Брайан Грин. Ткань космоса: Пространство, время и структура реальности

Грин Брайан

В соответствии со стандартной квантовой механикой, когда мы проводим измерение и находим, что частица здесь, мы заставляем ее вероятностную волну измениться: предыдущий набор потенциальных исходов редуцируется к одному действительному результату, который и находит наше измерение, как проиллюстрировано на Рис. 4.7. Физики говорят, что измерение заставило вероятностную волну сколлапсировать, и они усматривают, что чем больше была начальная вероятностная волна в некотором месте, тем больше вероятность, что волна сколлапсирует в эту точку – это значит, что тем больше вероятность, что частица будет найдена в этой точке. В стандартном подходе коллапс происходит мгновенно через целую вселенную: раз вы нашли частицу здесь, то надо думать, что вероятность ее обнаружения где-нибудь еще немедленно падает до нуля, и это отражается в мгновенном коллапсе вероятностной волны.

В эксперименте Аспекта, когда измерялся и был найден спин летящего налево фотона, скажем, ориентированный по часовой стрелке относительно некоторой оси, это схлопнуло его вероятностную волну через все пространство, мгновенно установив ориентированную против часовой стрелки часть спина равной нулю. Поскольку этот коллапс происходит где угодно, он происходит также и в точке летящего направо фотона. И, возвращаясь, это воздействует на ориентированную против часовой стрелки часть вероятностной волны летящего направо фотона, заставляя ее сколлапсировать

до нуля тоже. Так что не имеет значения, как далеко находится летящий направо фотон от летящего налево фотона, его вероятностная волна мгновенно подвергнется воздействию от изменения вероятностной волны летящего налево фотона, обеспечив, что он имеет тот же спин вдоль выбранной оси, как и летящий налево фотон. Тогда в стандартной квантовой механике есть это <Надпись: Измерение> мгновенное изменение вероятностной волны, которое отвечает за влияние, более-быстрое-чем-свет.

Рис 4.7 Когда частица наблюдается в некотором положении, вероятность найти ее в любом другом положении падает до нуля, поскольку ее вероятность поднимается до 100 процентов в положении, где она наблюдается.

Математика квантовой механики делает это качественное обсуждение точным. И действительно, дальнодействующие воздействия, возникающие из коллапсирующих вероятностных волн, изменяют предсказание того, как часто левый и правый детекторы Аспекта (когда их оси выбираются хаотично и независимо) будут показывать одинаковые результаты. Чтобы получить точный ответ, необходим математический расчет (смотрите секцию [18] комментариев, если вы интересуетесь), но когда математика сделана, она предсказывает, что показания детекторов должны совпадать точно в 50 процентах случаев (вместо предсказанного согласия более чем в 50 процентах случаев – результат, как мы видели, найденный с использованием гипотезы ЭПР о локальной вселенной). С впечатляющей точностью это тот самый результат, который нашел Аспект в своих экспериментах, 50-ти процентное согласие. Стандартная квантовая механика впечатляюще соответствует данным опыта.

18. Для склонного к математике читателя приводим квантовомеханический расчет, который дает предсказания в соответствии с этими экспериментами. Предположим, что оси, вдоль которых детектор измеряет спин, суть вертикальная и две наклоненные под 120 градусов по и против часовой стрелки от вертикали (подобно полудню, четырем часам и восьми часам на двух циферблатах часов, одинаковых для каждого детектора, который стоит лицом к лицу с каждым циферблатом), и рассмотрим для определенности два электрона, появляющиеся спина к спине и направляющиеся к этим детекторам в так называемом синглетном состоянии. Поскольку это состояние, в котором полный спин равен нулю, гарантируется, что если один электрон найден в состоянии спин вверх, другой будет найден в состоянии спин вниз относительно заданной оси, и наоборот. (Вспомним, что для упрощения текста я описывал корреляции между электронами как обеспечивающие, что если один имеет спин вверх, такой же будет и другой, и если один имеет спин вниз, второй тоже; на самом деле корреляции таковы, что при них спины ориентируются в противоположных направлениях. Чтобы установить связь с основным текстом, вы всегда должны представлять, что два детектора калиброваны противоположно, так что в ситуации, когда один показывает спин вверх, второй будет показывать спин вниз). Стандартный результат из элементарной квантовой механики показывает, что если угол между осями, вдоль которых наши два детектора измеряют спины электронов, есть , тогда вероятность, что будет измерена противоположная величина спина, равна cos²(/2). Таким образом, если оси детекторов выстроены одинаково ( = 0), они определенно измерят противоположные величины спинов (аналог детекторов в главном тексте, всегда измеряющих одинаковую величину, когда детекторы настроены на одно и то же направление), а если они настроены на направления +120° или –120°, вероятность измерения противоположных спинов есть cos²(+120° или –120°) = 1/4. Теперь, если оси детекторов выбраны хаотично, 1/3 от времени они будут направлены в одном направлении, а 2/3 не будут. Таким образом, после всех прогонов эксперимента мы ожидаем найти противоположные спины в (1/3)(1) + (2/3)(1/4) = 1/2 от времени, как и подтверждают данные.

