Нелокальность

Оглавление

Все доступные способы объяснения двойственного характера света так или иначе требовали наличия нелокальности. Существование мясника-вегетарианца выглядело странным. А теперь у физиков имелся мясник-вегетарианец, который был еще и волшебником. Ни Эйнштейн, ни кто-либо из его коллег не думал, что нелокальность действительно могла существовать, однако это казалось неизбежным. Бор писал коллеге, что в сердце атома происходит что-то подозрительное, что-то «представляющее трудность для нашего привычного пространственно-временного описания природы». Чтобы почувствовать, насколько странным казалось Эйнштейну поведение света, задумайтесь о том, что он сделал с целью отдыха от этих размышлений: он создал общую теорию относительности. Это примерно так же, как в качестве отдыха от мирных переговоров на Ближнем Востоке изобрести лекарство от рака.

Волны материи

В начале 1920-х гг. Эйнштейн и его молодые коллеги, такие как Эрвин Шрёдингер, совершили решающий скачок. Они предположили, что все формы энергии и материи, а не только свет, могут вести себя и как частица, и как волна. Неразбериха со светом теперь затронула и материю. Чему бы вы ни отдали предпочтение, волнам или частицам, всюду была нелокальность.

Шрёдингер был за волны. «Частицы — не что иное, как своего рода “барашки” на волновом излучении, которое лежит в основе всего», — предполагал он. По его мнению, если далеко отстоящие друг от друга частицы «качаются» на одной и той же волне, они остаются согласованными естественным образом — не нужно никаких нелокальных влияний. Работая с этой идеей, Шрёдингер придумал уравнение, известное теперь просто как уравнение Шрёдингера, которое преподносится студентам-физикам как само определение квантовой механики. Оно позволяет делать все: от расчета траектории движения частицы до вычисления цвета света, который атом испустит или поглотит. Но, к своему огорчению, Шрёдингер понял, что его уравнение описывает не волну, а «волновую функцию», любопытную математическую абстракцию, в которой закодированы свойства частиц и систем частиц. Волновая функция нелокальна. У целой кучи частиц одна волновая функция, которая связывает их судьбы друг с другом, независимо от того, насколько далеко друг от друга они могут разлететься. Даже волновая функция одной-единственной частицы распространяется на всю Вселенную.

Конкурент Шрёдингера, немецкий физик Вернер Гейзенберг, протеже Бора, склонялся к теории о том, что частицы первостепенны, и придумал собственную систему уравнений. Как оказалось, она была математически эквивалентна уравнению Шрёдингера — эти двое дошли до одной и той же теории разными путями. Но версия Гейзенберга не очень-то способствовала объяснению того, что происходит в действительности. Гейзенберг признавал, что не знал, как его уравнения для частиц объясняли волновые эффекты. Позже физики поняли, что частицы в подходе Гейзенберга являются волнообразными, поскольку они могут реагировать не только на то, что происходит непосредственно рядом с ними, но также и на то, что происходит в удаленных областях пространства.

В общем, ни Шрёдингер, ни Гейзенберг не раскрыли загадку нелокальности, а усугубили ее. Действительно, теория казалась немного обрывочной. Если теория относительности органически проистекала из одного-единственного убедительного принципа (симметрии) и быстро была принята, то квантовая механика была кое-как слеплена из разных не связанных друг с другом догадок, и физикам приходилось восстанавливать базовые принципы, которые она воплощала, уже по готовой теории. Ситуация была очень похожа на то замешательство, которое возникло в связи с теорией гравитации Ньютона два столетия назад. Чтобы понять, что они сотворили, физикам пришлось смотреть дальше уравнений и обратиться к интуиции за подсказкой о том, как должен быть устроен мир. Именно тогда начались настоящие споры.

Эйнштейн и Шрёдингер заняли позицию, аналогичную позиции критиков Ньютона, таких как Лейбниц: поскольку теория предсказывает нелокальность, она должна быть предварительной, временной. Теория не была неправильной, но она была неполной. Должна быть какая-то более глубокая теория, которая объясняет нелокальность. Бор и Гейзенберг утверждали, что это не так, что теория не была предварительной. Это было заключительное слово в физике. Безусловно, Эйнштейн и Шрёдингер соглашались друг с другом не во всем, и Бор с Гейзенбергом тоже не всегда сходились во взглядах. Но все же справедливо говорить о двух сторонах в споре хотя бы потому, что ученые сами воспринимали это таким образом.

Представления Бора и Гейзенберга превратились в так называемую копенгагенскую интерпретацию. Один из ее центральных принципов заключается в том, что природа по сути своей случайна. Обоснование этого принципа было отчасти эмпирическим. Квантовые процессы выглядят случайными — например, когда атом испускает фотон, момент этого события, а также направление вылета фотона не определяется ни одним известным законом. Но сторонники копенгагенской интерпретации пошли дальше, чем того строго требовали экспериментальные данные, и утверждали, что никакого такого закона не может существовать, и точка. Волновая функция определяет вероятность обнаружения частицы в данной точке пространства или вероятность ее движения с данной скоростью. Пока никто не начнет искать эту частицу, она существует в состоянии неопределенности, не имея конкретного местоположения, ни импульса, но характеризуется множеством возможностей. Измеряя ее положение, экспериментатор вызывает коллапс волновой функции, которая превращается в узкий пик, случайным образом расположенный в пределах диапазона возможностей, и частица появляется в определенном месте. Коллапс происходит внезапно и необъяснимо, он выходит за рамки уравнений Шрёдингера и Гейзенберга. Как писал один философ: «Этот коллапс является чудом в буквальном смысле».