Меню

Эйнштейн и поиск альтернативы квантовой механике

В 1915 году Альберт Эйнштейн, помогая своим друзьям, разработал теорию гравитации, которая фактически отменила основу «прежней» физической реальности. Немыслимо для того времени: пространство, в котором мы живем, лишь частично описывается евклидовой геометрией. Упразднились и принципы, заложенные механикой Ньютона, а вместе с ними и стигматы классической, «немецкой» логики, сформированные Эммануилом Кантом. И все потому, что мир вышел за пределы земного бытия, за пределы мира как «земной» конструкции. Гравитация перестала быть сугубо «земной» сущностью, видимой только с помощью математических приемов, предложенных древними греками.

Известный физик Вернер Гейзенберг позже указал на последствия философских ошибок Канта. Великий кёнигсбергский мыслитель полагал, что наше понимание древней геометрии предопределяет существование всеобщей физической реальности. Поэтому описание природы невозможно за пределами трехмерного пространства. Но в 1915 году философское здание науки покрылось широчайшими трещинами. Больше того, нужно было заново возводить стены и перестраивать фундамент, удерживающий только объекты осязаемого мира. Оказалось, что старая физика описывает только объекты среднего порядка, тогда как микромир был выброшен за пределы научного познания. Несмотря на радикальный разрыв с устаревшими идеями о природе пространства и времени, Эйнштейн все же сосредоточился на переосмыслении ньютоновской теории как на части «начальной физики».

Эйнштейн alter science

Таким образом он обеспечил методологический переход от «классики» к квантовой физике. Но что послужило точкой отсчета для научной революции, открывшей путь для создания общей теории относительности? Что спровоцировало сейсмический сдвиг осознания вероятности существования искривлённого пространства и времени? Для начала мы должны уяснить существенную странность квантовой механики. Почему с тех пор, как квантовый мир появился на академической сцене, физики пытаются найти альтернативу, которая позволяет микшировать классическое ядро и квантовую механику? Или мы еще не отказались от классического понимания реальности, от которого убежал Эйнштейн еще 100 лет назад?

Все, что вы знаете, ошибочно

Наше представление о реальности создается еще с младенческого возраста, когда мы начинаем контактировать с окружающим миром. Формулировка представления о вещи возникает тогда, когда причина и следствие связываются в одно целое, а рассматриваемые явления выстраиваются в физически осязаемую последовательность. Мир кажется вполне предсказуемым. С возрастом окружающая реальность усложняется. Понимание предела контроля ограничивает наше знание в пользу признания неопределенностей в отношениях причина – следствия, которые, в свою очередь, способны меняться местами. Мы в состоянии даже выстраивать статистические модели, но это не решает проблему выражения предельности нашего знания. Математическая форма – это лишь инструмент, который демонстрирует статичность, динамичность и вероятность одного и того же события. Все зависит от принятого начального события, от заданной нами самими точки отсчета.

Мы только предполагаем, какова природа события и вычисляем его природу. Находя монету на улице, мы с точностью можем ее описать ее как статичное явление, то есть то, что присутствует «здесь и сейчас», но мы ничего не знаем, как она попала на это место, мы не знаем ее прошлое, ее «жизненный путь» - в пространстве и во времени. Соответственно, предполагая, мы выстраиваем вероятности, но не предоставляем гарантию, что та или иная вероятность является реальностью.

Или, наоборот, описывая реальность, уверенно заявить, что она невариативна, неизменна по своей физической природе. Этот «реалистический» взгляд на мир не пережил натиска данных, полученных при экспериментировании с фотонами и другими субатомными частицами. Поначалу создавалось впечатление, что физики, в припадке упрямой порочности, решили построить теорию, которая противоречит адекватным представлениям о реальности. Однако, невзирая на результаты экспериментов, они упорно использовали классический инструментарий для своих теоретических выкладок. По сути, изобретение квантового формализма - это акт отчаяния, спровоцированный отсутствием experience понятийного и методологического аппаратов.

