эта концепция по-новому опенивает роль взаимосвязанности в квантовой физике.
В классической физике понятие вероятности используется в тех случаях, когда неизвестны характеристики какого-то процесса или реакции. Так, играя в кости, мы, в принципе, могли бы предсказать результат того или иного броска, если бы имели информацию обо всех условиях, в которых он совершается: материал, из которого изготовлена кость, местонахождение ее центра тяжести, характер поверхности, на которую падает кость, и т. д. Все эти показатели называются локальными переменными, так как они принадлежат предметам, принимающим участие в данном процессе. В субатомной физике примером локальных переменных являются связи между пространственно удаленными друг от друга объектами, реализующиеся посредством сигналов — частиц или их последовательностей-каскадов, — а также подчиняющиеся законам пространственного удаления. Эти законы не позволяют никаким сигналам перемещаться быстрее скорости света. Однако в последнее время было обнаружено, что за локальными связями, еще глубже, существуют некие нелокальные связи, которые характеризуются мгновенностью установления и пока не могут предсказываться при помощи языка точной математики.
Некоторые физики рассматривают нелокальные связи в качестве непосредственной сущности квантовой действительности. Квантовая теория не всегда указывает точную причину того или иного явления. Возьмем, к примеру, переход электрона с одной атомной орбиты на другую, или распад субатомной частицы, которые могут происходить и происходят спонтанно, без какой-то определенной причины. Не всегда можно заранее предсказать, когда и каким образом произойдет подобное событие; реально лишь охарактеризовать его вероятность. Это не означает, что атомные явления протекают совершенно произвольным образом; все, что имеется в виду, — это то, что они не вызываются локальными причинами. Поведение любой части целого определяется ее нелокальными связями с последним, а поскольку об этих связях мы ничего не знаем, нам приходится заменить узкие классические понятия причины и следствия более широкими представлениями о статистической причинности. Законы атомной физики имеют природу статистических закономерностей, согласно которым, вероятность отдельных атомных явлений определяется общей динамикой всей системы. В то время, как в классической физике свойства и поведение некоего целого определяется свойствами и поведением его отдельных частей, в физике квантовой все обстоит совершенно противоположным образом: поведение частей целого определяется самим целым.
Таким образом, вероятность используется в классической и квантовой физике практически в одних и тех же целях. В обоих случаях мы имеем дело с некими «сокрытыми» переменными, которые нам неизвестны, и такое отсутствие информированности мешает нам делать какие-либо определенные выводы. Тем не менее, между двумя этими случаями есть и очень существенная разница. Если в классической физике скрытые переменные являются локальными механизмами, то в квантовой физике они нелокальны: они представляют собой мгновенные связи со Вселенной в целом. В повседневной, макроскопической действительности нелокальные связи играют сравнительно незначительную роль, вследствие чего мы можем говорить о самостоятельных объектах и формулировать законы, описывающие их поведение в терминах стопроцентных определенностей. Однако при переходе к более низким измерениям определенности уступают место вероятностям, и отделить какую-то часть Вселенной от целого становится чрезвычайно сложно.
Сам Эйнштейн долго не мог признать существование нелокальных связей и вытекающее из этого факта фундаментальное значение вероятности. Именно этой проблеме был посвящен его исторический спор с Бором в двадцатые годы, во время которого Эйнштейн выразил свое несогласие с тем, как Бор интерпретирует квантовую теорию при помощи знаменитого афоризма: «Бог не играет в кости» [68]. В результате спора Эйнштейну пришлось признать, что квантовая теория в трактовке Бора и Гейзенберга представляет собой последовательную систему научных взглядов, однако его не покидала мысль о том, что рано или поздно науке удастся найти детерминистское описание всех доселе необъяснимых явлений в терминах локальных скрытых переменных.
