Мир по Эйнштейну. От теории относительности до теории струн
Шрифт:
Вышедшая статья ЭПР не вызвала большого резонанса в физическом сообществе. Большинство по-прежнему покоилось на «мягких подушках» копенгагенской интерпретации и не считало необходимым задуматься над новыми перспективами, открываемыми статьей. Только Нильс Бор и Эрвин Шредингер проявили живой интерес к этой работе. Нильс Бор ответил на «парадокс ЭПР», опубликовав статью, по существу состоящую из очередной декларации «догм» принципа дополнительности {154} . Таким образом, он оправдал то, что Эйнштейн писал о нем Шредингеру сразу после публикации статьи ЭПР и еще до ответа Бора:
154
Заметим, что в ответе Бора нет ничего «ошибочного», и, более того, не будет «ошибочным» сказать, что недавние эксперименты с ЭПР-системами скорее «подтверждают» позицию Бора. Автор, однако, полагает, что эйнштейновский подход, транслирующий концептуальные вопросы в мысленные эксперименты (которые впоследствии были реализованы), выглядит физически более обоснованным, нежели априорный
«Как философа-талмудиста его совершенно не волнует “реальность”, которая способна лишь подобно огородному чучелу пугать наивные души. Он объясняет, что эти две концепции различаются лишь языком интерпретации».
Под философом-талмудистом здесь подразумевается Бор, который сравнивается с комментатором божественного откровения (имеется в виду принцип дополнительности).
Шредингер же сразу понял, что Эйнштейн затронул тончайшую структуру квантового формализма. В последующие месяцы после публикации ЭПР у них состоялось оживленная дискуссия в письмах. Эйнштейн предложил рассматривать нестабильную систему, как бочку с порохом, которая через какое-то время c вероятностью один к двум взорвется. Эйнштейн заметил, что по истечении этого времени квантово-механическое описание бочки с порохом при помощи амплитуды вероятности задается «своего рода смесью, содержащей еще не взорвавшуюся и уже взорвавшуюся систему». Предложение Эйнштейна (исследовать макроскопическую систему, состояние которой существенно зависит от некоторого случайного процесса) было подхвачено и развито Шредингером в хорошо известном примере кота Шредингера. В нем речь идет о коте, помещенном в ящик с беспощадным механизмом, который убьет или не убьет кота в течение часа в зависимости от того, распадется или нет один-единственный радиоактивный атом. Через час квантовая теория будет описывать кота посредством «амплитуды вероятности» А, отвечающей равновзвешенной суперпозиции амплитуды живого кота и амплитуды мертвого кота. Как согласовать это квантовое описание с тем фактом, что мы никогда не наблюдаем подобных суперпозиций полуживых и полумертвых котов, а видим исключительно либо живых, либо мертвых?
Однако последствия статьи ЭПР глубже. В 1964 г., почти через 30 лет после публикации Эйнштейна, Подольского и Розена, ирландский физик-теоретик Джон Белл детально исследовал дилемму ЭПР в контексте различия так называемой «отделимой» структуры реальности, в которой пространственно разделенные системы не влияют друг на друга, и неотделимой структуры, в которой пространственно разделенные системы остаются связанными между собой, или, как говорят, остаются запутанными, если в прошлом у них была возможность взаимодействовать. В частности, Белл понял, что эти два варианта можно различать при помощи определенного типа измерений квантовых систем, которые взаимодействовали в прошлом. Более конкретно, он показал, что квантовая запутанность, аналогичная ЭПР, для «величин внутреннего вращения», называемых также спинами или поляризациями, двух частиц, вышедших из одной начальной системы со спином равным нулю, должна приводить к корреляциям между измерениями поляризаций двух частиц, и эти корреляции должны быть значительно больше в случае неотделимой квантовой реальности, нежели в случае отделимой «классической» реальности.
Теоретическое открытие Белла вызвало огромный интерес к запутанным явлениям, аналогичным феномену Эйнштейна – Подольского – Розена, и инициировало серию экспериментов по проверке неравенств, полученных Беллом для корреляций между поляризациями разделенных частиц, вышедших из одной изначально закоррелированной системы. Наиболее убедительные экспериментальные данные были получены в 1982 г. в Университете Орсе (Париж, Франция) группой под руководством Алана Аспекта. Результат оказался в полном согласии с предсказаниями квантовой теории, т. е. с неотделимой структурой реальности, в которой две системы, взаимодействовавшие в прошлом, остаются запутанными в будущем, даже если они пространственно разделены. Эксперименты, проведенные в Орсе, подтвердили реальность ЭПР-запутанности для поляризации фотонов, находящихся на расстоянии более 10 м. Более поздние эксперименты, проведенные в Женеве (Швейцария) группой Николаса Гисина, подтвердили реальность ЭПР-запутанности для поляризации двух фотонов, разнесенных на расстояние более 10 км!
Эксперименты по изучению ситуаций, аналогичных ЭПР, показали, что две системы, взаимодействовавшие в прошлом, продолжают вести себя, как если бы они оставались нераздельными, несмотря на их пространственное удаление. Это лишний раз демонстрирует, насколько «квантовая реальность» отличается от «классической». Сделав вклад в прогресс в понимании квантовой теории, запутанные состояния ЭПР и сейчас продолжают оставаться в фокусе многочисленных исследований, поскольку ожидается, что они могут иметь интересные приложения в квантовой криптографии и теории квантовых вычислений {155} .
155
См. главу 5 в книге Алена Аспекта и др. Физика завтра (Alain Aspect et al., Demain la physique, Paris, 'Editions Odile Jacob, 2004).
