об импульсе другого (который может откатиться далеко в сторону), даже непосредственно не наблюдая за ним- Закон сохранения импульса справедлив и для квантовых частиц. Значит, необходимо лишь, чтобы две квантовые частицы, 1 и 2, столкнувшись между собой, провзаимодействовали и разлетелись на большое расстояние. В этот момент можно измерить импульс частицы 1. Зная его, можно, воспользовавшись законом сохранения импульса, точно вычислить импульс частицы 2, которая, собственно, нас и интересует. Измерение импульса частицы 1, разумеется, внесет неопределенность в ее положение, но это несущественно, так как не влияет на положение частицы 2 (а нас интересует именно она), поскольку та находится далеко; в принципе она могла бы располагаться на расстоянии нескольких световых лет. Если в один и тот же момент непосредственно измерить положение частицы 2, то ее положение и импульс станут известны одновременно. Иначе говоря, мы перехитрим принцип неопределенности!

Рассуждения Эйнштейна—Подольского—Розена основаны на двух допущениях, имеющих принципиальное значение. Во-первых, предполагается, что измерение, проведенное в одном месте, не может мгновенно повлиять на частицу, находящуюся далеко от него. Такое допущение основано на том, что взаимодействие между системами ослабевает с расстоянием. Трудно представить, чтобы два электрона, разделенные расстоянием в несколько метров, а тем более световых лет, каким-то неведомым образом влияли на положение и импульс друг друга. Эйнштейн отвергал подобную мысль, называя ее "призрачным действием на расстоянии".

Отвергая идею мгновенного дальнодействия, Эйнштейн исходил из своего убеждения, что никакой сигнал или воздействие не могут распространяться быстрее света. Это — ключевой момент теории относительности, и им не следовало пренебрегать. Кроме того, невозможность распространения сигналов со скоростью выше скорости света принципиально важна для общего определения прошлого и будущего во Вселенной. Преодоление светового барьера эквивалентно распространению сигналов назад во времени, а это чревато парадоксами.

Второе фундаментальное допущение, из которого исходил Эйнштейн со своими коллегами, было связано с признанием существования "объективной реальности". Они предполагали, что такие характеристики, как положение и импульс частицы, существуют объективно, даже если частица удалена и эти характеристики непосредственно не наблюдаемы. Именно в этом Эйнштейн расходился с Бором. По мнению Бора, просто нельзя приписывать частице такие характеристики, как положение или импульс, если нет возможности реально их наблюдать. Измерение, выполненное кем-то еще ("по доверенности") в счет не идет. Использование частицы-"сообщницы" — просто надувательство.

На этом этапе Эйнштейн и Бор могли признать лишь несовпадение своих позиций. Необходим был такой вариант мысленного эксперимента, который позволил бы проверить, нарушается или нет принцип неопределенности на практике. В 60-х годах Джон Белл из ЦЕРНа придумал, как это сделать. Он использовал два основных допущения Эйнштейна, Подольского и Розена (распространение сигналов со скоростью меньше скорости света и существование объективной реальности) для вывода наиболее общих соотношений между измерениями с частицей 1 и измерениями с частицей 2, причем измерениями не только положения и импульса, но и других характеристик, в частности ориентации спина. Белл обнаружил, что измерения некоторых типов позволяют различить позиции Эйнштейна и Бора, отдавая предпочтение одной из них. Иначе говоря, два упомянутых допущения позволяют сделать определенные экспериментальные предсказания, которые не подтвердились бы, будь справедлива квантовая механика в духе Бора с внутренне присущей ей неопределенностью. Таким образом, если бы удалось выполнить соответствующий реальный эксперимент, то тем самым осуществилась бы прямая проверка наличия квантовой неопределенности.

Белл записал суть различия двух соперничающих теории в форме математического соотношения, получившего название неравенства Белла. Проще говоря, если прав Эйнштейн, то результаты реального эксперимента должны подтвердить неравенство Белла. Если же прав Бор, то это неравенство не будет выполнено. Очередь теперь была за экспериментаторами.

Крушение наивного представления о реальности

Практическую проверку неравенства Белла не удалось осуществить в 60-е годы. Основная проблема заключалась в недостаточной точности оборудования того времени. Чтобы с уверенностью исключить обмен сигналами между двумя частицами, находящимися на некотором расстоянии друг от друга, измерения следовало произвести за столь короткий интервал времени, за который сигналы, распространяющиеся со скоростью света (или медленнее), не успевали бы преодолеть расстояние между частицами. Это означает, что при расстоянии между частицами в несколько метров измерения должны занимать не более нескольких миллиардных долей секунды.

