165
У Нильса Бора и Альберта Эйнштейна было несколько споров на тему странного мира квантовой механики. Это касалось принципа неопределённости Гейзенберга, квантовой запутанности, ЭПР парадокса. И Бор и Эйнштейн, признавали правильность физических формул. Все противоречия касались исключительно интерпретаций, описаний квантово-механических явлений.
До появления квантовой механики самой очевидной истиной в физике считался локальный реализм. Любое тело или частица, существует в определённый момент времени в определённом месте, независимо от того, наблюдают за ним сейчас или нет. Даже в самой запутанной на тот момент, но в то же время проверенной физической теории – теории относительности Эйнштейна, локальный реализм выполнялся чётко.
Ситуация изменилась с появлением принципа неопределённости Гейзенберга – У частицы не могут быть одновременно точно измерены положение и скорость (импульс). Точность измерения подчиняется математическому выражению ΔХ*ΔР ≥ h/2, где h – постоянная величина, приведённая постоянная Планка.
Эйнштейн, всегда стремившийся к максимальной точности и законченности физических теорий, не мог просто так принять этот абсурд, и поэтому придумал свой способ обойти принцип неопределённости. Бор, внимательно изучив мысленный эксперимент Эйнштейна, пришёл к выводу, что Эйнштейн не учёл одну очень важную деталь, и таким образом забраковал его идею.
По мере развития квантовой механики, её абсурдность с точки зрения здравого смысла росла. Бор и другие учёные усомнились в концепции локального реализма, краеугольного камня всех существующих на тот момент физических теорий.
В интерпретации Бора, частицы и их параметры не существовали до измерения, они приобретали реальность и обретали свои параметры исключительно в момент измерения. Эйнштейн отмёл этот абсурд фразой: “Я уверен, что Луна существует даже тогда, когда я на неё не смотрю”.
В 1926 году Эрвин Шредингер вывел своё уравнение, в котором фигурировала волновая функция, задающая плотность вероятности обнаружения частицы в определённом месте.
Бор и другие учёные, интерпретировали поведение частицы как принципиально вероятностное и непредсказуемое. В дальнейшем это было сформулировано в Копенгагенской интерпретации:
Волновая функция (вектор состояния) следует унитарной эволюции во времени, описываемой уравнением Шредингера.
Физическим смыслом волновой функции является амплитуда вероятности, квадрат которой есть вероятность обнаружить систему при измерении в определенном состоянии.
При измерении функция «коллапсирует», то есть сосредотачивается в точке, соответствующей результату измерения. Вся остальная информация об исходной функции теряется.
Эта интерпретация вообще не объясняла ничего, а только ещё больше всех запутывала. Эйнштейн как стойкий приверженец более простых объяснений ответил Бору: «Я уверен, что Бог не играет в кости”. Другими словами: “Если мы чего-то не можем предсказать, то это не значит, что в природе также непредсказуемо всё происходит”. Бор, очевидно не понявший глубинного смысла фразы, ответил: «Эйнштейн, не указывайте Богу, что ему делать».
Дальнейшее развитие спора произошло после открытия явления квантовой запутанности. Физические параметры частиц, имеющих общее происхождение, оказываются взаимозависимыми. Например, если при измерении спина одной частицы её спиральность оказывается положительной, то спиральность второй оказывается отрицательной и наоборот. Такая взаимозависимость сохраняется, даже если эти объекты разнесены в пространстве за пределы любых известных взаимодействий.
Эти факты следовало как-то объяснить. Бор продолжал настаивать на принципиально вероятностном поведении частиц. Эйнштейн заметил, что из интерпретации Бора следует сверхсветовая скорость передачи взаимодействий, что противоречило бы его теории относительности. Эйнштейн, совместно с другими учёными, предложил ещё один мысленный эксперимент, который в случае подтверждения опровергал бы и концепции Бора, и заодно принцип неопределённости. Парадокс Эйнштейна – Подольского – Розена:
Допустим, две одинаковые частицы b и c образовались в результате распада третьей частицы a. В этом случае, по закону сохранения импульса, их суммарный импульс должен быть равен исходному импульсу третьей частицы, то есть импульсы двух частиц должны быть связаны. Это даёт возможность измерить импульс одной частицы b и по закону сохранения импульса рассчитать импульс второй c, не внося в её движение никаких возмущений. Теперь, измерив координату второй частицы, можно получить для этой частицы значения двух неизмеримых одновременно величин, что по законам квантовой механики невозможно.
Исходя из этого, можно было бы заключить, что соотношение неопределённостей не является абсолютным, а законы квантовой механики являются неполными и должны быть в будущем уточнены.
Ответ Бора по сути был примерно таким. Принцип неопределённости и уравнение Шредингера для запутанных частиц обязаны соблюдаться на любых расстояниях. Следовательно, внося возмущения в состояние при измерении первой частицы, мы вносим возмущения в состояния и второй частицы тоже. При этом взаимодействие (или нечто другое) передаётся со скоростью выше скорости света. Передать информацию именно таким способом не получится. Полученные значения для одной из частиц будут принципиально вероятностны. Следовательно это не противоречит теории относительности.
В современной наглядной интерпретации в лучших традициях Моргана Фримана, это выглядит примерно так:
До проведения измерения, запутанные частицы одновременно находятся во всех возможных состояниях, т.н. суперпозиции состояний, подобно вращающейся игровой рулетке. Пока она не остановилась, она обладает одновременно всеми возможными состояниями. В момент измерения происходит коллапс волновой функции, мгновенно во всём окружающем пространстве (призрачное дальнодействие) и частицы-рулетки оказываются в полностью противоположных состояниях.
Эйнштейн, как сторонник бритвы Оккама, предложил более простое объяснение этого явления. Запутанные частицы, имеющие общее происхождение, подобны паре перчаток. Они изначально «рождаются» инверсными, или правыми или левыми, и всегда ими остаются. Доставая перчатки из ящиков, разнесённых на миллионы километров, они также остаются или левыми или правыми. Никакого переноса информации при этом не происходит.
После таких аргументов, и Эйнштейну и Бору казалось, что и ту и другую интерпретацию экспериментально проверить невозможно. Экспериментальная физика может лишь показать данные результата измерения, но никогда не сможет дать ответы на то, что происходит с частицами до измерения. Интерпретации перешли в философскую плоскость.
Эйнштейн умер в 1955 году полностью убеждённым в неполноте квантовой механики и абсурдности волновой интерпретации. Бор умер в 1962 году, также оставшись при своём аргументированном мнении.
Как оказалось гораздо позже, и ту и другую интерпретацию экспериментально проверить всё таки можно. Об этом я напишу в следующей статье.