Джим Аль-Халили – Квант (страница 28)
Вверху: Транзакционное объяснение. Хотя эта интерпретация не помогает объяснить главную загадку, как атом проходит сквозь обе прорези одновременно, она делает попытку объяснить, как атом еще до прохождения сквозь прорези знает, наблюдают ли за ним. Достигая экрана или детектора, установленного возле одной из прорезей, атом посылает в прошлое сигнал, который определяет поведение приближающейся волны, веля ей либо проходить сквозь обе прорези и интерферировать, либо проходить лишь сквозь одну из прорезей.
Внизу: Объяснение суммы историй. Атом остается частицей, но одновременно изучает все возможные пути, какими бы невероятными они ни были. Сложенные вместе, все пути исключают друг друга, оставляя лишь один физический путь, по которому и следует атом. Но то, как именно пути исключают друг друга, зависит от количества вариантов; если обе прорези открыты, возможных путей больше, поэтому их исключение происходит иначе.
Где мы сейчас?
Проблемы интерпретации квантовой механики вышли на первый план серьезной науки лишь в последние пару десятилетий. Отчасти это объясняется проведением новой серии невероятно сложных и инновационных экспериментов в сфере атомной физики и оптики, а также выдающейся работы в новых областях квантовой криптографии и квантовых вычислений. Во многих исследованиях физики манипулируют отдельными атомами!
Будучи студентом, я и не подозревал о проблемах интерпретаций. Хотя тема этой главы лишь сбивает студентов с толку и отвлекает их от проведения полезных и важных расчетов и измерений, кажется, что обсуждение этих вопросов до недавнего времени считалось табу. Марри Гелл-Ман выразился так:
«Нильс Бор промыл мозги целому поколению физиков, заставив всех поверить, что проблема уже решена».
А по словам самого Бора:
«нет никакого квантового мира. Есть лишь абстрактное квантовофизическое описание. Ошибка – думать, что задача физиков заключается в том, чтобы выяснить, какова наша природа. Физики думают [лишь] о том, что мы можем сказать о природе».
Я не согласен. По крайней мере, здесь я чувствую, что Эйнштейн был прав. Он полагал, что задача физических теорий заключается в «как можно более правдивом описании истинной физической реальности». Так что я предпочитаю в духе «Секретных материалов» считать, что «истина где-то рядом». Я не знаю, сумеем ли мы когда-либо ее постичь, однако не сомневаюсь, что наши поиски не окажутся тщетными. Одно то, что формализм квантовой механики дает нам роскошь обладания сразу несколькими интерпретациями, из которых мы (пока) не можем выбрать верную, не означает, что верной интерпретации не существует. Само собой, мы можем ее никогда не найти, однако было бы слишком самонадеянно с нашей стороны полагать, что, раз мы не можем сделать выбор, его не может сделать и природа.
Квантовая реальность с позиции де Бройля и Бома
Хотя интерпретацию де Бройля – Бома и нельзя назвать самой популярной среди физиков, существует несколько ее вариантов. Общим знаменателем различных подходов становится тот факт, что частицы обладают определенным положением, которое развертывается в соответствии с детерминистскими уравнениями движения. Зная некоторые изначальные положения всех частиц в системе (не забывайте, это нельзя контролировать – см. основной текст) и принцип изменения волновой функции с течением времени, можно точно рассчитать, как будут двигаться частицы. Таким образом, все будущее (и прошлое) системы, включая результаты любых проводимых измерений, становится предсказуемым. В этом отношении квантовая механика ничуть не более загадочна, чем классическая. Подходы различаются лишь нашим взглядом на то, как именно определяются траектории.
Изначально Бом заявил о существовании нового типа силы, происходящей из квантового потенциала и направляющей частицы в верные места, тем самым объясняя разницу между квантовым и классическим поведением. Бому хотелось на контрасте показать существенные различия между квантовым и классическим миром. Остальные приняли версию Джона Белла и заявили, что нам нужно лишь уравнение, которое определяет траектории (и которое само по себе следует считать новым типом закона природы), и что нам следует воздержаться от разговоров о квантовых потенциалах и квантовых силах, которые, к несчастью, облачают теорию в жуткую ньютоновскую форму. Одна из проблем, которые, возможно, в прошлом помешали принятию интерпретации де Бройля – Бома, заключается в том, что вручную эти траектории можно рассчитать лишь в самых простых и неинтересных случаях. Однако с конца 1970-х годов было проведено множество точных вычислений, начиная с эксперимента с двумя прорезями, которые ясно показывают, как именно работает этот подход.
