Ейнштейн і пошук альтернативи квантовій механіці

У 1915 році Альберт Ейнштейн, допомагаючи своїм друзям, розробив теорію гравітації, яка фактично скасувала основу "колишньої" фізичної реальності. Немислимо для того часу: простір, у якому ми живемо, лише частково описується евклідовою геометрією, пише Альтернативна наука.

Скасувалися і принципи, закладені механікою Ньютона, а разом із ними і стигмати класичної, "німецької" логіки, сформовані Еммануїлом Кантом. І все тому, що світ вийшов за межі земного буття, за межі світу як "земної" конструкції. Гравітація перестала бути суто "земною" рыччю, видимою тільки за допомогою математичних прийомів, запропонованих стародавніми греками.

Відомий фізик Вернер Гейзенберг пізніше вказав на наслідки філософських помилок Канта. Великий кенігсберзький мислитель вважав, що наше розуміння стародавньої геометрії обумовлює існування загальної фізичної реальності. Тому опис природи неможливий за межами тривимірного простору.

Але в 1915 році філософська будівля науки вкрилася найширшими тріщинами. Потрібно було заново зводити стіни і перебудовувати фундамент, що утримує тільки об'єкти відчутного світу. Виявилося, що стара фізика описує лише об'єкти середнього порядку, тоді як мікросвіт був викинутий за межі наукового пізнання.

Попри радикальний розрив із застарілими ідеями про природу простору і часу, Ейнштейн все ж зосередився на переосмисленні ньютонівської теорії як частини "початкової фізики".

Таким чином він забезпечив методологічний перехід від "класики" до квантової фізики. Але що послужило точкою відліку для наукової революції, яка відкрила шлях для створення загальної теорії відносності? Що спровокувало сейсмічний зсув усвідомлення ймовірності існування викривленого простору і часу?

Для початку ми повинні з'ясувати істотну дивину квантової механіки. Чому відтоді, як квантовий світ з'явився на академічній сцені, фізики намагаються знайти альтернативу, що дає змогу мікшувати класичне ядро і квантову механіку? Чи ми ще не відмовилися від класичного розуміння реальності, від якого втік Ейнштейн ще 100 років тому?

Усе, що ви знаєте, помилкове

Наше уявлення про реальність створюється ще з дитячого віку, коли ми починаємо контактувати з навколишнім світом. Формулювання уявлення про річ виникає тоді, коли причина і наслідок пов'язуються в одне ціле, а розглянуті явища вибудовуються у фізично відчутну послідовність.

Світ здається цілком передбачуваним. З віком навколишня реальність ускладнюється. Розуміння межі контролю обмежує наше знання на користь визнання невизначеностей у відносинах причина - наслідок, які, своєю чергою, здатні мінятися місцями.

Ми в змозі навіть вибудовувати статистичні моделі, але це не розв'язує проблему вираження граничності нашого знання. Математична форма - це лише інструмент, який демонструє статичність, динамічність і ймовірність однієї й тієї самої події. Все залежить від прийнятої початкової події, від заданої нами самими точки відліку.

Ми тільки припускаємо, яка природа події і обчислюємо її природу. Знаходячи монету на вулиці, ми з точністю можемо її описати як статичне явище, тобто те, що є присутнім "тут і зараз", але ми нічого не знаємо, як вона потрапила на це місце, ми не знаємо її минуле, її "життєвий шлях" - у просторі та в часі. Відповідно, припускаючи, ми вибудовуємо ймовірності, але не надаємо гарантію, що та чи інша ймовірність є реальністю.

Або, навпаки, описуючи реальність, упевнено заявляэмо, що вона неваріативна, незмінна за своєю фізичною природою. Цей "реалістичний" погляд на світ не пережив натиску даних, отриманих під час експериментування з фотонами та іншими субатомними частинками.

Спочатку складалося враження, що фізики, в припадку впертої порочності, вирішили побудувати теорію, яка суперечить адекватним уявленням про реальність. Однак, незважаючи на результати експериментів, вони наполегливо використовували класичний інструментарій для своїх теоретичних викладок. По суті, винахід квантового формалізму - це акт відчаю, спровокований відсутністю experience понятійного та методологічного апаратів.

