Завтрак с Эйнштейном. Экзотическая физика повседневных предметов - Чад Орцель

квантового эксперимента не считается каким-то техническим сбоем, это неотъемлемое свойство. В квантовой теории, сформулированной Гейзенбергом и Шрёдингером и интерпретированной Бором и Борном вместе с Паули, просто не имеет смысла говорить о специфических свойствах отдельных частиц. Принцип неопределенности Гейзенберга (глава 7) не описывает техническую проблему тем же способом, как мы измеряем положение и момент; он отражает тот факт, что просто невозможно получить точно определенное положение и момент для частицы, которая также имеет волновую природу[265].

Более молодое поколение физиков, Паули, Гейзенберг и их когорта, в основном склонны были принять это как плату за возможность заниматься делом и наслаждались возможностями новой теории точно предсказывать результаты экспериментов, что сбивало с толку физиков. Однако физики постарше были серьезно обеспокоены этим вероятностным характером квантовой физики и взамен искали теорию, которая была бы более детерминистской[266]. Это группа включала некоторых физиков, которые, в первую очередь, способствовали развитию квантовой механики, наиболее известные из них – Эйнштейн и Шрёдингер.

Именно в таком контексте появился мысленный эксперимент Шрёдингера с печально известным котом: он высветил то, что ученый видел как проблему для квантовой теории касательно этой фундаментальной неопределенности. Этот вопрос не отпугнул от дальнейшего развития квантовой механики, и появившиеся в результате аргументы помогли создать новое и продуктивное направление исследований. Возражения Эйнштейна в форме другого мысленного эксперимента, как оказалось, были еще более плодотворны.

Квантовая физика и закон заголовков Беттериджа[267]

В поздние 1920-е годы Эйнштейн провел знаменитую серию споров с Нильсом Бором об интерпретации квантовой физики в ходе Сольвейских конференций в 1927-м и 1930-м годах. Первоначальные споры сфокусировались на принципе неопределенности, который Эйнштейн первоначально отвергал, поскольку это шло вразрез с интуитивным пониманием классической физики. В то время как Эйнштейн постепенно смирился с идеей принципа неопределенности и перешел к более глубоким возражениям, Бор продолжал интерпретировать свои аргументы в том же свете. Большинство их знаменитых доводов – в действительности разговор двух блестящих физиков друг с другом.

Окончательный и наиболее значительный вклад Эйнштейна во все еще продолжающийся спор об основах квантовой механики был сделан в статье, написанной с его более молодыми коллегами Борисом Подольским и Натаном Розеном в 1925 году. Статья «ЭПР[268]» застала врасплох Бора и многих других физиков, кто привык относиться к аргументации Эйнштейна, основанной на вопросах о неопределенности, поскольку она более четко объясняла его главное возражение и указывала на более глубокую проблему с квантовой теорией[269].

Статья называлась «Может ли квантово-механическое описание физической реальности считаться полным?». Есть старая шутка среди журналистов – «Закон заголовков Беттериджа», согласно ему на любую статью, заголовок которой содержит знак вопроса, можно ответить одним словом «нет». Статья «ЭПР» – не исключение: Эйнштейн и его коллеги рассматривали необычную физическую систему, чтобы доказать: квантовая теория в том виде, как она развивалась и интерпретировалась Бором и его коллегами в Копенгагене, не может охватить всю физическую реальность. Так было формально введено понятие «запутанности» в физику[270], и эта концепция с тех пор все время тревожила физиков.

Оригинальная аргументация ЭПР включает положение и момент двух частиц, но доводы более ясные, если их применить к системе с двумя состояниями, подобными спину у электрона. Как мы видели в эксперименте Штерна-Герлаха (глава б), можно использовать магнитное поле, чтобы разделить пучок электронов на две группы: одну – со спином «вверх» (вдоль магнитного поля) и другую – со спином, указывающим «вниз» (противоположно направлено к полю).

Однако ориентация магнита Штерна-Герлаха – это вопрос договоренности: «верх» и «низ» не считаются хорошо определенными направлениями в пространстве, и вы можете прекрасно положить аппарат набок и получить тот же основной результат: половина электронов будет с «левыми спинами», а половина – с «правыми спинами». Если вы начнете со случайным набором электронов и случайно выбранным направлением магнитного поля, вы всегда получите две группы. Если вы выберете одну из групп и повторите измерения, пропустив их через то же самое магнитное поле второй раз, результат останется точно таким же: все электроны со спинами вверх останутся спинами вверх (или спинами влево – останутся спинами влево), и наоборот.

Естественным образом можно продолжить этот эксперимент, взяв одну из двух групп, разделенных магнитом Штерна-Герлаха, скажем, со спинами вверх, и пропустить через второй магнит с другой ориентацией, скажем, лево-право. Когда вы это сделаете, то снова получите две группы, например, половина электронов со спинами вверх окажутся спинами влево, и половина – спинами вправо. То же самое верно, если вы сначала пропустите через магнит, разделяющий лево и право, а потом верх-низ, или любая комбинация двух магнитов, где второй повернут на 90 градусов.

Пока все шло хорошо, но, когда вы добавляете третий магнит, все становится странным. Здравый смысл говорит вам, что, если вы возьмете группу электронов, которая имела спины вверх в первом магните и спины влево во втором, проходя через второй магнит, разделяющий верх и низ, должны все попасть в группу со спинами вверх. В конце концов, они уже прошли измерения и стали электронами со спинами вверх.

Однако ничего похожего не происходит. Электроны, которые были сначала спинами вверх, потом спинами влево, разделятся на две одинаковые группы: половина со спинами вверх и половина со спинами вниз. Каким-то образом процесс измерения этих электронов как лево-спинных стер первоначальный результат со спинами вверх, вернув вас к случайному результату при измерениях «верх-низ»[271].

В математическом описании спина, разработанном Паули, причина этого проста: измерения верх-низ и лево-право спина электрона дополняют друг друга тем же образом, что и измерения положения и момента импульса. Они подчиняются взаимосвязи, подобной принципу неопределенности, и попросту нет смысла говорить о состояниях верх-низ или право-лево для спина электрона, как о точно определенных значениях в тот же момент времени.

Статья ЭПР, однако, использует систему с двумя частицами для аргументации того, что эта квантовая неопределенность не может быть полным описанием реальности. Они представляют состояние двух частиц, чьи индивидуальные состояния неопределенны, но их комбинированное (объединенное) состояние имеет конкретное значение. В рамках системы со спинами это будет означать: мы можем знать, что у двух частиц противоположно направлены спины – один вверх, один вниз, или один налево и другой направо – но не знаем при этом, у какого какой. (Это несложно организовать: вы можете получить такое состояние, например, из реакции, которая разбивает двухатомную молекулу на два атома.) Затем они представили, что эти частицы разделяются на достаточное расстояние перед измерением их индивидуальных свойств.

Эта