Квант. Эйнштейн, Бор и великий спор о природе реальности - Манжит Кумар

К концу ноября 1933 года жизнь в Принстоне стала казаться Эйнштейну привлекательной. “Принстон — замечательное местечко, забавный и церемонный поселок незначительных напыщенных полубогов, — писал он бельгийской королеве Елизавете. — Игнорируя некоторые условности, мне удалось создать себе атмосферу, позволяющую работать и избегать того, что от работы отвлекает”54. В апреле 1934 года Эйнштейн заявил, что желает остаться в Принстоне навсегда. “Перелетная пташка” обрела гнездо.

Глава 13.

Квантовая реальность

“Принстон — сумасшедший дом... Эйнштейн — совсем чокнутый”, — написал Роберт Оппенгеймер в январе 1935 года1. Тогда самому известному физику-теоретику, воспитанному Америкой, был тридцать один год. Через двенадцать лет, уже человеком, возглавившим работы по созданию атомной бомбы, Оппенгеймер вернется в Институт перспективных исследований, чтобы руководить “сумасшедшим домом” и населяющими его “солипсическими светилами, сверкающими в отделенном от мира и беспомощном уединении”2. К этому времени Эйнштейн уже смирился с тем, что благодаря его критическому отношению к квантовой механике в Принстоне его “считают старым дураком”3.

Это мнение было широко распространено среди нового поколения физиков, впитавших эту теорию с молоком матери и согласных с оценкой Дирака, что квантовая механика объясняет “практически всю физику и химию”4. Теория пользовалась оглушительным успехом, и для них не имела значения склока стариков, все еще пытающихся понять смысл квантовой механики. К концу 20-х годов, когда удалось последовательно, одну за другой, решить задачи ядерной физики, внимание сместилось от атомов к ядрам. В начале 30-х годов открытие нейтрона Джеймсом Чедвиком в Кембридже и работы Энрико Ферми и его группы в Риме по исследованию реакций, происходящих при столкновении нейтронов с ядрами, открыли новые горизонты ядерной физики5. В 1932 году Джон Кокрофт и Эрнест Уолтон, коллеги Чедвика по Кавендишской лаборатории, руководимой Резерфордом, сконструировали первый ускоритель частиц, с помощью которого было расщеплено атомное ядро.

Да, Эйнштейн переехал из Берлина в Принстон, но физика продолжала свое движение и без него. Он знал это, но чувствовал, что заработал право заниматься той физикой, которая интересует его самого. В октябре 1933 года, когда Эйнштейн явился в Институт перспективных исследований, ему показали кабинет и спросили, какое ему потребуется оборудование. “Конторка или стол, стул, бумага и карандаш, — ответил он. — О да! И еще большая корзина для мусора, чтобы я мог выбрасывать туда мои ошибки”6. Их было в избытке, но Эйнштейн не унывал: он занимался поисками своего Грааля — единой теории поля.

Точно так же, как Максвелл в XIX веке объединил в рамках единой теории электричество, магнетизм и свет, Эйнштейн надеялся объединить электромагнетизм и общую теорию относительности. Для него такое объединение было шагом логически верным и неизбежным. Первую попытку построить подобную теорию он предпринял еще в 1925 году. Эта попытка закончилась ничем. После открытия квантовой механики Эйнштейн верил, что и эту новую физику можно будет вывести из единой теории поля.

После Сольвеевского конгресса 1930 года прямых контактов между Бором и Эйнштейном практически не было. Важный канал связи исчез после самоубийства Пауля Эренфеста в сентябре 1933 года. Отдавая дань памяти друга, Эйнштейн писал об его внутренней борьбе, попытках понять квантовую механику, о возрастающей “сложности восприятия новых идей, с которой всегда сталкиваются люди старше пятидесяти. Я не знаю, кто из читателей этих строк сможет полностью осознать всю глубину такой трагедии”7.

Многие ошибочно приняли слова Эйнштейна за жалобу на собственное угнетенное состояние. Теперь, когда ему было больше пятидесяти, он понимал, что его считают реликтом, отказывающимся или неспособным жить с квантовой механикой. Но он знал также, чем он и Шредингер отличаются от многих физиков: “Почти все наши коллеги смотрят не на теорию через призму фактов, а на факты через призму теории. Они не могут выбраться из концептуальной сети, в которую однажды попали, и теперь им остается только нелепо барахтаться в ней”8.