Согласиться с Бором Эйнштейну мешала его непоколебимая вера в некую внешнюю реальность, состоящую из независимых, пространственно удаленных друг от друга элементов. Пытаясь доказать непоследовательность интерпретации Бора, Эйнштейн поставил «мысленный» эксперимент, который получил известность под названием эксперимента Эйнштейна-Подольского-Розена (ЭПР) [5, 614]. Три десятилетия спустя Джон Белл построил теорему, опирающуюся на этот эксперимент, которая доказывает, что существование локальных скрытых переменных плохо согласуется со статистическими формулировками квантовой теории [70]. Теорема Белла нанесла сокрушительное поражение позиции Эйнштейна, доказав, что понимание действительности как сложной структуры, состоящей из отдельных частей, соединенных при помощи локальных связей, несовместимо с идеями квантовой теории.
За последние годы эксперимент ЭПР неоднократно становился предметом дискуссий и анализа специалистов в связи с проблемами интерпретации квантовой теории, поскольку он является превосходным примером для демонстрации отличия между понятиями классической и квантовой физики. Для наших целей достаточно ограничиться рассмотрением упрощенной версии этого эксперимента, в которой принимают участие два вращающихся электрона и которая была разработана в ходе исчерпывающего анализа, данного этому эксперименту Дэвидом Бомом. Для того, чтобы уловить основной смысл ситуации, необходимо познакомиться с некоторыми свойствами электронного спина, или вращения электрона. Классическая метафора вращающегося теннисного мяча не вполне подходит для описания вращающейся субатомной частицы. В определенном смысле, спин частицы представляет собой ее вращение вокруг собственной оси, однако, как это всегда бывает в субатомной физике, это классическое понятие имеет ограниченную область применения. В случае с электроном, множество значений спина состоит из двух вариантов: количество вращения остается всегда постоянным, однако относительно оси вращения электрон может вращаться в двух направлениях — или по, или против часовой стрелки. Физики обычно обозначают эти два значения при помощи слов «верх» и «вниз».
Основное свойство вращения электрона, которое нельзя объяснить при помощи классических терминов, — это невозможность точного определения направления его оси.
1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20 21 22 23 24 25 26 27 28 29 30 31 32 33 34 35 36 37 38 39 40 41 42 43 44 45 46 47 48 49 50 51 52 53 54 55 56 57 58 59 60 61 62 63 64 65 66 67 68 69 70 71 72 73 74 75 76 77 78 79 80 81 82 83 84 85 86
В классической физике понятие вероятности используется в тех случаях, когда неизвестны характеристики какого-то процесса или реакции. Так, играя в кости, мы, в принципе, могли бы предсказать результат того или иного броска, если бы имели информацию обо всех условиях, в которых он совершается: материал, из которого изготовлена кость, местонахождение ее центра тяжести, характер поверхности, на которую падает кость, и т. д. Все эти показатели называются локальными переменными, так как они принадлежат предметам, принимающим участие в данном процессе. В субатомной физике примером локальных переменных являются связи между пространственно удаленными друг от друга объектами, реализующиеся посредством сигналов — частиц или их последовательностей-каскадов, — а также подчиняющиеся законам пространственного удаления. Эти законы не позволяют никаким сигналам перемещаться быстрее скорости света. Однако в последнее время было обнаружено, что за локальными связями, еще глубже, существуют некие нелокальные связи, которые характеризуются мгновенностью установления и пока не могут предсказываться при помощи языка точной математики.
Некоторые физики рассматривают нелокальные связи в качестве непосредственной сущности квантовой действительности. Квантовая теория не всегда указывает точную причину того или иного явления. Возьмем, к примеру, переход электрона с одной атомной орбиты на другую, или распад субатомной частицы, которые могут происходить и происходят спонтанно, без какой-то определенной причины. Не всегда можно заранее предсказать, когда и каким образом произойдет подобное событие; реально лишь охарактеризовать его вероятность. Это не означает, что атомные явления протекают совершенно произвольным образом; все, что имеется в виду, — это то, что они не вызываются локальными причинами. Поведение любой части целого определяется ее нелокальными связями с последним, а поскольку об этих связях мы ничего не знаем, нам приходится заменить узкие классические понятия причины и следствия более широкими представлениями о статистической причинности. Законы атомной физики имеют природу статистических закономерностей, согласно которым, вероятность отдельных атомных явлений определяется общей динамикой всей системы. В то время, как в классической физике свойства и поведение некоего целого определяется свойствами и поведением его отдельных частей, в физике квантовой все обстоит совершенно противоположным образом: поведение частей целого определяется самим целым.
