Всё, что движется. Прогулки по беспокойной Вселенной от космических орбит до квантовых полей - Алексей Михайлович Семихатов

Бом: волновая функция выражает наше незнание

Эти изобретения работают: применяя такую схему, можно последовательно описать (предположительно) все квантово-механические явления, с теми же результатами, что и с аксиомой коллапса и сопутствующими ей идеями. При этом нет никакой проблемы измерения, воздействующего на измеряемую систему и участвующего в наделении ее свойствами; наоборот, измерения просто выявляют то, что имелось в системе, но чего мы не знали. Никакие наблюдатели или макроскопические приборы не требуются для придания смысла происходящему. И нет никакого коллапса. Все эффекты квантовой механики, странные и менее странные, возникают полностью «реалистически»: все свойства, которые любая система или ее часть может проявить при измерениях, явным образом наличествуют до измерений (с небольшой «тонкой настройкой» для спина – что, возможно, не очень удивительно, потому что спин не имеет классического аналога). Все «квантово-механические недоумения» таким образом развеиваются. Никакие приборы не «зависают» в комбинации двух состояний, кошка Шрёдингера всегда или жива, или мертва – в зависимости от того, как в данном конкретном случае пролегла траектория электрона, чуть выше или чуть ниже некоторой разделительной линии.

При этом бомовская механика, раз ее предсказания неотличимы от того, что дает правило Борна вместе с коллапсом, нарушает неравенства Белла (иначе мы бы ее и не обсуждали). Добиться этого удается за счет нелокальности, действующей «через» волновую функцию. В системе из двух или более частиц волновая функция зависит от положения каждой из них; в только что обсуждавшейся системе из электрона и протона количество движения, которое предписано иметь электрону, определяется тем, насколько волновая функция ψ(qэ, qп) чувствительна к «шевелению» положения электрона qэ. Но ведь волновая функция зависит, конечно, и от qп – положения протона в тот же момент времени! Если мы вычислили количество движения электрона при некотором положении протона, то стоит только «подвинуть» протон, как и количество движения электрона может несколько поменяться. И происходит это при любом расстоянии между двумя частицами. Это и есть самая настоящая нелокальность. В точности она же обеспечивает и обмен информацией между частицами при удаленных измерениях. Как только Аня измеряет нечто, скажем про протон – а дело всегда сводится к его конкретному положению Qп, – волновая функция всей системы конкретизируется, в ней остается неизвестным только положение электрона, положение же протона надо взять равным в точности тому, которое было измерено: ψ(qэ, Qп). Происходящее в дальнейшем с электроном чувствительно к актуально зафиксированному положению протона – неважно, насколько далеко этот протон находится.

Кто боится нелокальности?

На упреки в нелокальности, предъявляемые бомовской механике, ее последователи отвечают примерно так: во-первых, неравенства Белла показывают, что если настаивать на реализме, то какую-то нелокальность приходится допустить в любом случае; а во-вторых, бомовская механика как раз и делает неизбежную нелокальность совершенно явной, а такое можно только приветствовать. И кстати! – хотя и немного в сторону – Белл вообще-то занялся своими неравенствами, размышляя не над чем-нибудь еще, а над бомовской механикой. И действительно, вот характерные риторические вопросы от Белла (а если называть вещи своими именами, то их адресат – засилье копенгагенской интерпретации). Отметив, что даже Паули, Розенфельд и Гайзенберг не смогли высказать никакой более разгромной критики бомовской концепции, кроме как заклеймить ее «метафизической» и «идеологической», Белл продолжает:

Почему картину волны-лоцмана игнорируют в учебниках? Не следует ли ее преподавать – не как единственный вариант, но как средство против повсеместно распространенной безалаберности? С тем чтобы показать, что на неотчетливость, субъективизм и индетерминизм нас обрекают не экспериментальные факты, а сознательно сделанный теоретический выбор?

Скрытые переменные – траектории точечных частиц – предлагаются как основной элемент реальности, но, что несколько парадоксально, их «скрытость» означает, что мы не можем выследить никакие их проявления в окружающей нас реальности, кроме как в виде обычных квантовых эффектов. Это значит, что у нас нет способа доказать их существование (и они не оказывают обратного воздействия на волновую функцию). В таком случае трудно оспорить взгляд на бомовские траектории частиц как на придуманные траектории. Придуманы они сверх меры или нет? Приемлема ли цена, которую предлагается заплатить за то, чтобы логически последовательно объяснить квантовую теорию, оставаясь в рамках реализма, зависит в том числе и от того, какое значение придавать реализму.

Самая существенная проблема бомовской механики не в том, что она «просто нелокальна», а в том, что совсем не понятно, как можно было бы обобщить ее с учетом требований специальной теории относительности. В этой механике существенно, что происходит с другими частицами «в данный момент времени»; при объяснении ряда эффектов с запутанными парами важно, что один из электронов долетает до измерительного прибора первым. Но если мы вспомним, что из-за абсолютности скорости света и одновременность, и временной порядок событий, разделенных в пространстве, относительны, то вся схема рушится; бомовскую механику не получается (очень трудно?!) построить, не предполагая наличие абсолютного, одинакового для всех времени[285]. Придуманные траектории, движение по которым управляется волновой функцией, элегантны, но в нашем мире действует специальная теория относительности, и все, что совсем с ней не примиряется, едва ли имеет шансы быть частью природы на фундаментальном уровне[286].

Вспышки в пустоте. Вообще-то все время получается так, что, говоря о какой-либо интерпретации квантовой теории, ее по разным поводам сравнивают с копенгагенской, несмотря на неразбериху, которая там творится с измерением и коллапсом. Однако в рассуждениях коллапс оказывается очень удобной вещью. Может ли так оказаться, что в Копенгагене и идею коллапса тоже правильно угадали – быть может, это физический процесс, который происходит в природе? Он мог бы являться не результатом непостижимого влияния «измерения» с помощью макроскопического прибора, а законом мироздания, по ясным правилам действующим в отношении самих квантовых объектов. Правда, от такого закона требуется, как кажется, трудно реализуемое: чтобы коллапс, происходящий по своим внутренним законам, не портил нам волновые функции огромного числа систем (начиная, конечно, с атомов), но «сам собой» случался бы всякий раз, когда задействован макроскопический прибор.

А что, если коллапс – физический процесс? Только очень редкий