Зрозуміло, що якби цього не сталося, то розвиток квантової механіки обмежився б променевими хворобами подружжя Кюрі, про наявність яких на початку 20 століття тільки здогадувалися.

Невидиму дивину навколишнього світу можна окреслити і в домашніх умовах. Для цього знадобляться ліхтарик або лазерна указка, а також дешеві поляризаційні фільтри (зійдуть і лінзи сонцезахисних окулярів). Встановіть поспіль два фільтри на деякій відстані один від одного. Пропустіть світло через пару і повертаєте її доти, доки не пройде світло таким чином, щоб осі їхньої поляризації перетиналися під прямим кутом.

Після чого вставте третій фільтр між двома першими. Ви переконаєтеся, що додавання додаткового фільтра пропускаэ світло. Цей приклад часто використовується на лекціях зі вступу до курсу квантової механіки - парадоксальна поведінка частинок виникає як тривіальний наслідок фотонних потоків.

Вчені в перші десятиліття минулого століття зіткнулися з експериментальними даними, набагато більш вражаючими і незрозумілими, ніж наведений вище дослід. Виконуєте ви експеримент з електронами чи фотонами, результат однаковий: на виході з'являється інтерференційна картина, наче дві хвилі виходять із двох розрізів і заважають одна одній.

Це означає, що світло має хвильову природу і навіть частинки з масою, такі як електрони, поводяться як хвилі в "природних" для себе умовах. Але експеримент підкріплюється двома цікавими ефектами.

По-перше, якщо сповільнюється швидкість випромінювання частинок (фотонів, електронів), результат не змінюється. Це має означати, так чи інакше, що частинка розпадається на дві частини, проходить через обидва фільтри і ретрансформується в саму себе!

По-друге, якщо вносяться будь-які зміни в пристрій для запису тієї "щілини", через яку проходить частинка, інтерференційна картина зникає, і світло поводиться так, як якщо б спостерігалися просто частинки без хвилеподібних характеристик.

Тобто частинки двоїсті: це хвиля і не-хвиля в "класичному" розумінні. Усе залежить від того, як експериментатор на них "подивиться".

Пізніше стало ще дивніше. Технологія просунулася до такої міри, що сьогодні ми можемо вирішувати, які виміри слід зробити після того, як частинка почала свою подорож. І результати цих експериментів із затримкою вибору завжди однакові.

Але якщо ми подивимося, в якому напрямку рухається частинка, то враження зовнішнього втручання руйнується. Якщо зміниться фізична природа нашого зору, то зміниться і знайома інтерференційна картина.

Проте ми продовжуємо ставити собі запитання: коли частинка повинна "зважитися" діяти як частинка, а коли - як хвиля?

Експериментування з уповільненим вибором призвело до припущення, що інформація про те, як поводиться частинка, передається назад у часі з моменту "перетину" обладнання. Це пояснює результати експериментів на мікрорівні та формалізує деякий набір понять (наприклад, причинності).

Останнім часом навіть було знайдено пояснення терміну "назад у часі", коли проходження частинок було розтягнуто до межі,- використовувалися повільні холодні атоми гелію.

Атоми рухалися тільки під дією сили тяжіння, тому між їхнім рухом і вибором того, коли їх спостерігати, відбувалося досить багато часу. Виходить зовсім інший процес - субатомні процеси пов'язані з обмеженою формою зворотної подорожі в часі.

Інакше кажучи, результати цих експериментів просто не можуть бути описані з використанням традиційних концепцій, що ґрунтуються на повсякденній реальності: об'єкти існують із певним набором властивостей; однак якщо не вимірювати певну властивість, то ця властивість все одно має особливе значення.

