ЛОКАЛЬНОСТЬ И НЕЛОКАЛЬНОСТЬ

Впервые на свойство нелокальности квантовых систем обратили внимание Эйнштейн, Подольский и Розен, которые, пытаясь доказать неполноту описания мира квантовой теории и тем самым опровергнуть ее, продемонстрировали наличие запутанных состояний пары квантовых частиц, принадлежащих одной системе (1935) *. (* A. Einstein, B. Podolsky, N. Rosen. Phys. Rev. 47, 777 (1935).

В подоплеке этой статье заложена, если можно так выразиться, квантовая дуальность: ошибка и гениальное прозрение одновременно. Ошибка — намерение авторов обрушить здание квантовой теории и доказать неполноту теории в момент начала ее строительства. Гениальное прозрение — неосознанное предсказание принципиальной возможности нелокальности, то есть возможности существования в системе мгновенной корреляции на любом расстоянии. Последнее показалась создателю теории относительности, построенной на конечности скорости распространения сигнала в природе, противоестественным и потому невозможным.

Пытаясь свести квантовую нелокальность к привычным представлениям локального реализма, Альберт Эйнштейн поименовал эту нелокальную связь «телепатической», то есть априори не существующей **. (** A. Einstein. In Albert Einstein, Philosopher-Scientist, edited by P. A. Schilpp, Library of Living Philosophers, Evanston, 1949, р. 85). Великий физик, изменивший картину мира, не мог себе представить, что в квантовой, внутренне скоррелированной системе изменение состояния одной части системы мгновенно передается другой ее части. Но именно это оказалось новой реальностью, которая позже была проанализирована и развита в современной квантовой теории, в частности Д. Беллом.

Мысленные эксперименты, которые Эйнштейн задумывал для опровержения квантовой теории, в дальнейшем (начиная с 80-х годов XX века), были реализованы на практике, и они не только не опровергли новую квантовую теорию, но послужили ее подтверждению и дальнейшему развитию. Я не буду касаться этих достаточно сложных, хитроумных и тщательно подготовленных экспериментов, но сразу скажу, что реальность, из них вытекающая, оказался гораздо фантастичнее, чем это представлялось Эйнштейну и даже самим творцам квантовой теории.

Именно с этого момента возникла возможность количественно описывать новую сферу реальности, и, по словам самих физиков, наука наконец окончательно оторвалась от грешной земли и вышла в безбрежный «космос» — в «царство небесное» нелокальных состояний *. (* Автор цитирует С. И. Доронина).

Все эти эксперименты и дальнейшее развитие теории (Н. Гизин и A. Перес, С. Попеску, Д. Рорлих, Ч. Беннетт и многие другие) продемонстрировали полную несовместимость квантовой теории с локальным реализмом Эйнштейна и принципиальную невозможность описания квантовых систем в рамках классического подхода. К настоящему времени локальный реализм полностью разрушен и проблема окончательно решена в пользу квантовой теории о нелокальности глубокой квантовой реальности. Сегодня речь идет уже не о теории, а о ее практических приложениях, в которых запутанные состояния и нелокальность могут быть использованы на практике, что само по себе открывает совершенно головокружительные перспективы создания техники на грани с мистикой.

Дело в том, что именно выполнение квантомеханического принципа неопределенности ведет к тому, что между запутанными (сцепленными, породненными) частицами существует нелокальная мгновенная связь с бесконечной скоростью передачи информации, а это делает принципиально возможным многое ранее «невозможное».

Очень важное замечание! Квантовая нелокальность имеет специфическую корреляционную природу, не связанную с нарушением причинности или предельной скорости распространения сигнала, и эта природа — цельность, единство, корреляционная согласованность ЭПР-пары (двух частиц в запутанном состоянии).

Говоря о существовании нелокальных связей квантовая теория не ликвидирует утверждения теории относительности о предельной скорости передачи сигнала, равной скорости света. Мгновенные связи в нелокальных системах обеспечиваются не передачей сигнала, а самой нелокальностью квантовых систем, существующих вне времени и пространства.

Для таких систем понятия «передача сигнала» или «скорость» просто не применимы. Здесь имеют место квантовые корреляции, согласованные изменения системы без передачи сигнала, обусловленные единством и неразделимостью источника и приемника квантовой информации.

На языке мистики это означает переход на тонкий уровень реальности, где нет пространства и времени, которые заменяет вечность. (Кстати, образ вечности вполне приемлем для чисто квантовых систем, не знающих времени и движения). Введенное Эйнштейном для таких систем понятие «телепатия» также вполне приемлемо: для телепатической связи между двумя системами они должны перейти в нелокальное состояние, то есть слиться воедино.

Квантовые каналы связи, если можно о них говорить, по сути объединяют источник и приемник информации в единое целое вне пространства и времени. Именно по этой причине все духовные практики связаны с «расширением сознания» до тех уровней, где пространство и время исчезают и высшая реальность воспринимается на уровне квантовых ореолов. Убежден в том, что недалеко время, когда этого можно будет достичь с помощью таких же технических средств, как ныне мобильный телефон и Интернет.

Нелокальность означает, что квантовая система существует одновременно «везде и нигде» — раз, и что из-за своей целостности и единства любые изменения с одной ее частью мгновенно передаются другим ее частям. Если повторить сказанное в более привычной форме и на языке мистики, то квантовую нелокальность можно поставить в соответствие духовной или нетварной составляющей бытия, а локальность классической физики — материальной или тварной, причем второе производно от первого: в основе классического материального мира лежит нелокальный квантовый источник реальности, который находится вне пространства и времени, то есть является непроявленным и нематериальным.

