Космос Эйнштейна. Как открытия Альберта Эйнштейна изменили наши представления о пространстве и времени - Митио Каку

Противоречия проявились в 1930 г. на Шестом Сольвеевском конгрессе в Брюсселе. На кону стояла, ни много ни мало, природа самой реальности. Эйнштейн неустанно нападал на Бора, который шатался под непрерывными ударами, но все же умудрялся достойно защищать свою позицию. В конце концов Эйнштейн предложил элегантный «мысленный эксперимент», который должен был, по его мнению, покончить с «демоном», то есть с принципом неопределенности. Представьте ящик с источником излучения внутри. В ящике имеется отверстие с заслонкой. Если заслонку приоткрыть ненадолго, она выпустит из ящика одиночный фотон. Таким образом, мы с большой точностью можем измерить момент времени, когда этот фотон был излучен. Много позже ящик можно взвесить. Поскольку фотон улетел, ящик весит меньше, чем прежде. Учитывая эквивалентность вещества и энергии, мы можем сказать, сколько всего энергии содержится в ящике, и тоже с большой точностью. Таким образом, мы знаем и полную энергию, и время открытия заслонки с любой наперед заданной точностью, без какой бы то ни было неопределенности; из этого следует, что принцип неопределенности неверен. Эйнштейн считал, что ему удалось наконец найти инструмент, который позволит покончить с новой квантовой теорией.

Пауль Эренфест, один из участников конгресса и свидетель той яростной схватки, позже писал: «Для Бора это был тяжелый удар. Ему не удалось сразу же увидеть решение. Весь вечер он был очень мрачен и расстроен; он ходил от одного к другому и пытался убедить всех, что это не может быть правдой, потому что если это правда, то физике конец. Но и опровержения утверждению Эйнштейна он придумать не мог. Я никогда не забуду, в каком виде два оппонента покинули университетский клуб. Эйнштейн, само величие, шагал спокойно со слабой ироничной улыбкой, а Бор почти бежал рядом с ним, чрезвычайно расстроенный». Позже в тот же вечер, оказавшись рядом с Эренфестом, Бор мог только невнятно бормотать одно и то же: «Эйнштейн… Эйнштейн… Эйнштейн». Но после бессонной ночи, проведенной в напряженных раздумьях, Бор все же сумел отыскать брешь в аргументах Эйнштейна – и одолел его при помощи его же собственной теории относительности. Бор обратил внимание на то, что, поскольку ящик весит теперь меньше, чем раньше, он должен слегка приподняться в поле тяготения Земли. Но, согласно общей теории относительности, время при ослаблении гравитации ускоряется (так что на Луне, к примеру, время идет быстрее). Таким образом, любая крохотная неопределенность в измерении времени закрытия заслонки должна переводиться в неопределенность в измерении положения ящика. Получается, невозможно измерить положение ящика с абсолютной определенностью. Более того, любая неопределенность веса ящика отразится на неопределенности его энергии и, кроме того, его импульса, поэтому вы не сможете узнать импульс ящика с абсолютной точностью. Если подвести итог, то две неопределенности, отмеченные Бором, – неопределенность положения и неопределенность импульса – в точности согласуются с принципом неопределенности. Бор отстоял квантовую теорию. Когда же Эйнштейн пожаловался «Бог не играет с миром в кости», Бор, как говорят, резко ответил: «Перестаньте указывать Богу, что делать».

В конечном итоге Эйнштейну пришлось признать, что Бор успешно опроверг выдвинутые им аргументы. Позже Эйнштейн писал: «Я убежден, что эта теория, несомненно, содержит кусочек безусловной истины». Комментируя тот исторический спор Бора и Эйнштейна, Джон Уилер сказал, что это был «величайший спор в интеллектуальной истории, о котором я знаю. За 30 лет я не слышал ни об одном споре, который имел бы место между двумя более великими людьми, длился бы дольше и был посвящен более глубокому вопросу с более глубокими последствиями для понимания нашего странного мира».

Шрёдингер, тоже ненавидевший новую интерпретацию его уравнения, предложил знаменитый мысленный эксперимент с котом, чтобы попытаться пробить брешь в принципе неопределенности. Шрёдингер писал о квантовой механике: «Она мне не нравится, и мне жаль, что я имел к ней какое-то отношение». Самая нелепая задача, писал он, это задача о коте, запертом в ящике, внутри которого находится бутылка с синильной кислотой, летучим ядовитым веществом. Над бутылкой висит молоток, которым управляет счетчик Гейгера, соединенный с кусочком радиоактивного вещества. Никто не спорит с тем, что радиоактивный распад – это квантовый эффект. До тех пор, пока уран не начал распадаться, кот остается живым. Но как только начнется распад одного из атомов, счетчик сработает и запустит механизм, отпускающий молоток: стекло разобьется, и яд убьет кота. Но, согласно квантовой теории, мы не можем предсказать, когда именно произойдет распад атома урана. В принципе, он может существовать одновременно в обоих состояниях – и целым, и распавшимся. Но если атом урана может существовать одновременно в обоих состояниях, это означает, что кот тоже должен существовать в обоих состояниях. Возникает вопрос: жив кот или мертв?

В обычных обстоятельствах это глупый вопрос. Даже если мы не можем открыть ящик, здравый смысл подсказывает, что кот либо жив, либо мертв. Невозможно быть живым и мертвым одновременно; это противоречит всему, что мы знаем о Вселенной и физической реальности. Однако квантовая теория дает нам странный ответ. Суть его состоит в том, что мы этого просто не знаем. До момента, когда мы откроем ящик, кот представлен волновой функцией, а волновые функции можно складывать, как числа. Нам приходится складывать волновую функцию мертвого кота с волновой функцией живого кота. Таким образом, получается, что кот и не жив, и не мертв, пока вы не откроете ящик. Пока кот заперт внутри ящика, вы можете сказать лишь, что одновременно существуют волновые функции, представляющие и мертвого, и живого кота.

Открыв ящик, мы можем провести наблюдение и увидеть своими глазами, жив кот или мертв. Процесс наблюдения, проводимый внешним наблюдателем, вызывает «коллапс» волновой функции и определяет точное состояние кота. После этого мы уже точно знаем, жив он или не жив. Ключевой момент здесь – процесс наблюдения, проводимый внешним наблюдателем. Мы посветили фонариком внутрь ящика, волновая функция коллапсировала, и объект внезапно приобретает определенное состояние.

Иными словами, процесс наблюдения определяет конечное состояние объекта. Слабость копенгагенской интерпретации Бора заключается в вопросе: но существуют ли тогда объекты до того, как вы проведете наблюдение? Эйнштейну и Шрёдингеру все это казалось нелепостью. Эйнштейн до конца жизни без особого успеха сражался с этими глубокими философскими вопросами (которые даже сегодня порождают ожесточенные споры).