Уставы небес, 16 глав о науке и вере
Шрифт:
Таким образом, мы приходим к главному вопросу: почему в квантовом мире существуют классические объекты? Что обеспечивает достоверность некоторых (в действительности очень многих!) утверждений об окружающем нас мире? Вопрос этот является весьма сложным (и безусловно очень важным!). Здесь мы изложим вариант ответа, который в настоящее время представляется наиболее правдоподобным большинству физиков, занимающихся квантовой механикой (в том числе и авторам).
В действительности наиболее радикальным разрывом с прежними представлениями в квантовой механике является не само по себе использование вероятностей. И в классической механике наши возможности точного решения задачи во многих случаях ограничены самой природой задачи, скажем, для систем с неустойчивым движением, когда сколь угодно малая неопределенность начальных условий нарастает со временем, приводя к практической невозможности строгих предсказаний. При этом использование вероятностного языка не только возможно, но и неизбежно. Однако, в классическом случае всегда складываются вероятности независимых событий. В квантовом же случае складываются амплитуды. Именно это и приводит к появлению интерференционных, то есть волновых, явлений. Нет ничего особенно радикального
Взаимодействие макрообъектов с окружением и связанные с этим эффекты разрушения квантовой интерференции сейчас изучаются на так называемых сверхпроводящих квантовых устройствах (СКВИДах), малых магнитных частицах или магнитных молекулах и других объектах, и соответствующие эксперименты по- видимому подтверждают изложенный здесь подход. Таким образом, доказать нелепость копенгагенской интерпретации при помощи парадокса кошки не удается.
Прежде чем перейти к обсуждению парадокса ЭПР, необходимо сделать некоторые пояснения (мы будем рассматривать здесь не оригинальную формулировку парадокса, обсуждаемую в статье Эйнштейна, Подольского и Розена 1935 года, а более наглядный вариант, предложенный впоследствии Д. Бомом). Большинство микрочастиц в определенном смысле подобны волчку, то есть обладают внутренним моментом количества движения - спином. При этом, как и в классическом случае, справедлив закон сохранения полного момента количества движения для изолированной системы. Однако специфика квантовой механики проявляется и здесь. Оказывается, что невозможно одновременно измерить проекции спина на три взаимно перпендикулярные оси и тем самым определить его точное направление в пространстве (причины здесь такие же, что и при одновременном измерении координаты и скорости электрона). Можно измерить проекцию на любую ось, но при этом она может принимать только два значения вверх или вниз (точнее, +1/2 и -1/2 в единицах постоянной Планка). В этом смысле экспериментальные установки, измеряющие проекции вдоль оси z (вверх вниз) и вдоль оси x (вправо - влево), являются дополнительными в смысле Бора. Предположим, что мы провели измерение проекции спина электрона на ось z и обнаружили, что она равна +1/2. Тогда проекция спина по оси x оказывается полностью неопределенной, то есть ее последующее измерение с равной вероятностью 50% дадут результаты +1/2 и -1/2.
Теперь перейдем к изложению самого парадокса. Пусть мы имеем в начальном состоянии два электрона с суммарным спином, равным нулю (это означает, что равна нулю проекция на любую ось). Такое состояние действительно можно приготовить (экспериментально удобнее иметь дело не с электронами, а со световыми квантами - фотонами, но суть дела при этом не меняется). Пусть затем эти электроны разлетелись достаточно далеко, и их заведомо можно считать невзаимодействующими. Измерим проекцию спина первого электрона на ось z; пусть она оказалась равной +1/2. Тогда, в силу закона сохранения полного момента количества движения, второй электрон находится в состоянии с проекцией спина на ось z равной -1/2. Мы можем измерить его проекцию спина на ось x, получив результат +1/2 или -1/2. Для определенности предположим второе. Тогда в момент измерения состояние первого электрона скачком изменилось: из состояния с проекцией спина +1/2 вдоль оси z он перешел в состояние с проекцией спина +1/2 вдоль оси x. Таким образом, мы изменили состояние первого электрона, вообще не оказывая на него воздействия! Это скорее напоминает магические процедуры (типа воздействия на человека посредством манипуляций с его изображением), чем результат физического эксперимента.
В 1965 г. Дж. Белл придал парадоксу ЭПР строгую количественную форму. Пусть мы измеряем одновременно проекции спинов первой и второй частицы на различные направления и определяем вероятности различных значений пар проекций (то есть число исходов опыта, в которых одновременно спин первого электрона был направлен по оси z, а второго - по оси x, в которых одновременно спин первого электрона был направлен по оси z, а второго против оси x, и т. д.). Сделаем очень слабое и естественное, на первый взгляд, предположение, что выбор ориентации прибора, применяемого для измерения компоненты спина одной частицы, не влияет на спин другой (напомним, что расстояние между частицами может быть сколь угодно велико, а никакие физические воздействия не могут распространяться быстрее света, так что наше решение измерять проекцию спина второго электрона на конкретную ось никак не может повлиять на происходящее в этот же момент времени с первым электроном). Белл показал, что при использовании только этого предположения можно вывести некоторое неравенство, согласно которому некая комбинация вероятностей различных исходов меньше 2. Он показал также, что если вычислить эту комбинацию, считая справедливой стандартную квантовую механику (не
Существуют многочисленные обсуждения связи ЭПР-экспериментов (и других идей и образов квантовой механики) с возможностью непричинных воздействий на систему, а также с явлениями, которые исследуются, например, в парапсихологии; К.Г. Юнг использовал здесь введенное им понятие синхронистичности, или акаузальной связи различных событий (см. гл.7). Строго говоря, формальных оснований для таких обобщений в настоящее время нет. Сам Юнг ссылался, в частности, на обсуждения с В. Паули, который не отрицал возможность такого подхода (дело происходило до открытия неравенств Белла и их экспериментальной проверки, но, разумеется, после работы ЭПР). Паули сам много размышлял над философскими аспектами квантовой механики (хотя, в отличие от Бора, широко не публиковал работ на эту тему).