Глава 7
Наследие Эйнштейна
Жизнь Эйнштейна закончилась, поставив перед нами проблему синтеза.
Мышь и Вселенная
Принстонский университет, Соединенные Штаты, 14 апреля 1954 г.
Когда пожилой человек вошел в зал 307 физической лаборатории Палмера, собравшиеся там 60 студентов немедленно затихли. Студенты были воодушевлены и взволнованы. Все понимали, что являются свидетелями исключительного события. Без сомнения, единственный раз в жизни им предстояло увидеть и услышать речь величайшего физика всех времен, живую легенду науки XX в. – Альберта Эйнштейна. Им предстояло присутствовать на последней лекции великого человека.
Годом ранее некоторым из них посчастливилось получить приглашение на чаепитие в дом Эйнштейна, Мерсер-стрит, 112, где они могли напрямую задать мэтру волновавшие их вопросы: от природы электричества и основ единой теории поля до расширения Вселенной и отношения Эйнштейна к квантовой теории. С изяществом и благожелательностью Эйнштейн вступил в игру и подробно отвечал на все вопросы. Его даже не смутило, когда наиболее отважный студент решился спросить: «Профессор Эйнштейн, что станет с этим домом, когда вас больше не будет?» Широкая улыбка осветила лицо пожилого человека. Без заминки он ответил на хорошем английском с легким немецким акцентом: «Этот дом никогда не станет культовым местом, куда будут приходить паломники посмотреть на кости святого».
Американский физик-теоретик Джон Арчибальд Уилер начал преподавать теорию относительности (специальную и общую) на физическом факультете Принстонского университета с осени 1952 г. Это была его идея пригласить студентов своего курса на чаепитие в дом Эйнштейна в мае 1953 г., чтобы таким образом мотивировать их к более глубокому изучению теории относительности. И именно он убедил Эйнштейна весной 1954 г. прийти, чтобы провести семинар для избранной группы студентов физического факультета. Конечно, информация о предстоящем семинаре быстро распространилась, и большое количество студентов со смежных кафедр, особенно математики, пришли, чтобы услышать Эйнштейна. В группу студентов, заполнившую небольшой лекционный зал, удалось втиснуться и нескольким профессорам.
Центральной темой лекции, ставшей последней для Эйнштейна и прочитанной почти день в день за год до его смерти, была квантовая теория {156} . Эйнштейн объяснил, почему он думает, что в настоящем виде эта теория, по-видимому, не является последним словом. Он вспомнил процесс перехода атома в состояние с большей энергией под воздействием электромагнитного излучения. При постепенном уменьшении интенсивности излучения этот эффект перехода возникает все реже и реже, что приводит к идее вероятностного описания процесса перехода. Именно таким образом в квантовую теорию была введена вероятность {157} . «Может быть, я еретик, но если излучение вызывает перескоки [между атомными состояниями], то это излучение должно иметь такую же зернистую структуру, как и материя», – провозгласил Эйнштейн. Затем он подошел к ключевому вопросу: каков реальный смысл амплитуды вероятности A? Дает ли она исчерпывающее описание физического процесса? «Создавая специальную теорию относительности, я знал, что она дает неполное описание. Так происходит со всем, что мы делаем в этой жизни: с одной стороны, верим, с другой – сомневаемся». В качестве примера Эйнштейн предложил рассмотреть квантовое описание макроскопического объекта (шарика диаметром 1 мм, совершающего движение в ящике). Для этого шарика – объекта, который можно видеть невооруженным глазом, – описание движения при фиксированной энергии посредством амплитуды вероятности кажется парадоксальным. Амплитуда вероятности дает размытое описание положения шарика, в то время как повседневный опыт показывает, что он всегда наблюдается во вполне определенном месте.
156
Содержание этой лекции известно нам из заметок, сделанных Джоном Уилером, и из воспоминаний, оставленных некоторыми участниками. См. с. 201–211 в книге «Альберт Эйнштейн, его влияние на физику, философию и политологию» под ред. Питера Айчильбарга и Романа Сексля (Peter C. Aichelburg et Roman U. Sexl, Albert Einstein, His Influence on Physics, Philosophy and Politics, Braunschweig/Wiesbaden, Vieweg, 1979).
157
Напомним, что именно Эйнштейн ввел вероятность в квантовую теорию в статье 1916 г., где он описал процессы перехода между атомными уровнями под влиянием электромагнитного излучения.
«Трудно поверить, что это описание является полным. Создается впечатление, что оно делает мир практически непроницаемым, по крайней мере если какая-нибудь мышка не наблюдает за ним. Можно ли в такое поверить, чтобы взгляд какой-то мышки мог значительно изменить Вселенную?»
Это образное сравнение произвело большое впечатление на большинство слушателей. Затем Эйнштейн заметил, что, согласно его представлению, логическая простота может иногда стать хорошим руководящим принципом: именно с помощью этого принципа ему удалось построить общую теорию относительности. Он объяснил, как шел к этой теории и почему думал, что она является незавершенной: описание материи с помощью распределения энергии и напряжения казалось лишь каким-то временным решением, «словно морковка вместо носа у снеговика». Он выразил сожаление по поводу того, что большинство физиков приняли квантовую теорию и специальную теорию относительности в качестве отправной точки, пренебрегая гравитацией как несущественной. Тогда как он, напротив, считал, что гравитация, т. е. структура пространства-времени, должна быть принята во внимание с самого начала. Он закончил, отметив, что «существует много оснований двигаться в сторону теории, не содержащей ни пространства, ни времени. Однако никто не знает, каким образом построить подобную теорию».