Звісно, фізики практикувалися при розв'язанні проблеми невизначеності задовго до квантової революції, але ця невизначеність зовсім іншого роду. Тоді (хоча і зараз, за великим рахунком, теж) йшлося про невизначеність у знаннях, яка передбачала невідомий, але реальний рівень детерміністської реальності, що нижчий за рівень наукового сприйняття. Якщо ми викинемо ідеї, фундаментальні для нашого розуміння світу, що чим їх замінити? Справа не тільки в тому, що вони є інтуїтивною частиною повсякденного досвіду. Вони служать основою для інших галузей науки.

Крім нашої здатності бачити

У дев'ятнадцятому столітті мікроскопічний детермінізм привів до першого великого успіху ймовірнісних міркувань у фізиці: кінетичної теорії газів. Ця теорія заснована на старій ідеї, що матерія складається з величезної кількості простих атомів, які відскакують один від одного, як субмікроскопічні кулі для пінг-понгу.

На основі деяких припущень, підкріплених вищою математикою, прихильники кінетичної теорії вивели відомі закони термодинаміки як середні значення поведінки ідеалізованих атомів. Кінетична теорія показала, що речі, які ми спостерігаємо, можуть виникати на основі процесів, які були недоступними більш ранньому уявленню про фізичну природу світу.

Проте саме такі усереднення виводилися відповідно до відомих детерміністських законів класичної механіки - інакше механіка Ньютона виявилася б "нерентабельною".

Навіть на початку XX століття багато вчених не вірили в реальність атомів. Переломний момент стався після статті Ейнштейна 1905 року, присвяченій броунівському руху. На основі статистики тоді ще молодий учений показав, що нестійкий рух зерен пилку, зважених у воді, можна пояснити бомбардуванням невидимим потоком частинок.

Ейнштейн, зрештою, не отримав Нобелівської премії ні за цю статтю, ні за інше дослідження 1905 року, яке згодом призвело до створення теорії відносності та формули E = mc2.

Йдеться ще про одну публікацію - про фотоелектричний ефект. Саме ця публікація запустила процес, який зруйнував нашу класичну реальність. Ейнштейн завів розмову про цілу низку експериментальних даних, які по-новому описують взаємодію світла і речовини.

Тепер ми знаємо, що світло поглинається і виділяється з матерії в дискретних кількостях енергії, званих квантами. Ця стаття знаменує собою народження квантової фізики, і це дитя Ейнштейна швидко зруйнувало те, що спочатку намагався зберегти батько.

У наступні два десятиліття стався вибух експериментальних досліджень на новій арені атомної фізики і хімії. Поза атомом було виявлено електрон. Потім з'явилася низка неповних теоретичних моделей, математичних формалізмів для опису мікросвіту.

Речі зрештою почали об'єднуватися, і фізики навчилися передбачати експериментальні результати. Однак потрібна була незнайома, абстрактна математична структура, набір правил для взаємоприв'язки результатів експериментальних даних. Так виникла теорія квантової механіки.

До третього десятиліття двадцятого століття майже всі вчені погодилися з реальністю атомів і навіть менших частинок. Але вони уявляли їх як невидимі крихітні версії знайомих предметів: планети, більярдні кулі та піщинки використовували для порівняння навіть у "серйозних" роботах із фізики.

Більшість учених припускали, що це була інша версія чогось на кшталт кінетичної теорії газів. Більшість людей сьогодні, ймовірно, також думають: атоми та інші складові мікросвіту можуть мати екзотичні властивості і слідувати дивним математичним правилам, але вони беруть участь у "традиційній" фізичній реальності.

Однак квантова реальність зовсім інша. Однією з ключових фігур у розвитку квантової теорії став данець Нільс Бор (включно зі значним внеском Макса Борна і Вернера Гейзенберга). Бор був філософом-фізиком, який дратував своїх колег, виступаючи з довгими, заплутаними, подекуди "темними" - навіть на тлі Демокріта - лекціями.

Хоча данець, безсумнівно, знав теорію і славився розв'язанням ранніх головоломок під час вивчення атомів, він часто надавав перевагу замість короткого і точного пояснення неквапливим маніпулюванним рівнянням. Бор наполягав на вимозі розуміння сенсу всього, - і тільки в цьому сенсі нагадував давньогрецького філософа.