Понятно, что если б этого не произошло, то развитие квантовой механики ограничилось бы лучевыми болезнями супругов Кюри, о наличии которых в начале 20 века только догадывались. Невидимую странность окружающего мира можно очертить и в домашних условиях. Для этого понадобятся фонарик или лазерная указка, а также дешевые поляризационные фильтры (сойдут и линзы солнцезащитных очков). Установите подряд два фильтра на некоторое расстояние друг от друга. Пропустите свет через пару и поворачиваете ее до тех пор, пока не пройдет свет таким образом, чтобы оси их поляризации пересекались под прямым углом. После чего вставьте третий фильтр между двумя первыми. Вы убедитесь, что добавление дополнительного фильтра позволяет пропускать свет. Этот пример часто используется на лекциях по введению в курс квантовой механики - парадоксальное поведение частиц возникает как тривиальное следствие фотонных потоков.

квантовый поток alter science

Ученые в первые десятилетия прошлого века столкнулись с экспериментальными данными, гораздо более поразительными и необъяснимыми, чем приведенный выше опыт. Выполняете ли вы эксперимент с электронами или фотонами, результат одинаков: на выходе получается интерференционная картина, как будто две волны выходят из двух разрезов и мешают друг другу. Это означает, что свет имеет волновую природу и даже частицы с массой, такие как электроны, ведут себя как волны в «естественных» для себя условиях. Но эксперимент подкрепляется двумя любопытными эффектами. Во-первых, если замедляется скорость излучения частиц (фотонов, электронов), результат не меняется. Это должно означать, так или иначе, что частица распадается на две части, проходит через оба фильтра и ретрансформируется в саму себя! Во-вторых, если вносятся какие-либо изменения в устройство для записи той «щели», через которую проходит частица, интерференционная картина исчезает и свет ведет себя так, если бы наблюдались просто частицы без волнообразных характеристик.

То есть частицы двойственны: это волна и не-волна в «классическом» понимании. Все зависит от того, как экспериментатор на них «посмотрит». Позже стало еще страннее. Технология продвинулась до такой степени, что сегодня мы можем решать, какие измерения следует предпринять после того, как частица начала свое путешествие. И результаты этих экспериментов с задержкой выбора всегда одинаковы. Но если мы посмотрим, в каком направлении двигается частица, то впечатление внешнего вмешательства разрушается. Если изменится физическая природа нашего зрения, то изменится и знакомая интерференционная картина. Тем не менее, мы продолжаем задавать себе вопрос: когда частица должна «решиться» действовать как частица, а когда - как волна? Экспериментирование с замедленным выбором привело к предположению, что информация о том, как ведет себя частица, передается обратно во времени с момента «пересечения» оборудования. Это объясняет результаты экспериментов на микроуровне и формализует некоторый набор понятий (например, причинности). В последнее время даже было найдено объяснение термина «назад во времени», когда прохождение частиц было растянуто до предела,- использовались медленные холодные атомы гелия.

Атомы двигались только под действием силы тяжести, поэтому между их движением и выбором того, когда их наблюдать, происходило достаточно много времени. Получается совершенно иной процесс - субатомные процессы связаны с ограниченной формой обратного путешествия во времени. Иначе говоря, результаты этих экспериментов просто не могут быть описаны с использованием традиционных концепций, основанных на повседневной реальности: объекты существуют с определенным набором свойств; однако если не измерять определенное свойство, то это свойство все равно имеет особое значение. Конечно, физики практиковались при решении проблемы неопределенности задолго до квантовой революции, но это неопределенность совсем другого рода. Тогда (хотя и сейчас, по большому счету, тоже) речь шла о неопределенности в знаниях, которая предполагала неизвестный, но реальный уровень детерминистской реальности ниже уровня научного восприятия. Если мы выбросим идеи, фундаментальные для нашего понимания мира, что чем их заменить? Дело не только в том, что они являются интуитивной частью повседневного опыта. Они служат основой для других областей науки.