Так как можно рассматривать инструменты наблюдения как продолжение органов чувств наблюдателя, я рассматриваю непредсказуемое изменение состояния при одиночном наблюдении... как нарушение идеи о возможности изоляции наблюдателя от внешних физических событий (В. Паули, из письма Н. Бору 15 февраля 1955, цит. по K.V. Laurikainen, The Message of the Atoms, p. 42).
Физическое событие больше не отделено от наблюдателя... Индивидуальное событие есть occasio, а не causa [т.е. нечто случайное, а не причинно обусловленное]. Я склонен видеть в этом occasio, которое включает в себя наблюдателя и выбор экспериментальной процедуры..., проявление anima mundi [мировой души], которая была отвергнута в семнадцатом столетии (В. Паули, из письма к М. Фирцу 13 октября 1951, цит. по K.V. Laurikainen, p. 43).
Как пишет Лаурикайнен (p. 55), "для Паули, свобода, характерная для индивидуальных событий, есть наиболее важный урок квантовой механики. Он часто ссылался на философию Шопенгауэра, базовыми элементами которой были воля (Wille) и представление (Vorstellung), т. е. (иррациональная) свобода выбора и (рациональная) идея". Близкие идеи высказывал и Н. Бор:
Обнаружение соотношений дополнительного характера является немаловажной задачей и в психологии, где условия для анализа и синтеза переживаний очень сходны с ситуацией, имеющей место в атомной физике. Фактически использование слов вроде мысли и чувства, в равной мере неизбежных для описания психических переживаний, относится к взаимоисключающим ситуациям, характеризуемым различным проведением линии, разграничивающей субъект и объект. В частности, выделение отдельного места чувству свободы воли связано с тем обстоятельством, что ситуации, в которых мы сталкиваемся со свободой воли, несовместимы с психологическими ситуациями, в которых предпринимаются обоснованные попытки причинного анализа. Другими словами, когда мы говорим "я хочу", мы тем самым отвергаем логическую аргументацию (Н. Бор, О понятиях причинности и дополнительности, Соч., т.2, с.398).
На основе принципа дополнительности Бором также рассматривалась проблема свободы воли. Разумеется, обсуждение этого вопроса должно проходить глубже, чем известная из советских учебников критика "реакционных идеалистических взглядов о свободе воле электрона". Как бы то ни было, квантовое описание состояния системы, до проведения измерения (выбора) включающее всю полноту возможностей, дает некоторые естественнонаучные аналогии с религиозно-философскими проблемами свободы, грехопадения и т.д. (см. гл.2,15). Ключевое утверждение состоит в следующем. Для квантовой системы выбор невозможен и не нужен: она движется (или, шире, изменяется) всеми способами одновременно. Если угодно, это есть некий аналог истинной свободы, которая выше выбора: любой выбор есть ограничение (см. обсуждение в главе 2). При этом такая чисто квантовая эволюция является обратимой. Необратимый акт измерения "запирает" систему в некотором подпространстве состояний. При желании здесь можно усмотреть аналогии с грехопадением, "запершим" человека в физической Вселенной и облачившего его в "ризы кожаные" или "тело смерти", о которых говорят Ветхий и Новый Заветы. Подробнее эти, очень непростые, вопросы обсуждаются в главе 15.
Далеко идущие выводы из ситуации, возникшей в связи с развитием квантовой механики, делали многие выдающиеся физики:
Понимание дополнительной природы сознания и его физического воплощения кажется непреходящим моментом в развитии человеческого познания и подлинным выражением тех имеющих длительную историю взглядов, которые называют психофизическим параллелизмом... Богатство и разнообразие физики, еще большее богатство и многообразие всей совокупности естественных наук, лучше знакомое нам, но тем не менее загадочное и неизмеримо более всеохватывающее богатство духовной жизни человека - все это насыщено дополнительностью одновременно несовместимых и несводимых друг к другу способов и путей познания (Р. Оппенгеймер, Science and the Common Understanding, цит. по Дж. Холтону, с.204).
Не навязывая читателю своего собственного мнения по этим весьма спорным вопросам, отметим, что парадоксы типа ЭПР в любом случае заставляют задуматься над самими основами ньютоновско-картезианской парадигмы, если и не прямо разрушительны для нее.
Чтобы продемонстрировать подход к обсуждаемым вопросам (в частности, о смысле "реальности", возможностях наблюдателя, локальности), отличающийся по стилю и серьезности от ученых дискуссий, приведем разговор Карлоса Кастанеды и Дона Хуана. Его поводом является телепортация; этот термин (правда, в несколько ином смысле) сейчас часто мелькает в солидных физических журналах (см., напр., последний обзор С.Я. Килина в списке литературы; более экзотические аспекты рассмотрены в популярной статье A.Zeilinger, Quantum teleportation, Scientific American, April 2000, p.32). В данном случае речь идет о телепортации макроскопического объекта - полете Карлоса под действием "травы дьявола" (с реальным перемещением в пространстве!).