Джон Гриббин – В поисках кота Шредингера. Квантовая физика и реальность (страница 36)

Рис. 9.1. Эксперимент «с часами в коробке». Из-за инвентаря, необходимого для практического осуществления эксперимента (гири, пружины и т. д.), никогда не бывает возможным исключить неопределенность из измерения и энергии, и времени (см. текст).

Представьте коробку, сказал Эйнштейн, в одной из стенок которой есть отверстие, которое можно открывать или закрывать заслонкой под контролем часов внутри коробки. Помимо часов и механизма заслонки, в коробке присутствует излучение. Необходимо настроить аппарат таким образом, чтобы, когда стрелки часов достигнут какой-то конкретной, заранее определенной позиции, заслонка открылась бы и позволила вылететь наружу одному фотону, а затем закрылась вновь. Теперь нужно взвесить коробку, подождать, пока вылетит фотон, и снова взвесить ее. Так как масса - это энергия, разница в весе скажет нам, какой энергией обладал вылетевший фотон. Таким образом мы, в принципе, будем знать точную энергию фотона и точное время его прохождения через отверстие, ниспровергая тем самым принцип неопределенности.

Как и со всеми такими экспериментами, Бор выигрывал спор, обращая внимание на практические детали того, как могут производиться измерения. Коробку необходимо взвесить, так что она должна быть подвешена, например на пружине, в гравитационном поле. Пока фотон не вылетел из коробки, воображаемый экспериментатор должен заметить положение стрелки, прочно закрепленной на коробке, относительно шкалы весов. Когда фотон вылетит, экспериментатор, в принципе, может подвесить к коробке гирю, чтобы стрелка снова указывала на то же самое значение. Но уже одно это подразумевает необходимость соотношений неопределенности. Позиция стрелки может быть определена только в границах, заданных уравнением Гейзенберга, и существует неопределенность импульса коробки, связанная с неопределенностью положения стрелки. Чем точнее измерение массы коробки, тем выше становится неопределенность самого важного - величины ее импульса. Даже если попытаться восстановить изначальное положение, добавив к коробке небольшую гирю, чтобы вернуть пружину в начальное состояние, и измерить дополнительную массу, чтобы определить энергию вылетевшего фотона, не удастся сделать неопределенность меньше, чем это задано соотношением Гейзенберга, которое в этом случае

имеет вид AEAt > h.

Подробнее об этом и других мысленных экспериментах, задействованных в споре Эйнштейна и Бора, можно прочитать в книге Абрахама Пайса «Неуловимый Бог». Пайс подчеркивает, что нет ничего странного в требовании Бора описывать мифические эксперименты полно и в малейших деталях: в этом случае требовалось описание тяжелых болтов, которые закрепляют установку на месте, пружины, которая и позволяет измерить массу, и дает коробке возможность двигаться, маленькой гири, которую необходимо подвесить к коробке, и так далее. Результаты экспериментов необходимо было трактовать с позиции классического языка, языка повседневной реальности. Мы можем неподвижно подвесить коробку, зафиксировав ее на месте, таким образом избавившись от неопределенности в ее положении, но тогда невозможно будет измерить изменение массы. Дилемма квантовой неопределенности встает перед нами из-за того, что мы пытаемся выразить квантовые идеи обычным языком, и именно поэтому Бор требовал описания всех деталей эксперимента.

Парадокс Эйнштейна - Подольского - Розена

Эйнштейн согласился с критикой Бора относительно этого и других мысленных экспериментов и к началу 1930-х годов обратился к новому воображаемому тесту для проверки квантовых законов. В основе этого нового подхода лежала идея использовать экспериментальные данные об одной частице, чтобы определить свойства, включая положение и импульс, второй частицы. Этот аспект спора так и не разрешился при жизни Эйнштейна, но теперь состоялся успешный эксперимент - и не мысленный, а настоящий, проведенный в лаборатории. И снова выиграл Борн, а Эйнштейн проиграл.

