(Продолжение. Начало в №7)

I. Предыстория

В 1982 году были практически развеяны последние сомнения в том, что...

4. "Квантовая физика нелокальна". Эксперименты группы Аспека по существу поставили точку в длившейся почти полвека дискуссии о полноте квантовой теории, квантовом реализме и локальности квантовой механики, начало которой было положено знаменитой дискуссией Нильса Бора и Альберта Эйнштейна в 30-е годы ХХ века.

Бор, Гейзенберг, Шрёдингер и их сторонники считали, что квантовая механика полна и непротиворечива, что сама природа на микроуровне ведет себя существенно вероятностным образом и что результаты конкретных измерений зависимы от реализуемой экспериментальной ситуации. Эйнштейн же был уверен, что "Бог не играет в кости", что квантовая механика не полна, что вероятностный характер квантовой механики есть следствие этой неполноты и что в ней нарушается принцип локальности (наличие "призрачного" дальнодействия). В 1935 г. А.Эйнштейн, Б.Подольский и Н.Розен опубликовали работу (Einstein A., Podolsky B., Rosen N. Can quantum-mechanical description of physical reality be considered complete? // Physical Review. 1935. Vol. 47. No. 10. P. 777-780¹), в которой описали мысленный эксперимент, который, по их мысли, явным образом нарушал локальную причинность, так как, якобы, приводил к "призрачному действию на расстоянии" ("Spooky action at a distance").

Но в том же 1935 году появляется и классическая статья Эрвина Шрёдингера "О современном положении дел в квантовой механике" (Naturwissenschaften. 1935. Vol. 23, No. 48. P. 807-812; No. 49. P. 823-28; No. 50. P. 844-849)². В этой работе Шрёдингер обстоятельно рассмотрел основные свойства квантовых систем, в частности, совершенно загадочное свойство запутанности квантовых состояний, не имеющее вообще никаких классических аналогов. Он же ввел в обиход и соответствующий термин - "запутанность" (нем. Verschrдnkung, англ. entanglement).

Это свойство заключается в том, что полное знание о состоянии квантовой системы не предполагает полного знания о состояниях ее частей. В частности, измеряя состояние одной части системы, можно получать знание о состоянии другой ее части, даже если обе части удалены одна от другой на произвольное состояние. Так, если квантовая система состоит из двух частиц с противоположными значениями спина (например, +1/2 и -1/2), то полный спин системы равен нулю, и если мы произведем измерение спинового состояния одной из частиц, то независимо от того, каков будет результат измерения (+1/2 или -1/2), спин другой частицы будет прямо противоположным. Дело выглядит так, будто удаленная частица некоторым образом "узнает" о результатах измерения состояния первой частицы. Это-то противоречащее "здравому смыслу" и постулатам специальной теории относительности положение дел Эйнштейн и назвал "призрачным действием на расстоянии".

Возникла дилемма:

1. Либо квантовая механика нелокальна и результат измерений над одной частью системы оказывает влияние на результат измерений над другой, произвольно далеко удаленной от первой, частью системы.
2. Либо квантовая механика неполна, какая-то часть физической реальности ею не описывается и требуется введение некоторых дополнительных ("скрытых") переменных для восстановления полноты описания, спасения реализма и локальности физики.

Вторая возможность нашла довольно много приверженцев (А. Эйнштейн, Л. де Бройль и др.), среди которых известность и даже определенную популярность получила теория ученика Эйнштейна Дэвида Бома (о нем см. "КВ" №43'2002), который переформулировал ЭПР-парадокс так, чтобы его можно было проверить экспериментально, и создал свою версию квантовой теории со "скрытыми переменными" (1952 год), которая затем трансформировалась в метафизику "целостности".

Предложенная Бомом причинная интерпретация квантовой механики имела далеко идущие последствия не только для дальнейшего развития его собственных взглядов, но и на развитие квантовой физики, в целом. Причина в том, что, в отличие от множества других интерпретаций квантовой механики (например, волновой механики Шрёдингера или матричной механики Гейзенберга-Борна), просто надстраивающихся над существующим формализмом теории, теория Бома предполагала не только иной взгляд на саму квантовую реальность, но и иной способ ее описания, а, стало быть, и детектируемые экспериментальные следствия, отличные от предсказываемых обычной квантовой механикой. Необходим был "решающий эксперимент".

Решающим этапом на пути такой проверки стала теория Джона Белла 1964 г. (Bell J. S. On the Einstein Podolsky Rosen paradox // Physics. 1964. Vol. 1. No. 3. P. 195-200³), в которой предполагалось, что "объективная локальная теория" (альтернатива квантовой механики) должна основываться на нескольких очевидных предположениях: во-первых, что объекты теории ведут себя детерминистично в том смысле, что определенным их состояниям соответствуют вполне определенные измеримые свойства, существующие объективно и независящие от процедуры измерения, и, во-вторых, что измерения, выполненные для одной системы, не влияют на поведение другой удаленной системы, т.е. что локальные действия могут вызывать только локальные эффекты в соответствии со специальной теорией относительности, запрещающей передачу сигналов со скоростью, большей скорости света. Критерий выбора между конкурирующими теориями Белл сформулировал в виде особого рода неравенств ("неравенств Белла"), которые должны нарушаться в случае справедливости стандартной квантовой механики.