Несмотря на конфликт поколений, всегда находились молодые люди, страстно желавшие работать с Эйнштейном. Один из них — двадцатипятилетний Натан Розен из Нью-Йорка, который в 1934 году покинул Массачусетский технологический институт, чтобы стать ассистентом Эйнштейна. За несколько месяцев до этого сотрудником Института перспективных исследований стал и родившийся в России тридцатидевятилетний Борис Подольский. Они встретились с Эйнштейном в 1931 году в Калифорнийском технологическом институте и сделали там совместную работу. Теперь у Эйнштейна созрела идея еще одной статьи. Она должна была стать новой вехой в его дебатах с Бором, началом новой атаки на копенгагенскую интерпретацию.

На Сольвеевских конгрессах 1927 и 1930 годов Эйнштейн пытался обойти принцип неопределенности. Он хотел показать, что квантовая механика не самосогласованна и, следовательно, не полна. Бор с помощью Гейзенберга и Паули отбил все атаки и защитил копенгагенскую интерпретацию. Впоследствии Эйнштейн согласился с тем, что квантовая механика логически самосогласованна, но не считал ее той законченной теорией, которой, по заявлению Бора, она являлась. Эйнштейну нужна была новая стратегия, чтобы показать неполноту квантовой механики и ее неспособность отобразить физическую реальность целиком. Для этого он разработал мысленный эксперимент, объяснить который удалось очень нескоро.

В начале 1935 года Эйнштейн, чтобы тщательно обсудить свою новую идею, несколько недель подряд встречался с Подольским и Розеном. На Подольского легла задача написания окончательного текста статьи, а Розен выполнил большинство расчетов. Как вспоминал позднее Розен, Эйнштейн “сформулировал общую постановку задачи и ее смысл”9. Статья Эйнштейна — Подольского — Розена (ЭПР) “Можно ли считать, что квантово-механическое описание физической реальности является полным?” занимала всего четыре страницы. Она была отправлена в печать в конце марта и опубликована 15 мая в американском журнале “Физикал ревю”10. Ответ ЭПР на поставленный вопрос был однозначным: “Нет”. Еще до того, как статья вышла, имя Эйнштейна обеспечило ей никому не нужную рекламу.

Четвертого мая 1935 года, в субботу, на одиннадцатой странице “Нью-Йорк тайме” появилась заметка с интригующим заголовком: “Эйнштейн нападает на квантовую теорию”. В статье говорилось: “Профессор Эйнштейн готовит атаку на важную научную теорию — квантовую механику, которой он приходится чем-то вроде дедушки. Он пришел к выводу, что, несмотря на то, что эта теория ‘правильна’, она не ‘полна’”. Тремя днями позднее газета напечатала заявление явно раздраженного Эйнштейна. Хотя и не новичок в общении с прессой, он писал, что “привык обсуждать научные проблемы только с соответствующим кругом лиц и резко осуждает появление любых предварительных заявлений, касающихся таких вопросов, в обычной печати”11.

Свою статью Эйнштейн, Подольский и Розен начали с установления разграничения между физической реальностью как таковой и ее физическим осмыслением: “При анализе физической теории необходимо учитывать различие между объективной реальностью, которая не зависит ни от какой теории, и теми физическими понятиями, которыми эта теория оперирует. Эти понятия вводятся в качестве элементов, которые должны соответствовать объективной реальности, и с помощью этих понятий мы представляем себе эту реальность”12. По утверждению ЭПР, оценивая успех любой физической теории, надо недвусмысленно ответить “да” на два вопроса: правильна ли теория? является ли даваемое теорией описание полным?

“Вопрос о правильности теории решается в зависимости от степени согласия между выводами теории и человеческим опытом,” — утверждается в статье ЭПР. С этим утверждением согласится любой физик, если “опыт” представляет собой эксперимент и измерения. На тот момент не было никаких противоречий между экспериментами, выполненными в лаборатории, и теоретическими предсказаниями квантовой механики. Значит, эта теория правильна. Но Эйнштейну было мало того, что теория правильна и согласуется с экспериментом. Она должна быть полной.

Чтобы точно определить смысл, вкладываемый в термин “полная”, ЭПР сформулировали необходимое условие полноты теории: “Каждый элемент физической реальности должен иметь отражение в физической теории”13. Чтобы иметь возможность применять это условие в дальнейших рассуждениях, ЭПР пришлось определить, что собой представляет “элемент реальности”.