В начале 1930-х годов в личной жизни Эйнштейна царила неразбериха. Ему пришлось покинуть Германию из-за угрозы преследования нацистским режимом. К 1935 году он обосновался в Принстоне, а в декабре 1936 года его вторая жена Эльза скончалась после долгой болезни. Во всей этой сумятице он продолжал ломать голову над интерпретацией квантовой теории, сраженный доводами Бора, но в глубине души не убежденный в том, что Копенгагенская интерпретация с ее неотъемлемой неопределенностью и отсутствием четкой причинности являлась последним словом в качестве работающего описания реального мира. В книге «Философия квантовой механики» Макс Джаммер в мельчайших деталях описал все метания Эйнштейна, связанные с этой темой. Несколько линий сошлись воедино в 1934 и 1935 годах, когда Эйнштейн вместе с Борисом Подольским и Натаном Розеном работал в Принстоне над статьей, в которой вводилось то, что теперь известно под названием «парадокса Эйнштейна - Подольского - Розена», хотя сам парадокс в ней вовсе не описывался47.

Суть аргумента заключалась в том, что, по словам Эйнштейна и его коллег, Копенгагенская интерпретация не могла быть полной - что на самом деле существует некий глубинный механизм, который движет Вселенную и который только создает впечатление неопределенности и непредсказуемости на квантовом уровне посредством статистических вариаций.

Представьте две частицы, сказали Эйнштейн, Подольский и Розен, которые вступают во взаимодействие друг с другом, а затем разлетаются в разные стороны, ни с чем не вступая во взаимодействие, пока экспериментатор не решит изучить одну из них. Каждая частица обладает своим импульсом, каждая занимает какое-то положение в пространстве. Даже в соответствии с законами квантовой теории мы можем точно измерить сумму импульсов

Эйнштейн А., Подольский Б., Розен Н. Может ли квантовомеханическое описание физической реальности считаться полным? //Physical Review . 1935. Т. 47. С. 777-780. Эта статья вошла в список тех, которые были перепечатаны в сборнике «Физическая реальность» под редакцией С. Тоулмина, Harper & Row, 1970.

двух частиц, соединенных вместе, и расстояние между ними в тот момент, когда они находятся рядом. Когда гораздо позже мы решим измерить импульс одной из частиц, мы автоматически будем знать, каким должен быть импульс второй частицы, так как сумма их импульсов должна остаться неизменной. Или же мы можем измерить точное положение первой частицы и таким же образом вычислить положение второй. Но одно дело утверждать, что физическое измерение импульса частицы А разрушает знание о ее собственном положении, а потому лишает нас возможности определить ее точное положение, и таким же образом физическое измерение положения частицы А оказывает влияние на ее импульс, который остается неизвестным. Но совершенно другое дело, как показалось Эйнштейну и его коллегам, сказать, что состояние частицы В зависит от того, какие два измерения мы решим провести в отношении частицы А. Как частица В может «знать», должна она обладать точно определенным импульсом или точно определенным положением?

Казалось, будто бы в квантовом мире измерения, которые мы проводим на частице здесь, оказывают влияние на вторую частицу там, в нарушение причинности мгновенно передавая «информацию» в пространстве, что получило название «действия на расстоянии».

Если принять Копенгагенскую интерпретацию, заключила статья о парадоксе Эйнштейна - Подольского - Розена, необходимо допустить, что «реальность [положения и импульса во второй системе] зависит от процесса измерения, происходящего в первой системе, которая не оказывает никакого влияния на вторую систему. Ни одно разумное

объяснение реальности не может допустить подобного»48. В этом команда ученых разошлась с большинством своих коллег и со всей Копенгагенской школой. Никто не оспаривал логику аргумента, но единого мнения о том, что есть «разумное» объяснение реальности, не было. Бор и его коллеги могли жить в такой реальности, где положение и импульс второй частицы не обладали объективным значением, пока не подвергались измерению, вне зависимости от того, какие манипуляции проводились с первой частицей. Необходимо было сделать выбор между миром объективной реальности и квантовым миром, в этом сомневаться не приходилось. Но Эйнштейн остался в меньшинстве и решил, что из двух вариантов он выберет пристрастие к объективной реальности и отвергнет Копенгагенскую интерпретацию.

Однако Эйнштейн был честен и всегда готов принять обоснованное экспериментальное свидетельство. Если бы он дожил до его появления, результаты последних опытов над тем, что фактически является действием парадокса Эйнштейна - Подольского - Розена, убедили бы его в том, что он ошибался. Объективной реальности нет места в нашем фундаментальном описании Вселенной, но действию на расстоянии, или непричинности, такое место есть. Экспериментальное подтверждение этого представляет для нас такую важность, что ему следует посвятить отдельную главу. Но сперва для полноты картины нужно рассмотреть ряд других парадоксальных возможностей, свойственных квантовым законам: частицы, путешествующие назад во времени, и - наконец-то - знаменитого полумертвого кота Шрёдингера.