Таким образом, вероятность используется в классической и квантовой физике практически в одних и тех же целях. В обоих случаях мы имеем дело с некими «сокрытыми» переменными, которые нам неизвестны, и такое отсутствие информированности мешает нам делать какие-либо определенные выводы. Тем не менее, между двумя этими случаями есть и очень существенная разница. Если в классической физике скрытые переменные являются локальными механизмами, то в квантовой физике они нелокальны: они представляют собой мгновенные связи со Вселенной в целом. В повседневной, макроскопической действительности нелокальные связи играют сравнительно незначительную роль, вследствие чего мы можем говорить о самостоятельных объектах и формулировать законы, описывающие их поведение в терминах стопроцентных определенностей. Однако при переходе к более низким измерениям определенности уступают место вероятностям, и отделить какую-то часть Вселенной от целого становится чрезвычайно сложно.
Сам Эйнштейн долго не мог признать существование нелокальных связей и вытекающее из этого факта фундаментальное значение вероятности. Именно этой проблеме был посвящен его исторический спор с Бором в двадцатые годы, во время которого Эйнштейн выразил свое несогласие с тем, как Бор интерпретирует квантовую теорию при помощи знаменитого афоризма: «Бог не играет в кости» [68]. В результате спора Эйнштейну пришлось признать, что квантовая теория в трактовке Бора и Гейзенберга представляет собой последовательную систему научных взглядов, однако его не покидала мысль о том, что рано или поздно науке удастся найти детерминистское описание всех доселе необъяснимых явлений в терминах локальных скрытых переменных.
Согласиться с Бором Эйнштейну мешала его непоколебимая вера в некую внешнюю реальность, состоящую из независимых, пространственно удаленных друг от друга элементов. Пытаясь доказать непоследовательность интерпретации Бора, Эйнштейн поставил «мысленный» эксперимент, который получил известность под названием эксперимента Эйнштейна-Подольского-Розена (ЭПР) [5, 614]. Три десятилетия спустя Джон Белл построил теорему, опирающуюся на этот эксперимент, которая доказывает, что существование локальных скрытых переменных плохо согласуется со статистическими формулировками квантовой теории [70]. Теорема Белла нанесла сокрушительное поражение позиции Эйнштейна, доказав, что понимание действительности как сложной структуры, состоящей из отдельных частей, соединенных при помощи локальных связей, несовместимо с идеями квантовой теории.
За последние годы эксперимент ЭПР неоднократно становился предметом дискуссий и анализа специалистов в связи с проблемами интерпретации квантовой теории, поскольку он является превосходным примером для демонстрации отличия между понятиями классической и квантовой физики. Для наших целей достаточно ограничиться рассмотрением упрощенной версии этого эксперимента, в которой принимают участие два вращающихся электрона и которая была разработана в ходе исчерпывающего анализа, данного этому эксперименту Дэвидом Бомом. Для того, чтобы уловить основной смысл ситуации, необходимо познакомиться с некоторыми свойствами электронного спина, или вращения электрона. Классическая метафора вращающегося теннисного мяча не вполне подходит для описания вращающейся субатомной частицы. В определенном смысле, спин частицы представляет собой ее вращение вокруг собственной оси, однако, как это всегда бывает в субатомной физике, это классическое понятие имеет ограниченную область применения. В случае с электроном, множество значений спина состоит из двух вариантов: количество вращения остается всегда постоянным, однако относительно оси вращения электрон может вращаться в двух направлениях — или по, или против часовой стрелки. Физики обычно обозначают эти два значения при помощи слов «верх» и «вниз».
Основное свойство вращения электрона, которое нельзя объяснить при помощи классических терминов, — это невозможность точного определения направления его оси.
1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20 21 22 23 24 25 26 27 28 29 30 31 32 33 34 35 36 37 38 39 40 41 42 43 44 45 46 47 48 49 50 51 52 53 54 55 56 57 58 59 60 61 62 63 64 65 66 67 68 69 70 71 72 73 74 75 76 77 78 79 80 81 82 83 84 85 86