Помимо нашей способности видеть

В девятнадцатом веке микроскопический детерминизм привел к первому большому успеху вероятностных рассуждений в физике: кинетической теории газов. Эта теория основана на старой идее, что материя состоит из огромного количества простых атомов, отскакивающих друг от друга, как субмикроскопические шары для пинг-понга. На основе некоторых предположений, подкрепленных высшей математикой, приверженцы кинетической теории вывели известные законы термодинамики как средние значения поведения идеализированных атомов. Кинетическая теория показала, что вещи, которые мы наблюдаем, могут возникать на основе процессов, которые были недоступными более раннему представлению о физической природе мира.

броуновское движение alter science

Тем не менее, именно такие усреднения выводились в соответствии с известными детерминистскими законами классической механики - иначе механика Ньютона оказалась бы «нерентабельной». Даже в начале XX века многие ученые не верили в реальность атомов. Переломный момент произошел после статьи Эйнштейна 1905 года, посвященной броуновскому движению. На основе статистики тогда еще молодой ученый показал, что неустойчивое движение зерен пыльцы, взвешенных в воде, можно объяснить бомбардировкой невидимым потоком частиц. Эйнштейн, в конце концов, получил Нобелевскую премию ни за эту статью, ни за другое исследование 1905 года, которое впоследствии привело к созданию теории относительности и формулы E = mc2. Речь идет еще об одной публикации - о фотоэлектрическом эффекте. Именно эта публикация запустила процесс, который разрушил нашу классическую реальности. Эйнштейн завел разговор о целом ряде экспериментальных данных, по-новому описывающих взаимодействие света и вещества.

Теперь мы знаем, что свет поглощается и выделяется из материи в дискретных количествах энергии, называемых квантами. Эта статья знаменует собой рождение квантовой физики, и это дитя Эйнштейна быстро разрушило то, что поначалу пытался сохранить родитель. В последующие два десятилетия произошел взрыв экспериментальных исследований на новой арене атомной физики и химии. Вне атома был обнаружен электрон. Затем появился ряд неполных теоретических моделей, математических формализмов для описания микромира.

Вещи в конечном итоге начали объединяться, и физики, наконец, научились предсказывать экспериментальные результаты. Однако вскоре потребовалась незнакомая, абстрактная математическая структура, набор правил для взаимопривязки результатов экспериментальных данных – так возникла теория квантовой механики. К третьему десятилетию двадцатого века почти все ученые согласились с реальностью атомов и даже меньших частиц. Но они представляли их как невидимые крошечные версии знакомых предметов: планеты, бильярдные шары и песчинки использовались для сравнения даже в «серьезных» работах по физике.

Большинство ученых предполагали, что это была другая версия чего-то вроде кинетической теории газов. Большинство людей сегодня, вероятно, также думают: атомы и другие составляющие микромира могут иметь экзотические свойства и следовать странным математическим правилам, но они участвуют в «традиционной» физической реальности. Но квантовая реальность совершенно иная. Одной из ключевых фигур в развитии квантовой теории стал датчанин Нильс Бор (включая значительный вклад Макса Борна и Вернера Гейзенберга). Бор был философом-физиком, который раздражал своих коллег, выступая с долгими, запутанными, иногда «темными» - даже на фоне Демокрита - лекциями. Хотя датчанин, несомненно, знал теорию и славился решением ранних головоломок при изучении атомов, он часто предпочитал краткому и точному объяснению неспешное манипулирование уравнениями. Бор настаивал на требовании понимания смысла всего, - и только в этом смысле напоминал древнегреческого философа.

