Космос Эйнштейна. Как открытия Альберта Эйнштейна изменили наши представления о пространстве и времени
Шрифт:
Можно сказать, что Бор и Эйнштейн были в каком-то cмысле полярно противоположны друг другу. Если Эйнштейн ребенком чурался спорта и не отрывался от книг по геометрии и философии, то Бор профессионально играл в футбол и был известен на всю Данию. Если Эйнштейн говорил убедительно и эмоционально, а писал чуть ли не лирично и мог дружелюбно перешучиваться и с журналистами, и с членами королевских семей, то Бор был чопорен, ужасно мямлил, говорить не любил, а если говорил, то часто неслышно и имел привычку, задумавшись, без конца повторять одно и то же слово. Если Эйнштейн легко писал элегантную и красивую прозу, то Бор впадал в прострацию при необходимости написать статью. В старших классах школы он диктовал все свои работы матери. После женитьбы он стал диктовать их жене (и даже прервал свой медовый месяц, чтобы продиктовать одну длинную и важную статью). Иногда он привлекал к переписыванию статей всю свою лабораторию, полностью сбивая график работы; одну из его статей сотрудникам пришлось переделывать более сотни раз. (Вольфганг
Противоречия проявились в 1930 г. на Шестом Сольвеевском конгрессе в Брюсселе. На кону стояла, ни много ни мало, природа самой реальности. Эйнштейн неустанно нападал на Бора, который шатался под непрерывными ударами, но все же умудрялся достойно защищать свою позицию. В конце концов Эйнштейн предложил элегантный «мысленный эксперимент», который должен был, по его мнению, покончить с «демоном», то есть с принципом неопределенности. Представьте ящик с источником излучения внутри. В ящике имеется отверстие с заслонкой. Если заслонку приоткрыть ненадолго, она выпустит из ящика одиночный фотон. Таким образом, мы с большой точностью можем измерить момент времени, когда этот фотон был излучен. Много позже ящик можно взвесить. Поскольку фотон улетел, ящик весит меньше, чем прежде. Учитывая эквивалентность вещества и энергии, мы можем сказать, сколько всего энергии содержится в ящике, и тоже с большой точностью. Таким образом, мы знаем и полную энергию, и время открытия заслонки с любой наперед заданной точностью, без какой бы то ни было неопределенности; из этого следует, что принцип неопределенности неверен. Эйнштейн считал, что ему удалось наконец найти инструмент, который позволит покончить с новой квантовой теорией.
Пауль Эренфест, один из участников конгресса и свидетель той яростной схватки, позже писал: «Для Бора это был тяжелый удар. Ему не удалось сразу же увидеть решение. Весь вечер он был очень мрачен и расстроен; он ходил от одного к другому и пытался убедить всех, что это не может быть правдой, потому что если это правда, то физике конец. Но и опровержения утверждению Эйнштейна он придумать не мог. Я никогда не забуду, в каком виде два оппонента покинули университетский клуб. Эйнштейн, само величие, шагал спокойно со слабой ироничной улыбкой, а Бор почти бежал рядом с ним, чрезвычайно расстроенный». Позже в тот же вечер, оказавшись рядом с Эренфестом, Бор мог только невнятно бормотать одно и то же: «Эйнштейн… Эйнштейн… Эйнштейн». Но после бессонной ночи, проведенной в напряженных раздумьях, Бор все же сумел отыскать брешь в аргументах Эйнштейна – и одолел его при помощи его же собственной теории относительности. Бор обратил внимание на то, что, поскольку ящик весит теперь меньше, чем раньше, он должен слегка приподняться в поле тяготения Земли. Но, согласно общей теории относительности, время при ослаблении гравитации ускоряется (так что на Луне, к примеру, время идет быстрее). Таким образом, любая крохотная неопределенность в измерении времени закрытия заслонки должна переводиться в неопределенность в измерении положения ящика. Получается, невозможно измерить положение ящика с абсолютной определенностью. Более того, любая неопределенность веса ящика отразится на неопределенности его энергии и, кроме того, его импульса, поэтому вы не сможете узнать импульс ящика с абсолютной точностью. Если подвести итог, то две неопределенности, отмеченные Бором, – неопределенность положения и неопределенность импульса – в точности согласуются с принципом неопределенности. Бор отстоял квантовую теорию. Когда же Эйнштейн пожаловался «Бог не играет с миром в кости», Бор, как говорят, резко ответил: «Перестаньте указывать Богу, что делать».
В конечном итоге Эйнштейну пришлось признать, что Бор успешно опроверг выдвинутые им аргументы. Позже Эйнштейн писал: «Я убежден, что эта теория, несомненно, содержит кусочек безусловной истины». Комментируя тот исторический спор Бора и Эйнштейна, Джон Уилер сказал, что это был «величайший спор в интеллектуальной истории, о котором я знаю. За 30 лет я не слышал ни об одном споре, который имел бы место между двумя более великими людьми, длился бы дольше и был посвящен более глубокому вопросу с более глубокими последствиями для понимания нашего странного мира».
