Идеи с границы познания. Эйнштейн, Гёдель и философия науки

Теперь разделим коробку на две половинки там, где проходит перегородка. Левую половинку коробки мы отправим самолетом в Париж, а правую – в Токио. Когда коробки прибудут в места назначения, физик в Токио проделает эксперимент и посмотрит, находится ли электрон в правой половине коробки. Квантовая механика гласит, что результат этого эксперимента подлинно случаен – это как бросить монетку. Поскольку волновая функция поделена надвое между двумя половинками коробки, шансы, что токийский физик обнаружит присутствие электрона, – пятьдесят на пятьдесят.

Так вот, предположим, он обнаружит электрон. В этот момент волновая функция коллапсирует. Акт обнаружения электрона в токийской коробке приведет к тому, что часть волновой функции, связанная с парижской коробкой, мгновенно исчезнет. То есть парижская коробка словно бы телепатически знает результат токийского эксперимента (вроде бы случайный) и ведет себя соответственно. Если теперь парижский физик заглянет в левую половинку коробки, то точно не найдет электрона. (Разумеется, «коллапс» мог произойти и наоборот, и тогда парижский физик нашел бы электрон.)

Так все должно было бы происходить согласно ортодоксальной квантовой механике в том виде, в каком ее разрабатывали Бор, Гейзенберг и другие основатели теории. Это называется «Копенгагенская интерпретация квантовой механики», поскольку Бор руководил физическим факультетом Копенгагенского университета. Согласно Копенгагенской интерпретации, сам акт наблюдения заставляет распределенные вероятности коллапсировать в одну частицу, находящуюся в строго определенном месте. Отсюда следует и фраза, которую называли лучшим объяснением квантовой механики не более чем в пяти словах: «Не смотришь – волна, смотришь – частица».

По мнению Эйнштейна, это была бессмыслица. Каким образом простой взгляд в коробку заставляет распределенную потенциальность мгновенно схлопнуться в точечную актуальность? И если заглянуть в коробку в Токио, каким образом это мгновенно меняет физическое состояние коробки на другом краю земли, в Париже? Вот оно, «призрачное действие на расстоянии», очевидное нарушение принципа локальности. Значит, в копенгагенскую интерпретацию вкралась ошибка.

Интуиция подсказывала Эйнштейну в точности то же самое, что и здравый смысл: частица с самого начала была либо в одной половинке коробки, либо в другой. Поэтому, заключал Эйнштейн, квантовая механика неполна. Она дает размытую картину четкой реальности, а не четкую картину размытой реальности, как утверждали сторонники копенгагенской интерпретации.

Бор не пытался опровергнуть простую логику коробок Эйнштейна. Он направил свой полемический задор на более поздний и сложный мысленный эксперимент, который Эйнштейн придумал в тридцатые годы, когда уже покинул Германию и перебрался в Институт передовых исследований. Этот эксперимент называется «Парадокс Эйнштейна – Подольского – Розена», или просто ЭПР в честь Эйнштейна и двух его младших сотрудников – Бориса Подольского (из России) и Натана Розена (из Бруклина).

Мысленный эксперимент ЭПР предполагает, что существует пара частиц, которые возникли вместе, а затем пошли каждая своей дорогой. Эйнштейн считал, что согласно квантовой механике эти частицы должны быть «запутаны», то есть у них сохранится корреляция в том, как они реагируют на эксперименты, независимо от того, насколько далеко они разойдутся. В качестве примера рассмотрим, что происходит, когда «возбужденный» атом, то есть атом, уровень энергии которого искусственно повышен, делится избытком энергии, испустив пару фотонов (частиц-компонентов света). Эти два фотона разлетаются в противоположных направлениях и в конце концов достигают границ галактики и вылетают за них. Однако квантовая механика говорит, что какое бы расстояние ни разделяло два фотона, они остаются запутанными в единую квантовую систему. Если они станут субъектами одного и того же эксперимента, каждый будет реагировать в точном соответствии с партнером. Если, например, мы увидим, как ближайший фотон успешно проходит сквозь поляризационный фильтр, скажем, солнечные очки, мы автоматически узнаем, что его далекий партнер тоже это сделает, при условии, что ближний и дальний фильтр поставлены под одним и тем же углом.

Можно подумать, что такие запутанные частицы не загадочнее пары однояйцовых близнецов, разъехавшихся в разные города: если видишь в Нью-Йорке близнеца А и он рыжий, точно знаешь, что у близнеца В в Сиднее тоже рыжие волосы. Однако в отличие от цвета волос квантовые свойства остаются неопределенными, пока не подверглись измерению. Когда частица А измерена, смесь вероятностей мгновенно схлопывается в одно определенное состояние, и по всему выходит, что это вынуждает запутанную с ней партнершу частицу В тоже мгновенно перейти из смеси вероятностей в точно определенное соответствующее состояние.