Водночас саме він представив перше концептуальне розуміння квантової механіки, відоме як "Копенгагенська інтерпретація". Водночас це, як і раніше, стандартний погляд на квантовий світ, хоча й формально визначений.

Для нас це, скоріше, набір загальноприйнятих емпіричних правил, що пов'язують елементи теорії з тим, що спостерігається в лабораторії. Вони можуть бути сформульовані різними способами, але методологічно відповідати прийнятим принципам.

Ось одна версія, яка відображає поточне розуміння її основних аспектів квантової механіки: стан (положення, імпульс тощо) системи повністю визначається її "хвильовою функцією", математичною об'єктивізацією, що еволюціонує, згідно з рівняннями квантової механіки. Хвильова функція не спостерігається безпосередньо; водночас існує ймовірність того, що під час вимірювання з'явиться система в певному стані.

Такі "системи" є елементарними частинками - електронами і протонами, атомами або навіть молекулами. Під час вимірювання хвильова функція "згортається" до зафіксованого значення.

Але реальність не виникає з розрахунку ймовірностей. Не існує основного детермінованого шару; немає прихованого обладнання, яке реєструє вимірювання до проведення вимірювання. Ці ймовірності не відображають наші знання, як у класичній статистичній фізиці, тому що нічого не існує.

Є тільки ймовірність. Існують тільки фундаментальні межі experience, що описуються відношеннями невизначеності: деякі пари величин вимірюються одночасно лише з певною точністю (положення/імпульс або енергія/час). Нічого спільного з технологією або експериментальною технікою; межа фізичної реальності неминуча.

Копенгагенська інтерпретація акуратно розправляється з усією плутаниною експериментів зі сповільненим вибором, описаним вище. Немає необхідності посилатися на таємничі сигнали, що йдуть у "зворотному" часі, а тим більше шукати теоретичний привід для збереження наших уявлень про реальність.

Нам просто потрібно відмовитися від цих консервативних ідей і визнати, що фізичні властивості не існують незалежно від їх вимірювання. Речі стають реальними тільки під час вимірювання, сам вимір випливає з теоретичного визначення в "довимірюваний" період, а квантова механіка приводить нас тільки до ймовірностей різних реальностей.

Втеча неможлива?

Квантова механіка, поряд із Копенгагенською інтерпретацією, мала метафізичні наслідки. Первинність імовірності та відмова від детермінованої причинності змусили Ейнштейна навіть поскаржитися на те, що Бог "не грає в кості зі Всесвітом". Чому ж тоді фізики не відмовляються від причинності? Чому ми не можемо сказати, що можуть бути детерміновані "приховані змінні", які породжують імовірності квантового світу?

Найсильнішим стримувальним фактором є теорема Белла. Ця теорема показує, що якщо існує шар прихованих змінних, які ми не можемо виміряти, то результати деяких експериментів повинні проявлятися певним чином. До теперішнього часу з надзвичайно точних експериментів зібрано безліч доказів того, що вимірювання не виходять за рамки розрахованої "визначеності".

Логіка ж вимагає, щоб у мікросвіті не існувало невідомого детермінованого шару. Теорема Белла дозволяє за однієї умови співіснувати експериментальним результатам і детермінованим прихованим змінним: вплив змінних має відбуватися швидше за світло.

Цей вплив не може бути класичною передачею інформації, оскільки виключається спеціальною теорією відносності. Як вказував Ейнштейн, передача інформації швидше за світло призведе до ще більших казусів щодо наших уявлень про причини і наслідки.

Інакше кажучи, це означає, що ефекти передують причинам, навіть у макросвіті. Інший момент полягає в тому, щоб дозволити прихованим змінним чинити квантово-механічний вплив, що поширюється миттєво, але без інформації в класичному сенсі.

Такі припущення були висміяні Ейнштейном як "лякаюча дія на відстані", але вони пояснюють результати вимірювань на заплутаних частинках. Тут вимірювання стану частинки можна передбачити, зокрема, яким буде результат вимірювання іншої частинки, розташованої як завгодно далеко.

