Литературно-публицистический журнал «Млечный Путь»


       Главная    Повести    Рассказы    Переводы    Эссе    Наука    Поэзия    Авторы    Поиск  

  Авторизация    Регистрация    Подписка    Друзья    Вопросы    Контакт      

       1    2    3    4  
  14    15    16    17    18    19    20    21    22    23    24    25      



Павел  АМНУЭЛЬ

  МАГИЧЕСКИЙ РЕАЛИЗМ КВАНТОВОЙ ФИЗИКИ 

Есть в науке проблема, которая остается нерешенной более двух тысячелетий. Подступались к ней много раз и ученые (даже когда науки как таковой не существовало), и философы. Время от времени казалось, что проблема решена, можно выдохнуть и больше не ломать копья в жарких спорах. Но нет – в самый неподходящий момент проблема «всплывала» опять, и лучшие умы планеты предлагали свои решения, оказывавшиеся на поверку неверными, приблизительными или ничего на самом деле не решавшими.

Эта вечная проблема – вовсе не диспут о смысле жизни, имеющий столь же долгую историю. Речь идет о физическом принципе, которого терпеть не мог Эйнштейн и избегал (но вынужден был пользоваться) Ньютон.

Что же это за уникальная проблема, удивительный принцип, существующий то ли в реальности, то ли только в воображении ученых?

В современной физике проблема именуется по-научному: нелокальность. Она же – дальнодействие. Иными словами: мгновенное взаимодействие тел на любом расстоянии.

Сейчас об этом много пишут в Интернете:

 

научное

http://www.membrana.ru/particle/904

https://nowimir.ru/DATA/070801.htm

http://www.everettica.org/art/ipler.pdf

 

не совсем научное

https://www.proza.ru/2018/02/14/858

https://nowimir.ru/DATA/070801.htm

 

и даже совсем не научное

https://realcenter.ru/trainings/et/quantum_magic.htm

 

Но нас ведь интересует наука, верно?

О ней и речь.

 

***

Всякий предмет, живое существо и человек имеют свое место в мире. Солнце на небе, птица в воздухе, дерево на земле, дом в городе, диван в доме, кот на диване… все без какого бы то ни было исключения. Если бы всему не было уготовано место, то как можно было бы отличить одно от другого? Это настолько очевидно, что спорить не о чем.

Но если тела отделены друг от друга и полностью самостоятельны, то они и взаимодействовать не могут! Правда, за одним исключением: если столкнутся, тогда и может произойти взаимодействие. Птицу можно сбить камнем. Дерево – срубить топором. Человек сходится с человеком в битве. Или ставит подножку. Неважно – так или иначе, но тела касаются друг друга. Взаимодействуют.

А как же солнечный свет? Мы не касаемся солнца ладонями, но ощущаем его тепло. Это тоже объясняет теория «локальности». Солнце испускает маленькие невидимые глазу частицы (Демокрит назвал их атомами), которые впиваются нам в кожу, отсюда и ощущение.

Конечно, с локальностью все не так просто. Ну, столкнулись два предмета – и что при этом происходит? Они отскакивают друг от друга? Проникают друг в друга? На этот счет у древних греков были разные идеи, но в любом случае важным свойством мира являлось то, что все предметы в нем четко локализованы, а взаимодействия происходят во время прямых столкновений – никакого влияния на расстоянии.

А потом пришел Ньютон. Помните эпитафию Александра Поупа? «Был этот мир глубокой тьмой окутан. Да будет свет! И вот явился Ньютон».

Действительно, законы Ньютона навели в физике порядок. Три закона динамики Ньютона свидетельствуют: в природе все локализовано. Всякое тело находится в состоянии покоя или прямолинейного равномерного движения, пока на него не подействует внешняя сила. Что за сила? Об электромагнетизме во времена Ньютона не знали, Речь шла о механической силе, тем более, что даже свет Ньютон считал движущимися частицами (в отличие от Гюйгенса, полагавшего, что свет – волна). Всюду механические столкновения! Тело не движется (или движется равномерно), пока не столкнется с другим телом. Частицы света движутся в пустом пространстве (разделяющем локальные тела), пока не столкнутся с препятствием (с глазом, например). Все локально и – никакого дальнодействия.