В 70-е годы ряд групп экспериментаторов поставили различного рода эксперименты с двумя частицами, но ни одна из групп не достигла точности, при которой результаты можно было бы считать безупречными. Наконец, Ален Аспек в Париже, внеся ряд усовершенствований в методику, приступил в 1981 г. к серии экспериментов, в которых одновременно измерялись направления поляризации двух фотонов, испущенных одним и тем же атомом и движущихся в противоположные стороны. Кульминационным стал эксперимент, выполненный летом 1982г., который впервые позволил дать окончательный ответ на интересовавший всех вопрос. Результаты не оставляли никакого сомнения: Эйнштейн был неправ. Квантовую неопределенность невозможно обойти. Она — неотъемлемая особенность квантового мира и не может быть сведена к чему-то другому. Наивное представление о реальности частиц, обладающих четко определенными свойствами в отсутствие наблюдений над ними не выдержало испытания. Аспек "забил последний гвоздь" в гроб физики, основанной на здравом смысле.

Небезынтересен способ, которым в эксперименте Аспека выявлено различие между квантовой и альтернативной "реалистической" теориями. Экспериментаторы задались целью выяснить, в какой мере результаты измерений, производимых над одним фотоном, корреллируют с результатами измерений над другим фотоном. Как следует из неравенства Белла, "реалистические" теории предсказывают существование верхнего предела, максимального уровня корреляции. В отличие от них квантовая механика предсказывает более высокую степень корреляции: между двумя частицами как бы существует некая сверхъестественная "телепатическая" связь. Результаты измерений показали, что корреляция превосходит максимум, предусмотренный неравенством Белла, и тем самым подтвердили наличие в квантовой физике внутренней неопределенности.

Эту ситуацию можно сравнить с тем, что происходит, когда два человека, сидя спиной друг к другу, одновременно бросают монеты. Если бросания совершенно случайны, то никакой корреляции между их результатами не будет. "Орлы" при бросаниях одной монеты будут выпадать с одинаковой частотой независимо от того, выпадет при бросании другой монеты "орел" или "решка". Предположим, однако, что бросания не вполне случайны и выпадение "орла" при бросании одной монеты чаще совпадает с выпадением "орла" при бросании другой; аналогичная картина наблюдается при выпадении "решки". Эксперименты демонстрируют наличие определенной положительной корреляции между результатами бросания двух монет. В эксперименте с двумя частицами поведение частиц случайно, но не независимо, так как обе они испущены одним и тем же атомом. Следовательно, некоторую корреляцию в поведении частиц можно ожидать заранее. Решающая проверка заключается в определении точной величины этой корреляции.

На первый взгляд может показаться, будто эксперимент Аспека позволяет достигать скорости распространения сигналов, превышающей скорость света. Применительно к бросанию монеты это означает следующее: если у меня "орел" чаще всего совпадает с вашим, то создается впечатление, будто я могу послать вам сигнал (даже если вы не видите моей монеты), пользуясь простым кодом, например, обозначая "орел" точкой, а "решку" — тире. Если корреляция ниже 100 %, то на сигнал накладывается "шум", но при достаточно большом числе повторений его можно передать без искажений.

Однако, как показывают дальнейшие размышления, подобная возможность передачи сигналов со скоростью выше скорости света иллюзорна. Исход каждого из моих бросаний монеты хотя и коррелирован с исходом ваших, но все же полностью непредсказуем, поскольку я не могу заранее заставить монету выпадать "орлом" или "решкой". Если при очередном бросании у меня выпадает "орел", то я знаю, что и у вас, вероятно, выпал "орел", но от этого мало толку, ибо я не могу управлять последовательностью точек и тире в передаваемом сигнале, и мой сигнал вырождается в сплошной (белый) шум.

Причуды квантовой реальности

Через несколько месяцев после того, как Аспек опубликовал результаты своего эксперимента, мне выпала честь составить для Би-Би-Си документальную радиопередачу о фундаментальных парадоксах квантовой физики. В число участников передачи входили сам Аспек, Джон Белл, Дэвид Бом, Джон Уиллер, Джон Тейлор и Рудольф Пайерлс. Я спросил всех участников передачи, как они оценивают результаты эксперимента Аспека и не кажется ли им, что реальность, основанная на представлениях здравого смысла, теперь мертва. Разнообразие ответов было поразительным.

Один или два участника передачи вообще не выразили удивления по поводу эксперимента Аспека. Их вера в правильность общепринятой точки зрения, давно провозглашенной Бором, была столь сильна, что эксперимент Аспека они восприняли лишь как подтверждение (хотя и весьма желательное) того, что никогда не вызывало серьезных сомнений. Другие участники передачи не разделяли такой точки зрения. Их уверенность в существовании реальности, укладывающейся в рамки здравого смысла, — той объективной реальности, поиском которой занимался Эйнштейн, — осталась непоколебленной. По их мнению, следовало бы отказаться от предположения, что сигналы не могут распространяться со скоростью выше скорости света. В конечном счете должно существовать какое-то "призрачное действие на расстоянии". Бором уже была разработана теория, включающая подобные "нелокальные" эффекты.