Как в 1952 году заметил Бом, для интерпретации де Бройля – Бома характерна одна интересная черта: хотя основная теория и воспроизводит все ожидаемые результаты, варианты также возможны – они появляются при ослаблении некоторых допущений интерпретации, которые дают новые наблюдаемые эффекты. В настоящее время ведется работа по определению обстоятельств, в которых эти эффекты могут быть распознаны.
Одной из наиболее фундаментальных черт квантовой механики, которую обнажает интерпретация де Бройля – Бома, является нелокальность. Нелокальность представляет собой связанность отдельных систем в обстоятельствах, при которых, в соответствии с теорией относительности, между ними невозможно никакое физическое взаимодействие. Согласно теории относительности, все коммуникации должны происходить на скорости, которая меньше или равна скорости света, однако нелокальность нарушает это условие. Сегодня одним из самых интересных вопросов теории де Бройля – Бома можно назвать проблему согласования явной нелокальности с теорией относительности. Считается, что никакие возможные в квантовых системах измерения не могут обнажить конфликт с относительностью, наглядно продемонстрировав сверхсветовое взаимодействие: мы не можем использовать квантовую механику для передачи сигналов на скорости выше скорости света. Также считается, что любая реалистическая интерпретация квантовой механики должна включать в себя нелокальные процессы. Бом утверждал, что, даже несмотря на то что его интерпретация дает статистические результаты квантовой теории, которые, как известно, согласуются с теорией относительности, на фундаментальном уровне отдельных процессов (которые объясняют эти результаты) дух относительности все же нарушается. Следовательно, должно допускаться сверхсветовое взаимодействие. Более того, Бом утверждал, что вопреки основному принципу теории относительности существует специальная, или предпочитаемая, система отсчета, в которой взаимодействие происходит мгновенно. Многие физики не могут смириться с этим отходом от теории относительности даже на уровне скрытых процессов и считают это поводом не согласиться с подходом Бома. Проводились даже эксперименты с целью выяснить, какое условие эксперимента фиксирует предпочитаемую систему отсчета, в которой взаимодействия происходят мгновенно. Но помимо подхода Бома существуют и другие варианты.
В последнее время был сделан целый ряд различных предложений, показывающих, как можно расширить интерпретацию де Бройля – Бома, не прибегая к введению предпочтительной системы отсчета, а закладывая нелокальность в насквозь релятивистский подход. Эта работа показывает, что основную критику теории де Бройля – Бома, заключающуюся в том, что она противоречит теории относительности, можно свести на нет. Само собой, дел еще много, особенно в отношении процессов, описываемых релятивистской теорией квантового поля. Однако суть в том, что однозначного аргумента против интерпретации де Бройля – Бома не существует, а все замечания к подходу объясняются предрасположенностью к конкретным идеям в противовес другим.
Глава 7. Субатомный мир
Дочитав до этого места, вы, возможно, решили, что квантовые физики все время обсуждают природу реальности, спорят о таких глубоких и важных вопросах, как определение слов «событие» и «явление», или что означает провести измерение, или придумывают все более и более изобретательные описания того, что может происходить (а может и не происходить) в микроскопическом мире, когда не установлено наблюдение. Это далеко от правды. Большинство физиков абсолютно не заботят проблемы интерпретации квантовой механики – и на то есть свои основания. Они слишком заняты, применяя теорию для понимания структуры и свойств субатомного мира.
И правда, не будь этого подхода «заткнись и считай», за последние полвека мы не сумели бы добиться в науке и технологии того прогресса, который я опишу в Главе 9.
Теперь, когда я закончил обзор вариантов, позволяющих нам раскрыть секрет фокуса с двумя прорезями, мы можем пойти дальше и узнать, как квантовая механика способствовала зарождению новых сфер научной мысли в поиске кирпичиков материи и как эти кирпичики взаимодействуют и комбинируются, чтобы сформировать восхитительно сложный мир вокруг нас. В течение последнего века физики копали все глубже и изучали все более мелкие сущности. Сперва они заглянули внутрь атома, затем внутрь атомного ядра, а затем – внутрь частиц, из которых состоит ядро. Поиск мельчайших элементов материи напоминал чистку лука. Снимая каждый следующий слой луковой кожуры, ученые обнаруживали под ним все более и более фундаментальные структуры. Таким образом, в этой главе содержится история развития атомной и ядерной физики, а также физики частиц и объясняется, как квантовая механика стала путеводной звездой в этой одиссее открытий. Само собой, отдать должное истории всех этих сфер в единственной главе просто невозможно, поэтому вас ждет лишь краткое знакомство с нею, в ходе которого мы время от времени будем ненадолго останавливаться, чтобы внимательнее рассмотреть особенно важные моменты и узнать о людях, во многом определивших физику XX века.