Квантовая физика: проблемы не локального характера, или играет ли Бог в кости?
В предыдущий раз я остановил свой рассказ на том, что А.Эйнштейн, который, кстати говоря, был одним из основоположников квантовой теории, усматривал в своём детище ряд проблем. Суть претензий учёного можно свести к ёмкой фразе, с которой он однажды обратился к Н.Бору: "Я не могу допустить мысли о том, чтобы Бог бросал игральные кости".
Поясню подробней, что имеется ввиду. Эйнштейн полагал, что квантовая теория даёт природе далеко не полное описание. Казалось бы, полнота научной теории должна обеспечиваться тем, что каждый объект окружающей реальности получил бы в ней определённое отражение в виде конкретной физической величины: весит сколько-нибудь гиря - написали на бумаге букву "m", назвали её массой, придумали, как бы её нам измерить, и сделали это. Висит на каком-нибудь расстоянии от земли яблоко - точно так же нарисовали букву "h", назвали её высотой, взяли линейку и т.д.
По мысли Эйнштейна, физическая величина в научной теории должна не только выражать собой конкретный элемент реальности, но также быть чем-то вполне "осязаемым": ничто не должно нам мешать измерить расстояние, разделяющее яблоко и землю, как и скорость, с которой оно с дерева упало бы вниз на голову экспериментатора. Действительно, ведь противном случае параметр физической системы (координата или скорость) стала бы чем-то чисто умозрительным и существующим лишь в виде буквы на бумаге (плода воспалённой фантазии физика-теоретика), и неизбежно потеряла бы свою ценность как нечто объективно реальное.
Тут-то великий ум и столкнулся с противоречием между своими взглядами и постулатом новой теории - принципом неопределённости, - и той ролью, которую в ней играет волновая функция - собственно, основное средство, предлагаемое квантовой механикой для описания объективной реальности и претендующее на пресловутую "полноту". И не будь Эйнштейн гением, не предложил бы он веских аргументов в пользу своей правоты. Итак, один из подозрительных и парадоксальных на первый взгляд аспектов квантовой механики состоит в её нелокальности. Что это значит?
Эйнштейн предложил рассмотреть пример перепутанного состояния (EPR-пары) - объекта состоящего из двух жёстко связанных (коррелированных) между собой компонентов, например, электрона и протона, о которых я вёл речь в предыдущем посте. Напрягши воображение представим, что деликатно воздействуя на частицы (постоянным электрическим полем, например), мы можем удалить их друг от друга на большое расстояние, никак не нарушив, притом, состояния квантовой перепутанности между ними. Прелесть такого состояния в том, что, в принципе, оно никуда не должно исчезнуть даже если электрон с протоном будут разделены железобетонной стеной.Таким образом, ничто не мешает нам представить две лаборатории, находящиеся на разных краях Вселенной, в одной из которых под стеклом на чёрном бархате в чёрном ящике помещён электрон, - а в другой, точно также, - протон. Наличие чёрного ящика, я напомню, принципиально для нас, потому что ключевым условием квантовой перепутанности двух объектов является наличие неопределённости в состоянии каждого из них - в данном случае важна неизвестность проекций спинов у частиц.
А теперь, внимание, барабанная дробь: откроем один из ящиков - допустим, тот, в котором находится электрон. Это значит, что нам, открывшим ящик на одном краю Вселенной, становится известной проекция спина электрона. Но, мало того, благодаря эффекту перепутывания, определённой для нас становится проекция спина протона, находящегося от нас за сотни миллионов световых лет - мы знаем, что она обязана быть противоположной проекции спина электрона. И происходит это мгновенно, казалось бы, вопреки постулату теории относительности, который гласит, что любая информация не может передаваться со скоростью, превышающей скорость света в вакууме, т.е. 300 000 км/с.
Отсюда следует и нарушение принципа причинно-следственных связей: никакое событие-следствие не может наступить одновременно с событием-причиной, т.к. любому взаимодействию, обуславливающему два эти явления, требуется время на то, чтобы их "связать". Поэтому непонятно, как может быть так, чтобы измерение спина электрона, проведённое нами в одной точке, в то же мгновение повлияло на состояние протона, вдруг обретшего определённую проекцию спина за многие миллионы световых лет от нас.
