Наталья Резанова – Журнал Млечный Путь № 2 (28), 2019 (страница 32)
Кроме всемирного тяготения. Все тела (локальность!) притягивают друг друга - но каким образом? Земля и Луна притягивают друг друга - но как? Между ними пустота пространства. Солнце притягивает планеты - через пустоту?
Если одно из притягивающих тел изменит свое положение в пространстве, то как быстро другое тело "ощутит", что притяжение изменилось? Вот тут-то в физику тихой сапой и проникло пресловутое "дальнодействие", потому что, по Ньютону, притягивающие тела мгновенно "ощущают" изменения силы тяжести, на каком бы расстоянии друг от друга они ни находились.
На вопрос, как именно тела друг друга притягивают, Ньютон отвечал: "Гипотез не измышляю", хотя на самом деле он был не чужд научным предположениям (как же без них?). Но потомкам Ньютон оставил идею о мгновенном гравитационном взаимодействии всех тел во Вселенной. Принцип Маха, кстати, - из "той же оперы". Австрийский физик Эрнст Мах в конце XIX века утверждал, что во Вселенной все без исключения тела влияют друг на друга - разумеется, мгновенно.
В XIX веке - веке пара и электричества - сначала Майкл Фарадей открыл существование электрического и магнитного полей и их влияние друг на друга, а затем Джеймс Максвелл написал короткие и красивые уравнения, описывающие электромагнитные взаимодействия. В этих уравнениях оказался множитель с размерностью скорости - скорость света. И дальнодействию пришел конец. Электромагнетизм -волновое явление, и распространяется электромагнитная волна не мгновенно, а со скоростью света. Но волна, по идее, перемещается в какой-нибудь среде - как волны на водной поверхности, например, и как звуковые волны в воздухе. А в какой среде распространяются электромагнитные волны? Не в пустоте же? Ответ казался очевидным: пустоты нет, пространство "на самом деле" заполнено эфиром, в котором и движутся световые (электромагнитные) волны.
Физика конца XIX века, как многим казалось, достигла предела развития. Но вопросы оставались - тяжелые вопросы без ясных ответов. Да, электромагнитные волны распространяются со скоростью света. А тяготение - мгновенно? Если мгновенно (а ничто не доказывало обратное), то, значит, существуют бесконечно большие скорости? А если так, то сам принцип локальности - важнейший в физике! - под угрозой. Если возможно мгновенное взаимодействие всех тел со всеми, то, получается: отдельных тел попросту не существует! Какая тут отдельность, если физическое тело связано некими узами абсолютно со всеми другими телами Вселенной?
Разумеется, физики об этом думали. Плод таких раздумий - принцип Маха, над которым размышлял и молодой Эйнштейн. Вывод, к которому он пришел: локальность невозможна без близкодействия. А близкодействие невозможно, если не существует предела скоростей. Должна быть во Вселенной максимальная скорость передачи взаимодействий. И эта скорость, как предположил Эйнштейн, - скорость света. Ничто не может перемещаться быстрее, чем свет. Ничто не может перемещаться даже со скоростью света - кроме, конечно, самого света.
Физики недолго возмущались такому предположению - фундамент для постулата Эйнштейна был уже подведен экспериментами Майкельсона-Морли, формулами Лоренца, работами Пуанкаре. Дальнодействие из физики изгнали, и все стало логично и понятно (для тех, кто понимал логику теории относительности). Все, кроме...
Рис 1 Эйнштейн
А как же, все-таки, тяготение? Дальнодействия нет, существует предел скорости передачи любой информации, а как же сила тяжести? Она-то ведь все равно - по Ньютону - распространяется мгновенно? И если где-то на расстоянии миллиона световых лет столкнулись и взорвались две звезды, то изменение силы тяжести мгновенно "ощутят" и Земля, и Солнце, и все звезды в галактике Андромеды? Наблюдатели на Земле только через миллион лет увидят, как звезды столкнулись, а то, что столкновение произошло "сейчас", мы именно сейчас и почувствуем, измеряя поля тяжести?
Эйнштейну понадобилось почти десять лет, чтобы разрешить это противоречие и прийти к выводу, что дальнодействия в природе нет и быть не может. Общая теория относительности утверждает: тяготение распространяется с конечной скоростью, и это - все та же скорость света. Отсюда, кстати, следовало, что, подобно электромагнитным волнам, должны существовать и гравитационные, волны тяготения, возникающие при изменении распределения гравитационных масс.
Правильность эйнштейновской теории тяготения была блестяще продемонстрирована Артуром Эддингтоном, наблюдавшим в 1919 году смещение светового луча в поле тяжести Солнца. Именно такое, какое предсказывал Эйнштейн. И еще одно подтверждение: величина смещения перигелия Меркурия. Никто не мог его объяснить, пользуясь теорией Ньютона, а общая теория относительности объяснила изящно и точно.