Копенгагенская интерпретация alter science

Вместе с тем именно он представил первое концептуальное понимание квантовой механики, известное как «Копенгагенская интерпретация». Вместе с тем это по-прежнему стандартный взгляд на квантовый мир, хотя и формально определенный. Для нас это, скорее, набор общепринятых эмпирических правил, связывающих элементы теории с тем, что наблюдаетсяя в лаборатории. Они могут быть сформулированы различными способами, но методологически соответствовать принятым принципам. Вот одна версия, которая отражает текущее понимание ее основных аспектов квантовой механики: Состояние (положение, импульс и т. д.) Системы полностью определяется ее «волновой функцией», математической объективизацией, которая эволюционирует, согласно уравнениям квантовой механики. Волновая функция не наблюдается непосредственно; одновременно существует вероятность того, что при исходном измерении обнаружится система в определенном состоянии.

Такие «системы» являются элементарными частицами - электронами и протонами, атомами или даже молекулами. При измерении волновая функция «сворачиваются» к зафиксированному значению. Но реальность не возникает из расчета вероятностей. Не существует основного детерминированного слоя; нет скрытого оборудования, которое регистрирует измерения до проведения измерения. Эти вероятности не отражают наши знания, как в классической статистической физике, потому что ничего нет. Есть только вероятность. Существуют фундаментальные пределы experience, описываемые отношениями неопределенности: некоторые пары величин измерятются одновременно только с определенной точностью (положение / импульс или энергия / время). Ничего общего с технологией или экспериментальной техникой; предел физической реальности неизбежен.

Копенгагенская интерпретация аккуратно расправляется со всей путаницей экспериментов с замедленным выбором, описанным выше. Нет необходимости ссылаться на таинственные сигналы, идущие в «обратном» времени, а тем более искать теоретический повод для сохранения наших представлений о реальности. Нам просто нужно отказаться от этих консервативных идей и признать, что физические свойства не существуют независимо от их измерения. Вещи становятся реальными только при измерении, само измерение вытекает из теоретического определения в «доизмеряемый» период, а квантовая механика приводит нас только к вероятностям разных реальностей.

Побег невозможен?

Квантовая механика, наряду с Копенгагенской интерпретацией имели метафизические последствия. Первичность вероятности и отказ от детерминированной причинности заставили Эйнштейна даже пожаловаться на то, что Бог «не играет в кости со Вселенной». Почему же тогда физики не отказываются от причинности? Почему мы не можем сказать, что могут быть детерминированные «скрытые переменные», которые порождают вероятности квантового мира? Самым сильным сдерживающим фактором является теорема Белла. Эта теорема показывает, что если существует слой скрытых переменных, которые мы не можем измерить, то результаты некоторых экспериментов должны проявляться определенным образом. К настоящему времени из чрезвычайно точных экспериментов собрано множество доказательств того, что измерения не выходят за рамки рассчитанной «определенности».

Логика же требует, чтобы в микромире не существовало неизвестного детерминированного слоя. Теорема Белла позволяет при одном условии сосуществовать экспериментальным результатам и детерминированным скрытым переменным: влияние переменных должно проходить быстрее света. Это влияние не может быть классической передачей информации, поскольку исключается специальной теории относительности. Как указывал Эйнштейн, передача информации быстрее света приведет к еще большим казусам относительно наших представлений о причинах и следствиях. Иначе говоря, это означает, что эффекты предшествуют причинам, даже в макромире. Другой момент заключается в том, чтобы позволить скрытым переменным оказывать квантово-механическое воздействие, распространяемое мгновенно, но без информации в классическом смысле. Такие предположения были высмеяны Эйнштейном как «пугающее действие на расстоянии», но они объясняют результаты измерений на запутанных частицах. Здесь измерение состояния частицы можно предсказать, в том числе, каким будет результат измерения другой частицы, находящейся сколь угодно далеко. Теории, которые уклоняются от теоремы Белла и позволяют скрытым переменным оказывать мгновенное влияние на расстоянии, называются «нелокальными скрытыми теориями переменных». Хотя это всего лишь один из способов сделать квантовую механику более удобной для нашего сознания.

