Идеи с границы познания. Эйнштейн, Гёдель и философия науки - Джим Холт

И если задача представляется абсолютно неразрешимой, дело, вероятно, в более глубоком вопросе: чего мы, собственно, ждем от физики – рецептов для прогнозов или единой картины реальности?

Именно этот вопрос вызвал разногласия между Эйнштейном и Бором на заре квантовой механики. Выражаясь метафизически, Эйнштейн был «реалистом»: он верил в объективный физический мир, существующий независимо от наших наблюдений. И считал, что дело физики – дать полное умопостигаемое описание этого мира. «Реальность – вот подлинный предмет физики», – говорил он.

Напротив, Бор был печально знаменит расплывчатостью своих метафизических убеждений. Иногда он был больше похож на «идеалиста» (в философском смысле) и утверждал, что физические свойства становятся определенными, только если их измерить, а следовательно, реальность до определенной степени создается актом наблюдения. Иногда он склонялся к «инструментализму» и утверждал, что квантовая механика призвана быть инструментом для предсказания наших наблюдений, а не подлинной репрезентацией мира, скрывающегося за этими наблюдениями. «Нет никакого квантового мира», – подкалывал он собеседников.

Бора квантовая теория устраивала, Эйнштейна – нет. В популярной литературе часто встречается утверждение, что Эйнштейн возражал против квантовой механики, поскольку она делала случайность фундаментальной составляющей реальности. «Бог не играет в кости», – говорил он, как известно. Но на самом деле Эйнштейна беспокоила не случайность сама по себе. Его мучили подозрения, что видимость случайности в квантовой механике – признак того, что новая теория рассказывает о происходящем в физическом мире не все. И принцип локальности играл в этих подозрениях важную роль.

Вот как выглядел самый простой мысленный эксперимент, который Эйнштейн придумал, чтобы показать, в чем суть его недоверия к квантовой механике. Эксперимент стал известен как «коробки Эйнштейна», поскольку именно Эйнштейн рассказал о нем в 1927 году (хотя впоследствии его переформулировали де Бройль, Шрёдингер и Гейзенберг). Для начала возьмем коробку с одной частицей, например, с электроном. Согласно квантовой механике, у электрона в коробке нет определенного местонахождения, пока мы не заглянем в коробку и не посмотрим, где он. До этого акта наблюдения электрон представляет собой смесь потенциальных локаций, распределенную по всей коробке. Эта смесь математически выражается «волновой функцией», которая описывает разные вероятности обнаружить электрон в разных локациях внутри коробки, если проделать эксперимент (по-французски волновая функция образно называется densité de présence – плотность присутствия). Потенциальность превращается в реальность, только когда сделано наблюдение. Тогда волновая функция «коллапсирует» (по выражению физиков) в одну точку, и локация электрона становится определенной.

Теперь предположим, что перед тем, как проводить подобный эксперимент с наблюдением, мы вставляем в середину коробки с электроном перегородку. Если сделать это правильно, волновая функция заключенного внутри электрона разделится надвое – грубо говоря, половина волновой функции окажется слева от перегородки, а половина – справа. Таково полное квантовое описание физической ситуации: нет какой-то более глубокой истины, гласящей, по какую сторону от перегородки электрон находится «на самом деле». Волновая функция говорит не о том, что мы не знаем, где находится частица, она отражает подлинную неопределенность мира.

Теперь разделим коробку на две половинки там, где проходит перегородка. Левую половинку коробки мы отправим самолетом в Париж, а правую – в Токио. Когда коробки прибудут в места назначения, физик в Токио проделает эксперимент и посмотрит, находится ли электрон в правой половине коробки. Квантовая механика гласит, что результат этого эксперимента подлинно случаен – это как бросить монетку. Поскольку волновая функция поделена надвое между двумя половинками коробки, шансы, что токийский физик обнаружит присутствие электрона, – пятьдесят на пятьдесят.

Так вот, предположим, он обнаружит электрон. В этот момент волновая функция коллапсирует. Акт обнаружения электрона в токийской коробке приведет к тому, что часть волновой функции, связанная с парижской коробкой, мгновенно исчезнет. То есть парижская коробка словно бы телепатически знает результат токийского эксперимента (вроде бы случайный) и ведет себя соответственно. Если теперь парижский физик заглянет в левую половинку коробки, то точно не найдет электрона. (Разумеется, «коллапс» мог произойти и наоборот, и тогда парижский физик нашел бы электрон.)

Так все должно было бы происходить согласно ортодоксальной квантовой механике в том виде, в каком ее разрабатывали Бор, Гейзенберг и другие основатели теории. Это называется «Копенгагенская интерпретация квантовой механики», поскольку Бор руководил физическим факультетом Копенгагенского университета. Согласно Копенгагенской интерпретации, сам акт наблюдения заставляет распределенные вероятности коллапсировать в одну частицу, находящуюся в строго определенном месте. Отсюда следует и фраза, которую называли лучшим объяснением квантовой механики не более чем в пяти словах: «Не смотришь – волна, смотришь – частица».

По мнению Эйнштейна, это была бессмыслица. Каким образом простой взгляд в коробку заставляет распределенную потенциальность мгновенно схлопнуться в точечную актуальность? И если заглянуть в коробку в Токио, каким образом это мгновенно меняет физическое состояние коробки на другом краю земли, в Париже? Вот оно, «призрачное действие на расстоянии», очевидное нарушение принципа локальности. Значит, в копенгагенскую интерпретацию вкралась ошибка.

Интуиция подсказывала Эйнштейну в точности то же самое, что и здравый смысл: частица с самого начала была либо в одной половинке коробки, либо в другой. Поэтому, заключал Эйнштейн, квантовая механика неполна. Она дает размытую картину четкой реальности, а не четкую картину размытой реальности, как утверждали сторонники копенгагенской интерпретации.

Бор не пытался опровергнуть простую логику коробок Эйнштейна. Он направил свой полемический задор на более поздний и сложный мысленный эксперимент, который Эйнштейн придумал в тридцатые годы, когда уже покинул Германию и перебрался в Институт передовых исследований. Этот эксперимент называется «Парадокс Эйнштейна – Подольского – Розена», или просто ЭПР в честь Эйнштейна и двух его младших сотрудников – Бориса Подольского (из России) и Натана Розена (из Бруклина).

Мысленный эксперимент ЭПР предполагает, что существует пара частиц, которые возникли вместе, а затем пошли каждая своей дорогой. Эйнштейн считал, что согласно квантовой механике эти частицы должны быть «запутаны», то есть у них сохранится корреляция в том, как они реагируют на эксперименты, независимо от того, насколько далеко они разойдутся. В качестве примера рассмотрим, что происходит, когда «возбужденный» атом, то есть атом, уровень энергии которого искусственно повышен, делится избытком энергии, испустив пару фотонов (частиц-компонентов света). Эти два фотона разлетаются в противоположных направлениях и в конце концов достигают границ галактики и вылетают за них. Однако квантовая механика говорит, что какое бы расстояние ни разделяло два фотона, они остаются запутанными в единую квантовую систему. Если они станут субъектами одного и того же эксперимента, каждый будет реагировать в точном соответствии с партнером. Если, например, мы увидим, как ближайший фотон успешно проходит сквозь поляризационный фильтр, скажем, солнечные очки, мы автоматически узнаем, что его далекий