Митио Каку - Космос Эйнштейна. Как открытия Альберта Эйнштейна изменили наши представления о пространстве и времени
Открыв ящик, мы можем провести наблюдение и увидеть своими глазами, жив кот или мертв. Процесс наблюдения, проводимый внешним наблюдателем, вызывает «коллапс» волновой функции и определяет точное состояние кота. После этого мы уже точно знаем, жив он или не жив. Ключевой момент здесь – процесс наблюдения, проводимый внешним наблюдателем. Мы посветили фонариком внутрь ящика, волновая функция коллапсировала, и объект внезапно приобретает определенное состояние.
Иными словами, процесс наблюдения определяет конечное состояние объекта. Слабость копенгагенской интерпретации Бора заключается в вопросе: но существуют ли тогда объекты до того, как вы проведете наблюдение? Эйнштейну и Шрёдингеру все это казалось нелепостью. Эйнштейн до конца жизни без особого успеха сражался с этими глубокими философскими вопросами (которые даже сегодня порождают ожесточенные споры).
Некоторые неприятные аспекты этой головоломки потрясли Эйнштейна до глубины души. Во-первых, до момента наблюдения мы существуем как сумма всех возможных вселенных. Мы не можем сказать определенно, живы мы или мертвы, или, может быть, динозавры по-прежнему разгуливают по Земле, или сама Земля разрушена миллиарды лет назад. Пока наблюдение не проведено, возможно все. Во-вторых, может показаться, что процесс наблюдения сам по себе создает реальность! Таким образом, старая философская загадка о том, падает ли на самом деле в лесу дерево, если никто этого не слышит, приобретает новый ракурс. Последователь Ньютона принялся бы утверждать, что дерево может упасть независимо от наблюдения. Но представитель Копенгагенской школы заявил бы, что дерево может существовать во всех возможных состояниях (упавшим, стоящим, в виде ростка, зрелым, сгоревшим, сгнившим и т. п.), пока на него никто не смотрит, и только в момент наблюдения внезапно возникает по-настоящему. Так квантовая теория добавляет совершенно неожиданную интерпретацию: наблюдение определяет состояние дерева, то есть упало оно или нет.
Эйнштейн еще со времен работы в патентном бюро обладал необычайной способностью выделять в любой проблеме главное. Он любил задавать гостям следующий вопрос: «Неужели Луна существует только потому, что на нее смотрит мышь?» Если Копенгагенская школа права, то так оно и есть, Луна в каком-то смысле возникает в тот момент, когда на нее падает взгляд какой-нибудь мыши и волновая функция Луны коллапсирует. За прошедшие несколько десятков лет к задаче с котом Шрёдингера предложено множество решений, ни одно из которых нельзя назвать полностью удовлетворительным. Хотя почти никто сегодня не сомневается в корректности квантовой механики как таковой, эти и подобные вопросы по-прежнему служат величайшими вызовами философской мысли в физике.
«Я думаю о квантовых проблемах в сто раз больше, чем думал когда-либо об общей теории относительности», – писал Эйнштейн о своей бесконечной борьбе с фундаментальными положениями квантовой теории. После длительных и глубоких размышлений Эйнштейн ответил тем, что казалось ему исчерпывающей критикой квантовой теории. В 1933 г. он вместе со своими учениками Борисом Подольским и Натаном Розеном предложил необычный эксперимент, который даже сегодня служит источником головной боли для многих квантовых физиков, а также философов. Возможно, эксперимент Эйнштейна – Подольского – Розена (ЭПР) и не разрушил квантовую теорию, на что, вероятно, надеялся Эйнштейн, но успешно доказал, что она, и до того выглядевшая достаточно странно, становится все запутаннее и запутаннее. Представьте, что атом испускает в противоположных направлениях два электрона. Представьте затем, что эти два электрона вращаются в разных направлениях, так что их суммарное вращение равно нулю, хотя вы и не знаете, который из них куда вертится. Вектор вращения одного из электронов может быть направлен вниз, тогда как другого вверх, или наоборот. Если подождать достаточно долго, электроны разлетятся на миллиарды километров. До проведения измерений спин электронов вам неизвестен.
А теперь представьте, что вы, в конце концов, измеряете спин одного из электронов и выясняется, к примеру, что его вектор направлен вверх. Тогда вы мгновенно получаете информацию о спине второго электрона, хотя сам он находится от вас на расстоянии многих световых лет, – ведь, поскольку его спин противоположен спину его партнера, получается, что его вектор направлен вниз. Это означает, что наблюдение, проведенное в одной части Вселенной, мгновенно определяет состояние электрона на другом ее конце, что, на первый взгляд, противоречит общей теории относительности. Эйнштейн назвал это «призрачным дальнодействием». Философские следствия из этого мысленного эксперимента поражают воображение. Сказанное означает, что некоторые атомы в нашем теле могут быть связаны с невидимой сетью атомов на другом конце Вселенной, так что движения нашего тела могут мгновенно влиять на состояние атомов за миллиарды световых лет от нас, порождая кажущееся нарушение законов общей теории относительности. Эйнштейну эта идея не нравилась, поскольку означала, что Вселенная нелокальна; то есть события здесь, на Земле, мгновенно влияют на события на другом конце Вселенной, а значит, информация туда передается быстрее света.
Услышав об этом новом аргументе против квантовой механики, Шрёдингер написал Эйнштейну: «Я был счастлив, что в той работе… вы, очевидно, ухватили догматичную квантовую механику за хвост». Узнав о новой статье Эйнштейна, коллега Бора Леон Розенфельд написал: «Мы бросили все; необходимо было как можно быстрее разъяснить подобное недоразумение. Бор, в сильном возбуждении, сразу же начал диктовать черновик ответной статьи».
Копенгагенская школа выдержала эту атаку, но победа далась большой ценой: Бору пришлось согласиться с Эйнштейном в том, что квантовая Вселенная действительно нелокальна (то есть события в одной части Вселенной могут мгновенно влиять на другую ее часть). Все в этой Вселенной каким-то образом «запутано» в какой-то космический клубок. Так что мысленный эксперимент, или ЭПР– парадокс, не опроверг квантовую механику; он лишь продемонстрировал, насколько она на самом деле умопомрачительна. (С годами этот мысленный эксперимент оброс десятками неверных интерпретаций и рассуждений о том, что можно на его основе то ли построить сверхсветовое радио, то ли послать сигнал в прошлое, то ли овладеть телепатией.)
Однако ЭПР-эксперимент не отрицает относительность. В этом смысле Эйнштейн смеялся последним. Невозможно при помощи этого эффекта передать какую бы то ни было полезную информацию быстрее, чем со скоростью света. Так, невозможно передавать при помощи аппарата ЭПР морзянку быстрее света. Физик Джон Белл воспользовался этим примером для объяснения сути проблемы. Он описал математика по имени Бертлманн, всегда носившего один розовый и один зеленый носок. Достаточно знать, что на одной из его ног надет зеленый носок, чтобы мгновенно понять, какого цвета носок надет на второй ноге. Тем не менее от одной ноги к другой не передавалось никаких сигналов. Иными словами, знать что-то – совсем не то же самое, что передать эту информацию. Существует принципиальная разница между обладанием информацией и ее передачей.
