Тайны квантового мира. О парадоксальности пространства и времени - Олег Фейгин

Так же обстоит дело с понятиями пространственно-временной локализации и вполне определенного динамического состояния: они так же дополнительны, как и понятия частицы и волны, с которыми к тому же, как мы скоро увидим, они тесно связаны. Можно спросить, почему же применение этих противоречащих друг другу представлений никогда не приводит к абсурду. Как мы уже говорили, это связано с тем, что невозможно одновременно определить все детали, которые позволяли бы полностью уточнить эти два представления. На математическом языке это выражается соотношением неопределенности Гейзенберга, которое в конечном счете есть следствие существования кванта действия. Так выступает со всей ясностью громадное значение открытия квантов в развитии современной теоретической физики.

С принципом дополнительности Бора тесно связан принцип ограниченности представлений. Такие простые образы, как частица, волна, точка, строго локализованная в пространстве, состояние вполне определенного движения, представляют собой, в сущности, некоторые абстракции, идеализации. В большинстве случаев эти идеализации приблизительно соответствуют действительному положению вещей, хотя и имеют определенные границы применимости. Применение каждой из этих идеализаций возможно лишь до тех пор, пока не окажется необходимым использование «дополнительной» идеализации. Таким образом, можно сказать, что частицы существуют, так как большое число физических явлений может быть объяснено только в том случае, если допустить их существование. Однако в других явлениях корпускулярная природа более или менее завуалирована и явно проявляется лишь волновой характер процесса.

Созданные нами более или менее схематичные идеализации способны отразить некоторые стороны различных явлений, но они все же ограниченны, и в их жесткие рамки не умещается все богатство реальности…

Сказанного здесь достаточно, чтобы показать читателю, как глубока и интересна квантовая теория. Она не только вызвала к жизни отрасль науки — атомную физику — наиболее живую и увлекательную, но также, бесспорно, расширила наши представления о мире и привела к появлению многих новых идей, которые оставят, без сомнения, глубокий след в истории человеческой мысли. Именно поэтому квантовая физика представляет интерес не только для специалистов, она заслуживает внимания каждого культурного человека.

Луи Виктор Пьер Раймон маркиз де Бройль (1892–1987)

История закладки фундамента квантовой науки богата бурными дискуссиями между ее отцами-основателями о глубинном смысле новой реальности микромира.

Наиболее часто спор вращался среди вопросов:

— Какой еще смысл, кроме вероятностного, может иметь остающаяся во многих отношениях загадкой пси-функция?

— Как происходит переход от волновой сущности микрообъекта к его второму — дискретному «я»: посредством «коллапса волновой функции» или «редукции волнового пакета»?

— Как подобрать точную и наглядную картину — аналогию данного явления?

— Означает ли подобный подход, что наше будущее не определено и квантовый принцип причинности устанавливает между событиями в микромире лишь вероятностные связи?

— И наконец, насколько полно описывают объективную реальность законы квантового мира?

Именно подобные вопросы и подвигли Эйнштейна с его сотрудниками — Подольским и Розеном написать знаменитую статью «Можно ли считать квантовомеханическое описание физической реальности полным?». Они предложили парадоксальный мысленный эксперимент, из которого логически следовало, что для описания физических объектов волновой функции недостаточно. Тем самым утверждалось, что квантовая механика еще не до конца разработана и ее законы не полностью описывают наш мир. Эйнштейн, Подольский и Розен рассмотрели систему двух взаимосвязанных (коррелированных) частиц. В результате блестящего умозрительного анализа они сделали удивительный вывод, что «… поскольку эти системы уже не взаимодействуют, то в результате каких бы то ни было операций на первой системе во второй системе уже не может получиться никаких реальных изменений…».

Давайте и мы в несчетный раз проследуем по схеме рассуждений команды теоретиков Великого Физика. Итак, возьмем две микрочастицы и назовем их для образности А — Алиса и Б — Боб. Пусть данные квантовые объекты рождаются в одной точке, а затем разлетаются в разные стороны. В момент рождения ни у одной из частиц не определены координата и импульс, но в силу закона сохранения импульса сумма их импульсов в любой последующий момент времени равна нулю (как до рождения частиц). Теперь любое измерение координатного местоположения Алисы приведет к коллапсу ее волновой функции, и в тот же момент «схлопнется» и волновая функция Боба, поскольку его координаты автоматически уточняются через данные Алисы! Если волновая функция полностью характеризует частицу, то, значит, с Бобом действительно что-то произойдет, а ведь измерение проводилось над Алисой, которая могла быть в этот момент очень далеко от Боба, даже на другом краю Метагалактики! Это напоминает мистическую магию — Алиса дергает за невидимую ниточку, и где-то во Вселенной возникает улыбающийся Боб! В этом и заключается парадокс Эйнштейна — Подольского — Розена или, сокращенно, ЭПР-парадокс.

Игральные кубики квантовой вероятности

Философия успокоения Гейзенберга — Бора (или религия?) так тонко придумана, что предоставляет верующему до поры до времени мягкую подушку, с которой его не так легко спугнуть. Пусть спит… Большой первоначальный успех квантовой теории не может заставить меня поверить в лежащую в основе всего игру в кости.