Теорії, які ухиляються від теореми Белла і дозволяють прихованим змінним чинити миттєвий вплив на відстані, називаються "нелокальними прихованими теоріями змінних". Хоча це всього лише один зі способів зробити квантову механіку зручнішою для нашої свідомості.

Свобода, за ціною

Не дивно, що фізики шукали вихід із самих ранніх днів квантової механіки. Але як може бути щось ще, якщо теорема Белла не залишає нам виходу?

За будь-якою теоремою завжди існують припущення, як виявлені, так і невстановлені. Доказ Белла використовує досить просту математику і, здається, не приймає нічого, що ми все ще не сприймаємо як істину.

Але відчайдушні проблеми навіюють відчайдушні заходи. Квантові теоретики шукали альтернативи Копенгагенській інтерпретації, вивчаючи деякі з тих невстановлених припущень - речі, які для більшості з нас не можуть бути невірними.

Квантова логіка

Інтерпретації квантової механіки, які самі змінюють логіку, намагаються замінити щось, що називається квантовою логікою. Джон Нейман, операціоналізуючи сучасне розуміння поля, запропонував певні фізичні наративи і заодно прописав ранню математичну формалізацію квантової теорії. Згідно з його моделлю, математична структура квантової теорії ґрунтується на логіці, відмінній від арістотелівської, характерної для класів, які Ейнштейн, використовуючи багато даних статистичної фізики для своїх висновків.

Дослідження в галузі квантової механіки тривають, але дотепер залишаються екзотичним напрямом; дотепер не створено повністю функціонуючої альтернативи Копенгагенській інтерпретації, хоча виникає питання наукової доцільності таких пошуків.

Існують кілька простих прикладів того, коли знайомі правила логіки незручні для квантового світу і на основі чого простежується альтернатива. Перш за все, йдеться про ідею суперпозиції станів.

У квантовому світі наші нормальні уявлення про реальність замінюються хвильовою функцією, яка надає ймовірності знаходження системи в різних станах. Якщо система може перебувати тільки в одному з двох станів, то доти, доки не буде виконано фактичний вимір, вона залишається в стані, що відповідає вимозі цих двох імовірностей: так виникає суперпозиція.

Популярний приклад - уявний експеримент із "кішкою Шредінгера", яка, як кажуть, водночас мертва і жива, доки не відчинять шухляду, в якій її поміщено. Така гіпотеза драматично конфліктує з класичною механікою і з нашими звичними уявленнями про реальність, яка вимагає, щоб система справді перебувала тільки в одному з двох можливих станів. При цьому акт вимірювання показує тільки те, що зафіксовано на момент навіть не експерименту, а процедури запису, яку згодом визначають як результат експерименту.

Одним із можливих способів визначення суперпозиції є застосування різних правил логіки. Знайома картина: якщо речення p (скажімо, твердження "електрон перебуває у стані спін-вгору") є хибним, а речення q ("електрон перебуває у стані спін-вниз") є хибним, то речення p ∨ q (де ∨ означає "або") також має бути хибним. І так відбувається з усіма класичними вимірами. У квантовій механіці p не може бути істиною, якщо вона не була виміряна. Чи слід вважати це "хибним судженням" у класичному сенсі або чимось іще, - інше питання. Аналогічно, q також не може бути правдою.

Однак комбінація p ∨ q може бути правдивою, тому що це визначення суперпозиції, в якій перебуває електрон, перш ніж ми його вимірюємо. Таким чином, квантова логіка дозволяє p ∨ q бути істинним судженням у тому випадку, коли і p, і q не відповідають істині. Може здатися дивним наміри змінити правила логіки. Але таким чином можна підштовхнути дивність квантової механіки на рівень тих логічних стандартів, які ми використовуємо для висновків.

Стохастична механіка

Подібна інтерпретація квантової механіки залишає в спокої традиційну логіку, але додає новий фізичний процес. Початки сучасного напряму стохастичної механіки поклала робота Едварда Нельсона 1966 року, де він пише: "Ми спробуємо показати в цій статті, що радикальний відхід від класичної фізики, яка створила квантову механіку 40 років тому, не потрібен".