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…

 

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 М31.

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!

О многолетних спорах Эйнштейна с Бором написаны десятки книг. Эйнштейн так и остался при своем мнении о трагической неполноте квантовой механики и ее ущербности. При своем мнении остался и Бор (а с ним и все другие физики).

В 1935 году Эйнштейн (в соавторстве со своими сотрудниками Борисом Подольским и Натаном Розеном) сделал последнюю попытку доказать в мысленном эксперименте, что квантовая механика внутренне противоречива и содержит ненавидимый физиками принцип дальнодействия. Эйнштейн, Подольский и Розен описали мысленный эксперимент, получивший название ЭПР-парадокса.

 

 

Предположим, – сказали они, – мы взяли две частицы (два электрона например) и связали их в единую квантовую систему. Эта система обладает собственной волновой функцией, и такое состояние называется «запутанным». Предположим, что у одного электрона в этой системе спин направлен вниз, а у другого – вверх. Теперь возьмем один из «запутанных» электронов (в мысленном эксперименте это легко сделать) и перенесем в галактику М33. А потом поменяем направление спина оставшегося в лаборатории электрона на противоположное (это осуществимо не только мысленно, но и технически). Поскольку оба электрона описываются общей волновой функцией, то в то же мгновение спин электрона, перенесенного в галактику М33, тоже должен измениться на противоположный. Но это невозможно – ведь дальнодействия (согласно теории относительности) нет и быть не может!

Значит, либо неверна (или неполна) квантовая физика, либо в природе существуют мгновенные связи между частицами.

 

***

В споре с Бором Эйнштейн остался в одиночестве. А глубочайшее противоречие между теорией относительности (близкодействие!) и квантовой теорией (дальнодействие!) осталось нерешенным. Относительно ЭПР-парадокса ученые пришли к компромиссному заключению: да, запутанные частицы «чувствуют» друг друга, на каком расстоянии они бы ни находились. Однако мгновенно передать таким способом информацию невозможно, и скорость света – все-таки предел скоростей.

Эксперимент Эйнштейна, Подольского и Розена оставался сугубо мысленным в течение нескольких десятилетий, но в 1981 году Алан Аспэ поставил реальный опыт, взяв в качестве пробных частиц не электроны, а фотоны, которые, как оказалось, легче «запутать» и с которыми легче работать.

 

 

Алан Аспэ

 

Аспэ показал: дальнодействие существует, квантовые свойства фотонов можно передать мгновенно, и скорость света не является помехой. В 1989 году Даниел Гринбергер,

 

 

Майкл Хорн

 

 

 и Антон Цайлингер

 

 


 провели гораздо более сложный эксперимент, подтвердив выводы Аспэ.

Сначала запутанные частицы разносили на расстояние метра друг от друга, затем – на десятки метров, и наконец был поставлен эксперимент, где запутанные частицы разнесли на расстояние километра, изменили состояние частиц в приборе А, и в то же мгновение состояние частиц в приборе Б тоже изменилось!

 

 

 

В июне 2017 года китайские физики сумели передать квантовые состояния запутанных фотонов на самое большое пока расстояние – 1200 километров: с Земли на искусственный спутник и со спутника обратно на Землю. В эксперименте участвовали два спутника и три наземных станции.

 

 

Если получилось, что «чувствуют» друг друга одиночные частицы, то, может, и с ансамблями частиц это тоже может получиться? Провели и такой эксперимент – и да, запутанные ансамбли частиц точно так же реагировали на изменения состояний.

 

 

Так что же? Дальнодействие существует?