Свобода, по цене

Неудивительно, что физики искали выход с самых ранних дней квантовой механики. Но как может есть что-то еще, если теорема Белла не оставляет нам выхода? За любой теоремой всегда существуют предположения, как выявленные, так и неустановленные. Доказательство Белла использует довольно простую математику и, кажется, не принимает ничего, что мы все еще не воспринимаем как истину. Но отчаянные проблемы внушают отчаянные меры. Квантовые теоретики искали альтернативы Копенгагенской интерпретации, изучая некоторые из тех неустановленных допущений - вещи, которые для большинства из нас не могут быть неверными.

Квантовая логика

Интерпретации квантовой механики, которые сами изменяют логику, пытаются заменить нечто, называемое квантовой логикой. Джон Нейман, операционализируя современное понимание поля, предложил определенные физические нарративы и заодно прописал раннюю математическую формализацию квантовой теории. В соответствии с его моделью, математическая структура квантовой теории основана на логике, отличной от аристотелевской, характерной для классической физики. Исследования в области квантовой механики продолжаются, но до сих пор остаются экзотическим направлением; до сих пор не создана полностью функционирующая альтернатива Копенгагенской интерпретации, хотя возникает вопрос научной целесообразности таких поисков. Существуют несколько простых примеров того, когда знакомые правила логики неудобны для квантового мира и на основе чего прослеживается альтернатива. Прежде всего, речь идет об идее суперпозиции состояний.

В квантовом мире наши нормальные представления о реальности заменяются волновой функцией, которая предоставляет вероятности нахождения системы в разных состояниях. Если система может находиться только в одном из двух состояний, то до тех пор, пока не будет выполнено фактическое измерение, она остается в состоянии, отвечающем требованию этих двух вероятностей: так возникает суперпозиция. Популярный пример - мысленный эксперимент с «кошкой Шредингера», которая, как говорят, одновременно мертва и жива, пока не откроется ящик, в котором помещена. Такая гипотеза драматически конфликтует с классической механикой и с нашими обычными представлениями о реальности, требующей, чтобы система действительно находилась только в одном из двух возможных состояний. При этом акт измерения показывает только то, что зафиксировано на момент даже не эксперимента, а процедуры записи, впоследствии определяемой как результат эксперимента.

Одним из возможных способов определения суперпозиции является применение различных правил логики. Знакомая картина: если предложение p (скажем, утверждение «электрон находится в состоянии спин-вверх») ложно, а предложение q («электрон находится в состоянии спин-вниз») ложно , то пропозиция p ∨ q (где ∨ означает «или») также должна быть ложной. И так происходит со всеми классическими измерениями. В квантовой механике p не может быть истиной, если она не была измерена. Следует ли считать это «ложным суждением» в классическом смысле или чем-то еще, - другой вопрос. Аналогично, q также не может быть правдой.

Однако комбинация p ∨ q может быть верной, потому что это определение суперпозиции, в которой находится электрон, прежде чем мы его измеряем. Таким образом, квантовая логика позволяет p ∨ q быть истинным суждением в том случае, когда и p, и q не соответствуют истине. Может показаться странным намерения изменить правила логики. Но таким образом можно подтолкнуть странность квантовой механики на уровень тех логических стандартов, которые мы используем для выводов.

Стохастическая механика

Подобная интерпретация квантовой механики оставляет в покое традиционную логику, но добавляет новый физический процесс. Начала современного направления стохастической механики положили с работы Эдварда Нельсона 1966 года, где он пишет: «Мы попытаемся показать в этой статье, что радикальный отход от классической физики, создавшей квантовую механику 40 лет назад, не нужен». Основной результат статьи впечатляет: автор выводит уравнение Шредингера, центральное уравнение квантовой механики, предполагая, что частицы подвержены быстро меняющейся случайной силе. Поэтому микроскопические частицы, такие как электроны, описывают как нечто похожее на броуновское движение. Нельсон, как ранее Эйнштейн, использует много данных статистической физики для своих выводов.