Основний результат статті вражає: автор виводить рівняння Шредінгера, центральне рівняння квантової механіки, припускаючи, що частинки піддаються випадковій силі, яка швидко змінюється. Тому мікроскопічні частинки, такі як електрони, описують як щось схоже на броунівський рух.

Починаючи з роботи Нельсона, виникає пояснення квантування моменту ("спін") і квантової статистики. Однак стохастична механіка все ще далека від заміни Копенгагенської інтерпретації або звичайної квантової механіки. Вона включає те, що здається нефізичною миттєвою дією на відстані і дає невірні прогнози для певних типів вимірювань. Нельсон ставить істинно квантове запитання: "Як теорія може бути настільки правильною, але все ж неправильною?"

Теорія пілотної хвилі

Ця версія квантової механіки сходить до початку розуміння квантового поля. Якщо перша частина квантової головоломки була введена Ейнштейном у 1905 році, коли він пояснив, як поглинається світло і водночас як воно виділяється з матерії, то другу частину надав Луї де Бройль в 1924 році.

Де Бройль стверджував, що, хоча світлові хвилі можуть поводитися як частинки, проте частинки, такі як електрони, можуть поводитися як хвилі. Наступного року де Бройль описав свою модель експериментально: хвилі розглядалися як реальні фізичні об'єкти, елементарні частинки.

Це була, в певному сенсі, оригінальна інтерпретація квантової механіки, але незабаром її поглинула Копенгагенська інтерпретація. Ідеї Де Бройля були заново відкриті в 1950-х роках Девідом Бомом, який розвинув їх далі. У його формулюванні хвильова функція, як і раніше, регулюється рівнянням Шредінгера, але експериментальна хвильова теорія додає до неї "напрямне рівняння", яке безпосередньо впливає на рух частинок.

Вважається, що частинки мають реальні траєкторії, які існують незалежно від їхнього вимірювання; характерні квантові ефекти, як-от інтерференція, є результатом проходження електронів або фотонів під час експерименту.

Пропонована інтерпретація відтворює більшу частину поведінки квантового світу, зберігаючи принцип реалізму. Імовірність повертається на своє традиційне місце опису наших неповних знань, перестає бути внутрішньою частиною природи.

Одним з основних заперечень проти теорії пілотних хвиль є те, що траєкторії, які вона надає для частинок, є складними або навіть химерними; інше заперечення полягає в тому, що вона пов'язана з крайньою нелокальністю, описуючи рух частинок залежно від стану інших частинок.

Однак багато фізиків вважають цю теорію найперспективнішою альтернативою Копенгагенській інтерпретації та продовжують предметні дослідження в цій галузі. Інтригуючою особливістю теорії пілотної хвилі є можливість спостереження аналогів деякої своєрідної мікроскопічної поведінки, що пророкує відповідні ефекти на рівні макрокосму. Але тоді виникає вимога "уповільнення" хвильового потоку, що в реальності не спостерігається.

Метафори для метафізичної незручності

Ейнштейн, крім своїх відкриттів, відомий ще двома хорошими якостями: чудовим почуттям гумору і глибоким розумінням фізичної природи навколишнього світу. Нам він заповів кілька мальовничих фраз, які чи то викликають дискомфорт, чи то сповнюють нас метафізичною незручністю: "лякаюча дія на відстані" і "бог не грає в кістки зі всесвітом".

У всякому разі, фізика - чи не єдина з пулу так званих "точних" наук, які постійно розвиваються. Навіть невизнані ідеї залишаються в рамках дозволеного в рамках ймовірної академічної докси, хоча пошук наукової альтернативи часто стикається з бюрократичними труднощами, більше пов'язаними з особливостями функціонування університетів, аніж з охоронними інтересами "наукової" спільноти.

Навіть "альтернативники" здатні отримати статус фізика-теоретика, кафедру, лабораторію і фінансування. Інша справа - отримати наукове визнання. Але ж і на першу лекцію Ейнштейна прийшло тільки три людини, з яких двоє були його лаборантами. Третім був сам Ейнштейн.