 

***

Открытия в физике – казалось бы, в областях, которые друг с другом никак не связаны, – довольно часто происходят практически одновременно. В семидесятых годах прошлого века, когда физики ставили первые эксперименты с запутанными частицами, Стивен Хокинг пришел к выводу, что черные дыры, возможно, могут не только поглощать вещество, но и терять. Причем терять так много, что со временем черная дыра полностью «испарится»! Более того, при этом безвозвратно потеряется вся информация, какой обладала материя, упавшая в черную дыру. Между тем, квантовая теория утверждает, что теряться информация не может.

Как происходит испарение черной дыры?

Квантово-механическое рассмотрение падения частиц в черную дыру показало, что на самом горизонте в сверхсильном гравитационном поле должны постоянно рождаться пары частиц. В «обычном» вакууме такие пары мгновенно аннигилируют, и, в общем, можно сказать, что ничего не происходит. Но на горизонте черной дыры одна из рожденных частиц может двигаться внутрь черной дыры, и тогда она навсегда в ней пропадет. А другая частица из пары может двигаться наружу – и, соответственно, улететь в космос прежде, чем произойдет аннигиляция. Эта частица уносит массу, черная дыра массу теряет…

А при чем здесь, спросите вы, нелокальность? При том что испарившийся «материал» не уносит в космос никакой информации. И никаких правил, по которым информацию можно было бы восстановить. Между тем вещество, упавшее в черную дыру, несло с собой вполне определенное количество информации, которая, как уже было сказано, согласно квантовой физике, исчезнуть не могла. Но вот черная дыра полностью испарилась. Значит, в космосе оказалось и то вещество, что когда-то попало внутрь черной дыры и принесло в черную дыру некую информацию? Куда же информация делась, если испарившиеся частицы ее не унесли?

Либо квантовая физика неверна (что невероятно), либо информация из черной дыры все-таки «утекает», а это и есть нелокальность, некая не обнаруженная пока связь упавших в черную дыру частиц с «утекающими». Квантовая запутанность, аналог той, что рассматривали Эйнштейн, Подольский и Розен.

 

 

Получается, что без нелокальности объяснить излучение Хокинга невозможно! Как и в эксперименте Эйнштейна – Подольского – Розена теория относительности запрещает мгновенную связь на расстоянии, а квантовая физика утверждает: такая связь существует.

И кто прав? Обе теории – классическая и квантовая – прекрасно «работают» отдельно друг от друга. Проблемы с реальностью начинаются, когда физики пытаются обе теории совместить.

Над созданием квантовой теории тяготения физики работают несколько десятилетий. Пока не получается. Разве что так называемая петлевая теория гравитации претендует на роль объединяющей, но до наблюдательных подтверждений еще далеко, а пока…

 

***

Пока физики извлекают максимум из того, что уже известно и доказано в эксперименте. Родилось и успешно развивается новое направление, названное «квантовой телепортацией», хотя, конечно, это не телепортация в том смысле, как ее понимают фантасты. Никакие материальные тела мгновенно не перемещаются из точки А в точку Б. Процессы, которые удается продемонстрировать на практике, – сугубо квантовые. Из точки А в точку Б мгновенно передается не сама частица, а ее квантовое состояние. Это тоже удивительно и, как полагают физики, может иметь массу практических приложений (например, в криптографии: создание послания, которое невозможно ни перехватить, ни расшифровать), однако это все-таки не то, о чем мечтали (и мечтают) фантасты.

Но дело ведь в принципе! После многих лет споров, неверия, недоверия, веры, проверок и перепроверок (нормальная, кстати, в науке динамика признания!) стало понятно, что скорость света, конечно, предел скоростей, но все же частицы и их системы могут находиться во взаимной связи, не зависящей от расстояния. Есть близкодействие (и прав Эйнштейн), но существует и дальнодействие.

Парадокс? Да, и у физиков есть идеи, как с ним справиться.

Но это уже другая история…



Комментарии

  Павел  АМНУЭЛЬ   НОВОСТИ «НАУКИ И ЖИЗНИ»


 
Copyright © 2015-2016, Леонид Шифман