В последующие десятилетия были выполнены тонкие эксперименты (С. Фридманом и Клаузером, 1972 г.; Э. Фрайем и Р. Томпсоном, 1975 г., А. Аспека Ж. Далибара и Ж. Роже, 1982 г., группы А. Цайлингера, 2000 г., и другими), которые показали, что из двух конкурирующих версий квантовой механики - "копенгагенской" и "бомовской механики" (или теории де Бройля - Бома) - экспериментами подтверждается именно "копенгагенская". Лишь позднее было понято, что теорема Белла вообще не предполагала наличие "скрытых параметров". О чем действительно шла речь, это локальна квантовая физика или нелокальна. Оказалось, физика - нелокальна. А это, кроме всего прочего, означает, что возможен вариант нелокальной теории со скрытыми параметрами, дающей правильные экспериментальные предсказания. Дэвид Бом до конца своих дней (умер в 1992 г.) неустанно работал над рафинированием своей теории, но все более в философском (метафизическом) и даже в мистическом аспекте. Результатом этих усилий стала впечатляющая картина бесконечноуровневой иерархической Вселенной, где каждый "развернутый" (unfolded) или "явленный" (explicate) уровень соответствует некоторой физической вселенной, над которой надстроен некоторый "свернутый" (enfolded) или "неявленный" (implicate)⁴ , но внутренне иерархически структурированный "духовный" уровень. У Бома есть много последователей, в том числе среди физиков. Тем не менее, большинство физиков вполне спокойно обходятся без "квантовой метафизики", полагая, что "стандартной" квантовой механики более чем достаточно, так как ее уравнения прекрасно согласуются с экспериментами. Однако "тень" сознания (духа), возникшая уже в первые десятилетия развития квантовой теории, не покидает ее и по сей день. Развитие квантовой информатики сделало эту "тень", так сказать, еще "гуще"⁵.

Сам Дэвид Бом не остался в стороне от "информационного поворота" в физике и уже в 1987 году (ровно 20! лет назад) в совместной с Бэзилом Хайли статье ввел понятие "активной информации", репрезентацией которой и является квантовая волновая функция, управляющая спецификой развертывания неявленных уровней реальности (Bohm D., Hiley B. J. An ontological basis for the quantum theory. I: Non-relativistic particle systems // Physics Reports. 1987. Vol. 144. No. 6. P. 323-348).

Тем не менее, теория Бома, даже вне ее метафизического контекста, воспринимается физиками как достаточно искусственная конструкция, скорее подгоняемая для объяснения известных фактов, чем служащая новому объяснению этих фактов или предсказанию новых. Поэтому предпочтение физиков отдается "простой", элегантной, эстетичной, хотя по-прежнему и не очень понятной квантовой механике, в основном, сформулированной в 20-30-е годы прошлого столетия. Однако приходится мириться с ее странной нелокальностью.

(Продолжение следует)

Сергей САНЬКО

1 Оригинал статьи на prola.aps.org/abstract/PR/v47/i10/p777_1 или www.drchinese.com/David/EPR.pdf.

2 Английский перевод статьи можно найти на www.tuhh.de/rzt/rzt/it/QM/cat.html.

3 Оригинал статьи на quantmagic.narod.ru/Articles/Bell64.pdf.

4 См., в частности: Bohm David. Wholeness and the Implicate Order. London, Boston: Routledge & Kegan Paul, 1980. 224 pp. Сжатый, но обстоятельный обзор см.: Pratt David. David Bohm and the Implicate Order // Sunrise magazine, February/March 1993. (воспроизведен на: www.theosophy-nw.org/theosnw/science/prat-boh.htm и других сайтах). А также: Bohm David. Unfolding Meaning: A Weekend of Dialogue with David Bohm. Foundation House, 1985. 177 pp. (русский перевод на ariom.ru/zip/2001/bom-01.zip и других местах).

5 В этой связи сравните несколько "экстремистское" свидетельство Р. Нахмансона: "В 1993 г. на конференции в Олимпии я сказал Аллею: "Особенностью случайного ряда является непредсказуемость его членов. Значит ли это, что Вы подозревали способность частиц предсказывать ситуацию и хотели им помешать?" - "Пожалуй, Вы правы", - ответил он." (Нахмансон Р. С. Физическая интерпретация квантовой механики // Успехи физических наук. 2001. Т. 171. № 4. С. 441).