Шрёдингер, тоже ненавидевший новую интерпретацию его уравнения, предложил знаменитый мысленный эксперимент с котом, чтобы попытаться пробить брешь в принципе неопределенности. Шрёдингер писал о квантовой механике: «Она мне не нравится, и мне жаль, что я имел к ней какое-то отношение». Самая нелепая задача, писал он, это задача о коте, запертом в ящике, внутри которого находится бутылка с синильной кислотой, летучим ядовитым веществом. Над бутылкой висит молоток, которым управляет счетчик Гейгера, соединенный с кусочком радиоактивного вещества. Никто не спорит с тем, что радиоактивный распад – это квантовый эффект. До тех пор, пока уран не начал распадаться,
В обычных обстоятельствах это глупый вопрос. Даже если мы не можем открыть ящик, здравый смысл подсказывает, что кот либо жив, либо мертв. Невозможно быть живым и мертвым одновременно; это противоречит всему, что мы знаем о Вселенной и физической реальности. Однако квантовая теория дает нам странный ответ. Суть его состоит в том, что мы этого просто не знаем. До момента, когда мы откроем ящик, кот представлен волновой функцией, а волновые функции можно складывать, как числа. Нам приходится складывать волновую функцию мертвого кота с волновой функцией живого кота. Таким образом, получается, что кот и не жив, и не мертв, пока вы не откроете ящик. Пока кот заперт внутри ящика, вы можете сказать лишь, что одновременно существуют волновые функции, представляющие и мертвого, и живого кота.
Открыв ящик, мы можем провести наблюдение и увидеть своими глазами, жив кот или мертв. Процесс наблюдения, проводимый внешним наблюдателем, вызывает «коллапс» волновой функции и определяет точное состояние кота. После этого мы уже точно знаем, жив он или не жив. Ключевой момент здесь – процесс наблюдения, проводимый внешним наблюдателем. Мы посветили фонариком внутрь ящика, волновая функция коллапсировала, и объект внезапно приобретает определенное состояние.
Иными словами, процесс наблюдения определяет конечное состояние объекта. Слабость копенгагенской интерпретации Бора заключается в вопросе: но существуют ли тогда объекты до того, как вы проведете наблюдение? Эйнштейну и Шрёдингеру все это казалось нелепостью. Эйнштейн до конца жизни без особого успеха сражался с этими глубокими философскими вопросами (которые даже сегодня порождают ожесточенные споры).
Некоторые неприятные аспекты этой головоломки потрясли Эйнштейна до глубины души. Во-первых, до момента наблюдения мы существуем как сумма всех возможных вселенных. Мы не можем сказать определенно, живы мы или мертвы, или, может быть, динозавры по-прежнему разгуливают по Земле, или сама Земля разрушена миллиарды лет назад. Пока наблюдение не проведено, возможно все. Во-вторых, может показаться, что процесс наблюдения сам по себе создает реальность! Таким образом, старая философская загадка о том, падает ли на самом деле в лесу дерево, если никто этого не слышит, приобретает новый ракурс. Последователь Ньютона принялся бы утверждать, что дерево может упасть независимо от наблюдения. Но представитель Копенгагенской школы заявил бы, что дерево может существовать во всех возможных состояниях (упавшим, стоящим, в виде ростка, зрелым, сгоревшим, сгнившим и т. п.), пока на него никто не смотрит, и только в момент наблюдения внезапно возникает по-настоящему. Так квантовая теория добавляет совершенно неожиданную интерпретацию: наблюдение определяет состояние дерева, то есть упало оно или нет.
Эйнштейн еще со времен работы в патентном бюро обладал необычайной способностью выделять в любой проблеме главное. Он любил задавать гостям следующий вопрос: «Неужели Луна существует только потому, что на нее смотрит мышь?» Если Копенгагенская школа права, то так оно и есть, Луна в каком-то смысле возникает в тот момент, когда на нее падает взгляд какой-нибудь мыши и волновая функция Луны коллапсирует. За прошедшие несколько десятков лет к задаче с котом Шрёдингера предложено множество решений, ни одно из которых нельзя назвать полностью удовлетворительным. Хотя почти никто сегодня не сомневается в корректности квантовой механики как таковой, эти и подобные вопросы по-прежнему служат величайшими вызовами философской мысли в физике.
«Я думаю о квантовых проблемах в сто раз больше, чем думал когда-либо об общей теории относительности», – писал Эйнштейн о своей бесконечной борьбе с фундаментальными положениями квантовой теории. После длительных и глубоких размышлений Эйнштейн ответил тем, что казалось ему исчерпывающей критикой квантовой теории. В 1933 г. он вместе со своими учениками Борисом Подольским и Натаном Розеном предложил необычный эксперимент, который даже сегодня служит источником головной боли для многих квантовых физиков, а также философов. Возможно, эксперимент Эйнштейна – Подольского – Розена (ЭПР) и не разрушил квантовую теорию, на что, вероятно, надеялся Эйнштейн, но успешно доказал, что она, и до того выглядевшая достаточно странно, становится все запутаннее и запутаннее. Представьте, что атом испускает в противоположных направлениях два электрона. Представьте затем, что эти два электрона вращаются в разных направлениях, так что их суммарное вращение равно нулю, хотя вы и не знаете, который из них куда вертится. Вектор вращения одного из электронов может быть направлен вниз, тогда как другого вверх, или наоборот. Если подождать достаточно долго, электроны разлетятся на миллиарды километров. До проведения измерений спин электронов вам неизвестен.