Вы можете найти это странным, что предположение о локальности дает более высокую корреляцию спинов (больше 50 процентов), чем когда мы находим ее стандартной квантовой механикой (точно 50 процентов); вы могли подумать, что дальнодействующее запутывание квантовой механики должно давать большую корреляцию. Фактически, оно и дает. Способ подумать об этом таков: при только 50 процентах корреляции всех измерений квантовая механика дает 100 процентов корреляций для измерений, в которых оси левого и правого детекторов выбраны ориентированными в одном и том же направлении. В локальной вселенной Эйнштейна, Подольского и Розена более чем 55 процентов корреляций по всем измерениям требуются, чтобы обеспечить 100 процентное согласие, когда оси выбраны одинаково. Грубо говоря, тогда, в локальной вселенной, 50 процентов корреляций по всем измерениям будут влечь за собой меньше, чем 100 процентов корреляций, когда оси выбраны одинаково, – то есть, меньше корреляций, чем то, что мы нашли в нашей нелокальной квантовой вселенной.

Это эффектный успех. Тем не менее, здесь имеется загвоздка. После более чем семи десятилетий никто не понимает, как в действительности происходит коллапс вероятностной волны или даже происходит ли. На протяжении лет предположение, что вероятностные волны коллапсируют, подтверждалось убедительной связью между вероятностями, которые предсказывает квантовая теория, и определенными результатами, которые показывают эксперименты. Однако это предположение чревато загадками. С одной стороны, коллапс не возникает из математики квантовой теории; он вводится руками, и нет согласованного или экспериментально подтвержденного пути сделать это. С другой стороны, как это возможно, что путем нахождения электрона в вашем детекторе в Нью-Йорке вы вынудите электронную вероятностную волну в галактике Андромеды мгновенно схлопнуться до нуля? Согласитесь, раз уж вы нашли частицу в Нью-Йорке, она определенно не будет найдена в Андромеде, но какой неизвестный механизм заставляет произойти это с такой впечатляющей оперативностью? Как, образно говоря, часть вероятностной волны в Андромеде и во всех других местах "узнает", что надо мгновенно схлопнуться до нуля? [19]

19.

Вы можете подумать, что мгновенный коллапс с самого начала нарушил предел скорости, установленный светом и, следовательно, обеспечил конфликт с СТО. И если вероятностные волны были бы на самом деле подобны волнам воды, вы имели бы неопровержимую позицию на этот счет. Тогда то, что величина вероятностной волны вдруг упала бы до нуля на гигантском протяжении, было бы намного более шокирующим, чем если бы вся вода Тихого океана мгновенно прекратила двигаться и стала бы совершенно плоской. Но, утверждают практики квантовой механики, вероятностная волна не похожа на волны воды. Вероятностная волна, хотя она и описывает материю, сама не является материальной вещью. И, продолжают такие практики, барьер скорости света применим только к материальным объектам, вещам, чье движение может быть непосредственно увидено, почувствовано, детектировано. Если вероятностная волна электрона падает до нуля в галактике Андромеда, физик из Андромеды будет просто не способен со 100 процентной определенностью обнаружить этот электрон. Ничто из Андромедских наблюдений не показывает внезапное изменение в вероятностной волне, связанной с успешным детектированием, скажем, электрона в Нью-Йорке. Пока сам электрон не пропутешествует от одного места до другого с большей, чем у света скоростью, конфликта с СТО не будет. И, как вы можете видеть, все, что произошло, это то, что электрон был найден находящимся в Нью-Йорке, а не где-нибудь в другом месте. Его скорость никогда даже не обсуждалась. Так что, хотя мгновенный коллапс вероятности является схемой, которая вызывает загадки и проблемы (более полно обсуждено в Главе 7), нет необходимости предполагать конфликт с СТО.