Именно так проявляется парадоксальная нелокальность квантовой теории. В том споре Н.Бор нашёлся, что сказать, и мудро ответил Эйншейну: "Не указывайте Богу, что делать!" В следующем посте и я расскажу вам, как сторонники ортодоксальной квантовой теории выпутываются из указанных противоречий.
Поясню подробней, что имеется ввиду. Эйнштейн полагал, что квантовая теория даёт природе далеко не полное описание. Казалось бы, полнота научной теории должна обеспечиваться тем, что каждый объект окружающей реальности получил бы в ней определённое отражение в виде конкретной физической величины: весит сколько-нибудь гиря - написали на бумаге букву "m", назвали её массой, придумали, как бы её нам измерить, и сделали это. Висит на каком-нибудь расстоянии от земли яблоко - точно так же нарисовали букву "h", назвали её высотой, взяли линейку и т.д.
По мысли Эйнштейна, физическая величина в научной теории должна не только выражать собой конкретный элемент реальности, но также быть чем-то вполне "осязаемым": ничто не должно нам мешать измерить расстояние, разделяющее яблоко и землю, как и скорость, с которой оно с дерева упало бы вниз на голову экспериментатора. Действительно, ведь противном случае параметр физической системы (координата или скорость) стала бы чем-то чисто умозрительным и существующим лишь в виде буквы на бумаге (плода воспалённой фантазии физика-теоретика), и неизбежно потеряла бы свою ценность как нечто объективно реальное.
Тут-то великий ум и столкнулся с противоречием между своими взглядами и постулатом новой теории - принципом неопределённости, - и той ролью, которую в ней играет волновая функция - собственно, основное средство, предлагаемое квантовой механикой для описания объективной реальности и претендующее на пресловутую "полноту". И не будь Эйнштейн гением, не предложил бы он веских аргументов в пользу своей правоты. Итак, один из подозрительных и парадоксальных на первый взгляд аспектов квантовой механики состоит в её нелокальности. Что это значит?
Эйнштейн предложил рассмотреть пример перепутанного состояния (EPR-пары) - объекта состоящего из двух жёстко связанных (коррелированных) между собой компонентов, например, электрона и протона, о которых я вёл речь в предыдущем посте. Напрягши воображение представим, что деликатно воздействуя на частицы (постоянным электрическим полем, например), мы можем удалить их друг от друга на большое расстояние, никак не нарушив, притом, состояния квантовой перепутанности между ними. Прелесть такого состояния в том, что, в принципе, оно никуда не должно исчезнуть даже если электрон с протоном будут разделены железобетонной стеной.Таким образом, ничто не мешает нам представить две лаборатории, находящиеся на разных краях Вселенной, в одной из которых под стеклом на чёрном бархате в чёрном ящике помещён электрон, - а в другой, точно также, - протон. Наличие чёрного ящика, я напомню, принципиально для нас, потому что ключевым условием квантовой перепутанности двух объектов является наличие неопределённости в состоянии каждого из них - в данном случае важна неизвестность проекций спинов у частиц.
А теперь, внимание, барабанная дробь: откроем один из ящиков - допустим, тот, в котором находится электрон. Это значит, что нам, открывшим ящик на одном краю Вселенной, становится известной проекция спина электрона. Но, мало того, благодаря эффекту перепутывания, определённой для нас становится проекция спина протона, находящегося от нас за сотни миллионов световых лет - мы знаем, что она обязана быть противоположной проекции спина электрона. И происходит это мгновенно, казалось бы, вопреки постулату теории относительности, который гласит, что любая информация не может передаваться со скоростью, превышающей скорость света в вакууме, т.е. 300 000 км/с.
Отсюда следует и нарушение принципа причинно-следственных связей: никакое событие-следствие не может наступить одновременно с событием-причиной, т.к. любому взаимодействию, обуславливающему два эти явления, требуется время на то, чтобы их "связать". Поэтому непонятно, как может быть так, чтобы измерение спина электрона, проведённое нами в одной точке, в то же мгновение повлияло на состояние протона, вдруг обретшего определённую проекцию спина за многие миллионы световых лет от нас.
Именно так проявляется парадоксальная нелокальность квантовой теории. В том споре Н.Бор нашёлся, что сказать, и мудро ответил Эйншейну: "Не указывайте Богу, что делать!" В следующем посте и я расскажу вам, как сторонники ортодоксальной квантовой теории выпутываются из указанных противоречий.