Дао физики

В классической физике понятие вероятности используется, когда неизвестны детали процесса или реакции. Так, играя в кости, мы могли бы предсказать результат броска, если бы имели информацию обо всех механических условиях, в которых он совершается: материал, из которого изготовлена кость, характер поверхности, на которую она падает, и т. д. Все эти показатели называются локальными переменными: они принадлежат предметам, участвующим в процессе. В субатомной физике локальные переменные представляют собой связи между пространственно удаленными друг от друга событиями, реализующиеся посредством сигналов — частиц или их последовательностей, — которые подчиняются законам пространственного удаления. Например, ни один сигнал не может быть передан быстрее скорости света. Но в 1970-е было обнаружено, что за пределами локальных связей существуют другие, нелокальные, которые устанавливаются мгновенно и не могут быть предсказаны, во всяком случае с помощью точного языка математики.

Некоторые физики рассматривают нелокальные связи как суть квантовой действительности. В квантовой теории не всегда точно указывается причина того или иного явления. Например, переход электрона с одной атомной орбиты на другую или распад субатомной частицы могут происходить спонтанно, без определенной причины. Не всегда мы способны заранее предсказать, когда и как произойдет такое событие; мы способны только оценить его вероятность. Это не значит, что атомные явления протекают произвольно; это значит только то, что они не вызваны локальными причинами. Поведение любой части целого определяется ее нелокальными связями с последним, а поскольку о них мы не имеем точного представления, приходится заменять узкие классические понятия причины и следствия более широкой концепцией статистической причинности. Законы атомной физики имеют природу статистических закономерностей, согласно которым вероятность отдельных атомных явлений определяется общей динамикой системы. В классической физике свойства и поведение целого определяются свойствами и поведением его частей, в физике квантовой всё наоборот: поведение частей определяется целым.

Вероятности используются в классической и квантовой физике практически из одинаковых соображений. В обоих случаях мы имеем дело со «скрытыми» переменными, которые нам неизвестны, и неведение мешает нам делать четкие предсказания. Но между двумя этими областями физики есть и существенная разница. Если в классической физике скрытые параметры являются локальными механизмами, то в квантовой физике они нелокальны. Это мгновенные связи со Вселенной как единым целым. В повседневной, макроскопической действительности нелокальные связи играют незначительную роль. Мы можем говорить о самостоятельных объектах и формулировать законы, описывающие их поведение в понятиях определенностей. Но при переходе в мир более малых измерений нелокальные связи становятся сильнее, определенности уступают место вероятностям, и отделить часть Вселенной от целого становится всё труднее.

Сам Эйнштейн не мог признать существование нелокальных связей и вытекающее из этого факта фундаментальное значение вероятности. Именно этой проблеме был посвящен его вошедший в историю науки спор с Бором в 1920-е, когда Эйнштейн не согласился с тем, как Бор интерпретирует квантовую теорию, при помощи знаменитого афоризма: «Бог не играет в кости»[282]. В результате Эйнштейну пришлось признать, что квантовая теория в трактовке Бора и Гейзенберга последовательна и научна, но он остался убежден в том, что рано или поздно науке удастся найти детерминистское описание всех доселе необъяснимых явлений с помощью локальных скрытых параметров.

Суть различия во взглядах Бора и Эйнштейна состояла в непоколебимой вере последнего во внешнюю реальность, состоящую из независимых, пространственно удаленных друг от друга элементов. Пытаясь доказать непоследовательность интерпретации Бором квантовой теории, Эйнштейн поставил мысленный эксперимент, который получил известность под названием эксперимента Эйнштейна — Подольского — Розена (ЭПР)[283]. 30 лет спустя Джон Белл[284] построил теорему, опирающуюся на этот эксперимент, которая доказывает, что существование локальных скрытых параметров не согласуется с вероятностными предсказаниями квантовой теории[285]. Теорема Белла нанесла сокрушительное поражение Эйнштейну, доказав, что понимание реальности как структуры, которая состоит из отдельных частей, соединенных локальными связями, несовместимо с идеями квантовой теории.