Мы продолжим рассмотрение этой квантовомеханической проблемы в Главе 7 (и, как мы увидим, имеются иные предложения, которые совсем обходятся без идеи о коллапсе вероятностной волны), а здесь достаточно заметить, что, как мы обсуждали в Главе 3, нечто одновременное с одной точки зрения, является не одновременным с другой точки зрения, движущейся относительно первой. (Вспомните Итчи и Скрэтчи, устанавливающих свои часы на движущемся поезде). Так что, если вероятностная волна подверглась одновременному коллапсу по всему пространству по мнению одного наблюдателя, она не подвергнется такому одновременному коллапсу по мнению другого наблюдателя, который находится в движении. По существу, в зависимости от своего движения, некоторые наблюдатели сообщат, что левый фотон был измерен первым, тогда как другие наблюдатели с равной достоверностью сообщат, что правый фотон был измерен первым. Поэтому, даже если идея коллапса вероятностной волны правильна, не может быть объективной истины по поводу того, какое измерение – левого или правого фотона – воздействовало на другой. Так что коллапс вероятностных волн, кажется, выбирает одну точку отсчета как специальную – одну, относительно которой коллапс происходит одновременно во всем пространстве, одну, относительно которой левое и правое измерения происходят в один и тот же момент. Но выбор специальной системы отсчета создает существенное противоречие с универсальным ядром СТО. Были сделаны предложения, чтобы обойти эту проблему, но продолжаются споры по поводу того, какие из них успешны, если это вообще имеет место. [20]

20. Для обсуждения некоторых из этих предложений, см. Tim Maudlin, Quantum Non-locality and Relativity.

Итак, хотя взгляд большинства заключается в том, что имеется гармоничное сосуществование, некоторые физики и философы рассматривают точную взаимосвязь между квантовой механикой, запутанными частицами и СТО как открытый вопрос. Определенно возможно, и, на мой взгляд, привлекательно, что взгляд большинства в конце концов одержит победу в некоторой более определенной форме. Но история показывает, что тонкие фундаментальные проблемы иногда высеивают семена будущих революций. Так ли это, покажет только время.

Что мы понимаем во всем этом?

Рассуждения Белла и эксперименты Аспекта показывают, что вид вселенной, воображаемой Эйнштейном, может существовать в уме, но не в реальности. Вселенная Эйнштейна та, в которой то, что вы сделаете прямо здесь, окажет немедленное воздействие только на вещи, которые также находятся прямо здесь. Физика, с его точки зрения, чисто локальна. Но мы теперь видим, что данные опытов отвергают такой вид мышления; данные опытов отвергают такой вид вселенной.

Эйнштейновской была также вселенная, в которой объекты обладают определенными значениями всех возможных физических величин. Величины эти не плавают в чистилище, ожидая измерения экспериментатора, чтобы привести их к существованию. Большинство физиков скажут, что Эйнштейн ошибался и в этом пункте тоже.

Свойства частиц с этой точки зрения большинства приходят к бытию, когда измерения побуждают их к этому, – эту идею мы изучим позже в Главе 7. Когда частицы не наблюдаются или не взаимодействуют с окружением, их свойства имеют неопределенное размытое существование, характеризуемое исключительно вероятностью, что та или иная потенциальная возможность может быть реализована. Наиболее экстремистски настроенные из тех, кто придерживается этого взгляда, заходят настолько далеко, что декларируют, что в самом деле, когда никто и ничто не "наблюдает" Луну и не взаимодействует с ней любым образом, она не существует.

При таком исходе присяжные тихо покидают зал. Эйнштейн, Полольский и Розен доказывали, что осмысленное объяснение того, как измерения могут показать, что далеко разнесенные частицы имеют идентичные свойства, заключается только в том, что частицы обладали этими определенными свойствами всегда (и, как следствие их общего прошлого, их свойства скоррелированы). Десятилетия спустя анализ Белла и данные опытов Аспекта продемонстрировали, что это интуитивно привлекательное предложение, основывающееся на предпосылке, что частицы всегда имеют определенные свойства, не годится для объяснения экспериментально наблюдаемых нелокальных корреляций. Но неудача в объяснении тайн нелокальности не означает, что замечание, что частицы всегда имеют определенные свойства, само по себе исключается. Данные опытов исключают локальную вселенную, но они не исключают частицы, имеющие такие скрытые свойства.

Фактически, в 1950е годы Бом сконструировал свою собственную версию квантовой механики, которая включала в себя как нелокальность, так и скрытые переменные. Частицы в этом подходе всегда имеют определенное положение и определенную скорость, даже если мы никогда не можем измерить их одновременно. Подход Бома делал предсказания, которые полностью соответствовали аналогичным предсказаниям традиционной квантовой механики, но его формулировка вводила даже более нахальный элемент нелокальности, в котором силы, действующие на частицу в одном месте, зависят мгновенно от условий в удаленном месте. То есть, в известном смысле версия Бома предлагала, как можно частично достичь цели Эйнштейна по возвращению некоторых интуитивно осмысленных свойств классической физики, – частицы имеют определенные свойства, – которые были отставлены квантовой революцией, но она также показала, что сделать это можно ценой принятия еще более явной нелокальности. Из-за такой непомерной цены Эйнштейн нашел слабое утешение в подходе Бома.