А как быть с парадоксами, связанными с распространением сигналов? Возможно, что-то мешает нам управлять такими сигналами. В этих вопросах достичь полной ясности так и не удалось.

Холя не все физики согласны с ниспровержением наивной реальности, взгляды Бора остаются общепринятыми, и результаты Аспека, несомненно, лишь подкрепили их. Эта точка зрения оказывает глубокое влияние на наши представления об окружающем нас физическом мире.

Во-первых, описанная схема эксперимента с двумя частицами показывает, что свойства, частицы,, находящейся "там", неразрывно связаны со свойствами частицы, находящейся "здесь". Упрощающее предположение, что две частицы можно рассматривать как изолированные и независимые физические объекты только потому, что они движутся на большом расстоянии друг от друга, в корне ошибочно. Пока над частицами не производится отдельных измерений, они остаются частью единого целого. То, что мы .понимаем под свойствами частиц, определяется экспериментальной установкой в целом, а она может занимать значительную область пространства. Кроме того, хотя в эксперименте Аспека "целостная" система двух частиц умышленно поставлена в контролируемые условия, частицы продолжают вести себя естественным образом — взаимодействовать и разлетаться. Следовательно, нелокальный характер квантовых систем является общим свойством природы, а не искусственной ситуацией, созданной в лаборатории.

Некоторые ученые подчеркивали, что квантовая физика рисует картину мира, в котором отдельные частицы материи не существуют сами по себе как первичные объекты. Статусом "реальности" обладает здесь только ансамбль частиц, рассматриваемый как единое целое, в том числе и частиц, из которых состоит измерительный прибор.

Совершенно иначе выглядит традиционное представление о реальности, основанное на классической ньютоновской физике. Согласно Ньютону, вещество состоит из частиц, которые рассматриваются, однако, просто как "строительные блоки" для более крупных конструкций. Такая картина, несомненно, привлекательна, поскольку позволяет наглядно представить мириады "элементарных частиц" наподобие твердых шариков, которые, сцепляясь друг с другом, образуют обычные тела, такие, как камень. Все свойства камня в этом случае можно приписать атомам или любым другим элементарным "строительным блокам" в зависимости от последних веяний моды. Камень построен из элементарных частиц, а те в свою очередь — простые части камня и ничего более. Немецкий физик Отто Фриш, открывший деление ядер, так описывает классическую картину мира:

Считается, что заведомо существует внешний мир, который состоит из частиц, обладающих местоположением, размером, твердостью и т.д. Чуть больше сомнений возникает относительно того, имеют ли частицы цвет и запах; однако все они вполне "добропорядочны" и существуют независимо от того, наблюдаем мы их или нет.

Подобный взгляд на природу можно с полным основанием назвать наивным реализмом.

Квантовая физика ниспровергает столь упрощенную классическую взаимосвязь целого и его частей. Квантовый подход требует рассматривать частицы только в их взаимосвязи с целым. Поэтому было бы неверно считать элементарные частицы вещества материальными объектами, которые, соединяясь в ансамбли, образуют более крупные объекты. При более точном описании мир выступает как совокупность отношений.

С точки зрения "наивного реалиста" Вселенная представляет собой совокупность объектов. Для специалиста по квантовой физике это подвижная единая ткань, состоящая из всплесков энергии, и ни одна из частей этой "ткани" не существует независимо от целого, а это целое включает и наблюдателя.

Американский физик Г. П. Стэпп так сформулировал квантовую концепцию частицы:

Элементарная частица не есть нечто независимо существующее и не поддающееся анализу. По существу — это среда, распространяющаяся вовне на другие объекты.

Невольно на память приходит строка из Уильяма Блейка: "Вселенная в песчинке видней ...". Мы должны рассматривать все вещество и энергию в рамках всеобъемлющего единого бытия.

Еще одно следствие квантовой физики затрагивает роль наблюдателя — лица, реально выполняющего измерения. Квантовая неопределенность не переносится на производимые нами реальные наблюдения. Это означает, что в каком-то звене цепи, соединяющей исследуемую квантовую систему с экспериментальной установкой, шкалами и измерительными приборами, нашими органами чувств, нашим мозгом и, наконец, нашим сознанием, должно происходить нечто такое, что рассеивает квантовую неопределенность. Правила квантовой физики вполне определенны в этом отношении. В отсутствие наблюдателя квантовая система каким-то образом существует и развивается. После того как произведено наблюдение, поведение системы становится совершенно иным. Чем именно вызвано изменение в поведении системы, не ясно, но некоторые физики утверждают, что это изменение явно обусловлено вмешательством экспериментатора.

Этим слегка интригующим замечанием мы завершим наш рассказ о проблемах и парадоксах квантовой физики. И какие бы споры ни велись вокруг ее принципиальных основ, подавляющее большинство ученых все же сходится на том, что в своих приложениях квантовая теория работает блестяще. В частности, именно на ней основывается все описание мира элементарных частиц — того самого мира, в недрах которого погребена суперсила.