Казалось бы, можно вздохнуть спокойно. Доказано, что в мире существуют отдельные тела (принцип локальности), взаимодействие между которыми происходит не мгновенно, а не быстрее, чем это позволяет скорость света (близкодействие). И все становится логично и понятно. Невозможно долететь до Альфы Центавра за год или два - потому что свет преодолевает это расстояние за 4,36 года. Невозможно передать сообщение в Туманность Андромеды быстрее, чем за 2,52 миллиона лет, потому что свет именно за это время преодолевает расстояние между Млечным Путем и галактикой М 31.
Картина мира вырисовалась четко и без былых противоречий, связанных с пресловутым дальнодействием.
И тут физики создали квантовую механику.
"Но Сатана недолго ждал реванша. Пришел Эйнштейн - и стало все как раньше" - утверждает Джон Сквайр в своей эпиграмме, продолжая эпитафию Поупа. Автор эпиграммы неправ: он, видимо, не понимал смысла теории относительности. На самом деле Сатаной оказался не Эйнштейн, устранивший из физики принципы нелокальности и дальнодействия. Истинным Сатаной оказался Эрвин Шредингер со своим уравнением.
Уравнение Шредингера - главное уравнение квантовой физики, оно определяет состояние элементарной частицы и систем частиц. Решая уравнение Шредингера, физики сумели сконструировать ядерные реакторы, атомные бомбы и электростанции. Вся современная электроника, включая компьютеры, мобильные телефоны, системы JPS и все, все, все, на чем стоит цивилизация, - это результат решений уравнения Шредингера. Квантовая физика, в основе которой - решения уравнения Шредингера, - самая точная из наук. Нет (пока!) ни одного физического явления, где квантовая физика дала бы "сбой", где уравнение Шредингера оказалось неприменимым.
Все так. И все же в основе своей это уравнение противоречиво и заводит физику в глубочайшую онтологическую яму, из которой ученые пытаются выбраться вот уже почти целый век. Много лет физики закрывали на это противоречие глаза. Квантовая механика прекрасно работает! Ее предсказания всегда сбываются на сто процентов!
Но...
Проблема вот в чем. Решением уравнения Шредингера для любой элементарной частицы или их системы является так называемая волновая функция. Но волновая функция - это не число, имеющее определенное значение. Волновую функцию интерпретируют как функцию вероятности нахождения частицы в том или ином состоянии. Волновая функция свидетельствует, что частица может с той или иной вероятностью находиться, в принципе, где угодно во Вселенной. С большой вероятностью - в установке, где проводится эксперимент. С гораздо меньшей - на Луне или даже в галактике М33. Лишь проведя эксперимент и обнаружив частицу внутри аппаратуры, ученый может заявить, что из всех возможных состояний частицы реально она находится вот в этом, зафиксированном наблюдателем состоянии. Физики говорят, что до наблюдения частица пребывает в суперпозиции - то есть во всех своих возможных состояниях одновременно. И лишь когда проводится наблюдение, частица фиксируется в определенном состоянии, которое и называют реальным.
А что происходит с остальными? Что происходит в момент наблюдения с волновой функцией частицы? Ведь если мы обнаружили частицу внутри нашего аппарата, то она больше никак не может оказаться на Луне или в галактике М33! Согласно копенгагенской интерпретации квантовой теории (названа она так в честь города, где жили и работали Бор и его коллеги), в момент наблюдения волновая функция попросту перестает существовать. Как говорят физики - коллапсирует.
И вот тут-то слово свое говорит Сатана, ждавший реванша. Волновая функция коллапсирует? Сразу во всей Вселенной? Но каким образом? Ведь сигнал не может распространяться быстрее света! До наблюдения электрон мог находиться в галактике М33 на расстоянии миллионов световых лет от Земли? Как он может мгновенно узнать, что больше этой вероятности не существует? Никак! Значит, как заявил в свое время Эйнштейн, и в этом заключалось его "великое противостояние" с Бором, волновая функция - чисто математический трюк, физического смысла не имеет, и вся квантовая механика вовсе не является окончательной теорией, а лишь промежуточным шагом к будущей правильной теории, включающей в себя обязательно и теорию относительности.
Как оказалось, дальнодействие, выгнанное Эйнштейном в дверь, сумело пролезть в окно и проявило себя в квантовой физике. Если квантовая механика верна (а она безусловно подтверждается всеми экспериментами), то в природе существует мгновенная передача информации, а это противоречит и принципу локальности, и принципу близкодействия, да и вообще здравому смыслу!