Начиная с работы Нельсона, возникает объяснение квантования момента («спин») и квантовой статистики. Однако стохастическая механика все еще далека от замены Копенгагенской интерпретации или обычной квантовой механики. Она включает то, что кажется нефизическим мгновенным действием на расстоянии и дает неверные прогнозы для определенных типов измерений. Нельсон задает истинно квантовый вопрос: «Как теория может быть настолько правильной, но все же неправильной?»

Теория пилотной волны

Эта версия квантовой механики восходит к началу понимания квантового поля. Если первая часть квантовой головоломки была введена Эйнштейном в 1905 году, когда он объяснил, как поглощается свет и одновременно как он выделяется из материи, то вторая часть была предоставлена Луи де Бройлем в 1924 году. Де Бройль утверждал, что, хотя световые волны могут вести себя как частицы, однако частицы, такие как электроны, могут вести себя как волны. В следующем году де Бройль описал свою модель экспериментально: волны рассматривались как реальные физические объекты, элементарные частицы. Это была, в некотором смысле, оригинальная интерпретация квантовой механики, но вскоре ее поглотила Копенгагенская интерпретация. Идеи Де Бройля были заново открыты в 1950-х годах Дэвидом Бомом, который развил их дальше. В его формулировке волновая функция по-прежнему регулируется уравнением Шредингера, но экспериментальная волновая теория добавляет к ней «направляющее уравнение», которое непосредственно влияет на движение частиц. Считается, что частицы имеют реальные траектории, существующие независимо от их измерения; характерные квантовые эффекты, такие как интерференция, являются результатом прохождения электронов или фотонов при эксперименте.

Предлагаемая интерпретация воспроизводит большую часть поведения квантового мира, сохраняя принцип реализма. Вероятность возвращается на свое традиционное место описания наших неполных знаний, перестает быть внутренней часть природы. Одним из основных возражений против теории пилотных волн является то, что траектории, которые она предоставляет для частиц, являются сложными или даже причудливыми; другое возражение состоит в том, что она связана с крайней нелокальностью, описывая движение частиц в зависимости от состояния других частиц. Однако многие физики считают эту теорию наиболее перспективной альтернативой Копенгагенской интерпретации и продолжают предметные исследования в этой области. Интригующей особенностью теории пилотной волны является возможность наблюдения аналогов некоторого своеобразного микроскопического поведения, которое предсказывает соответствующие эффекты на уровне макрокосма. Но тогда возникает требование «замедления» волнового потока, что в реальности не наблюдается.

Метафоры для метафизической неловкости

Эйнштейн, кроме своих открытий, известен еще двумя хорошими качествами: отличным чувством юмора и глубоким пониманием физической природы окружающего мира. Нам он завещал пару живописных фраз, которые то ли вызывают дискомфорт, то ли наполняют нас метафизической неловкостью: «пугающее действие на расстоянии» и «бог не играет в кости со вселенной». Во всяком случае, физика – чуть ли не единственная из пула так называемых «точных» наук, которые постоянно развиваются. Больше того, даже непризнанные идеи остаются в рамках дозволенного в рамках вероятной академической доксы, хотя поиск научной альтернативы зачастую сталкивается с бюрократическими трудностями, больше связанных с особенностями функционирования университетов, чем с охранительными интересами «ученого» сообщества. Во всяком случае, даже альтернативщики способны получить статус физика-теоретика, кафедру, лабораторию и финансирование. Другое дело – получитьнаучное признание. Но ведь и на первую лекцию Эйнштейна пришло только три человека, из которых двое были его лаборантами. Третьим был сам Эйнштейн.
Добавил:Всеволод Гордиенко Дата:2017-10-22 Раздел:Физика