Еще одно важное замечание: приписывание квантовым объектам или системам любых свойств бессмысленно, поскольку в чисто квантовом (нелокальном) состоянии они находится в непроявленном состоянии, то есть не обладают физическими свойствами (кроме информации). Последние возникают лишь при локализации (рематериализации или декогеренции) — полном или частичном переходе квантовой системы (нелокального суперпозиционного состояния) в классическую. Частичный переход при этом означает, что по одной степени свободы квантовая система может быть локализована, а по другим — остается в непроявленном состоянии. Свойства возникают (проявляются) лишь в локализованном состоянии, когда можно говорить о пространственно-временном положении, спине, поляризации, волновой функции и т. д.

Освобождение от привычных иллюзий человеческого восприятия — архисложная задача, к тому же встречающая гигантское внутреннее сопротивление особенно у самих ученых. «Здравый смысл» противится любому изменению мировоззрения, так что легко понять силу возмущения модернистским манифестациям «всё из Пустоты» или «всё из Матрицы», причем в квантовой теории всеопределяющая «матрица плотности» имеет не переносный, а самый прямой смысл — «всё из матрицы плотности». Квантовая матрица плотности действительно содержит всю информацию о системе и количественно программирует ее поведение. Матрица плотности содержит в себе внутренние характеристики системы, описывает ее состояние и характеризует ее взаимодействие с окружением. В зависимости от вида, она описывает чистые и смешанные квантовые состояния, замкнутые системы и системы, взаимодействующие со своим окружением, а также корреляции внутри и вне квантовой системы. Именно на основе матриц плотности были введены количественные характеристики квантовой запутанности, и это стало поворотным пунктом в развитии квантовой теории, позволившим преодолеть ее «классические пережитки».

Нелокальным эффектам и запутанным состояниям ныне посвящены тысячи и тысячи научных статей, десятки монографий и многие симпозиумы. Ученые все больше осознают революционные потрясения, вызванные квантовой теорией во взглядах на мир и ведущие к радикальному изменению понимания физической реальности.

Только один пример. Организаторы одного из симпозиумов по квантовой механике пишут: «Физики взволнованы по весьма серьезной причине — существование крупномасштабных квантовых суперпозиций, аналогичных „коту Шредингера“ (см. ниже), так же как и наличие запутанности между многими различными степенями свободы в макроскопических системах, имеет большой фундаментальный и философский смысл, поскольку всё это бросает вызов основным предубеждениям о природе физической реальности» *. (* Quantum Mechanics on the Large Scale, Banff Center, Canada, Peter Wall Institute at UBC. A 5-day conference (April 12–17, 2003)

Контекст указанного заявления точно отражает трудность «прощания с Матерой» — расставания с привычным классическим мировоззрением, опровержения «незыблемых» представлений об основах мироздания. Впрочем, такая ситуация уже много раз случалась в науке — вспомним сопротивление «научной общественности» теории относительности Альберта Эйнштейна и самого Эйнштейна — квантовому индетерминизму.

Но нынешняя научная революция гораздо серьезней — она ставит под сомнение фундаментальность классической физики, указывая на существование более глубоких, непроявленных миров. В новой парадигме материальный мир рассматривается лишь небольшим «возмущением» квантовой реальности, проявлением «запредельности» всеобъемлющего квантового состояния глубокой реальности. Ученые — тоже люди, и сознание большинства из них не может быстро смириться со столь кардинальным переворотом во взглядах на окружающий мир.

Cуществование нелокальных эффектов фактически отвечает той «телепатии», о которой говорил А. Эйнштейн, критикуя квантовую теорию с позиций классической физики и детерминизма. Говоря на языке материализма или идеализма здесь в принципе могут быть два подхода:

— с позиции материалистов можно признать «объективность» вектора состояния, но тогда автоматически приходится признать существование «магической» природы реальности;

— с позиции идеалистов вектор состояния — это лишь математическая абстракция, продукт интеллекта, не имеющий под собой реальной физической основы, но тогда реальностью управляет идеальность в виде не существующего вектора состояния.

На сегодняшний день этот парадокс неразрешим, и каждый физик принимает одно из двух решений:

— демокритовское, то есть «материализм» с его «магическими» следствиями;

— платоновское, то есть «идеализм» с его эйдосами, или чистыми формами, лежащими в основе бытия.

Соответственно этому первый отдает предпочтение «материалистической» позиции с «магическими» следствиями, а второй видит в квантовом векторе состояния (матрице плотности) только математическое выражение. Во втором случае отдается предпочтение классической физики и отказу от вектора состояния (матрицы плотности) как реального объекта *. (* Последней позиции придерживаются, в частности, И. фон Нейман и А. Перес, считающие волновую функцию не физическим объектом, а абстрактным инструментом вычисления вероятностей объективных макроскопических событий.

В чем нет сомнений, так это в том, что при всех спорных вопросах и сомнениях, наука никогда не остановится в своем движении, и на созданном фундаменте квантовой теории, полностью освобожденной от классических «пережитков», будет возводиться здание новой науки, первые смутные очертания которой описаны в этой книге.

Пришла пора понять, что квантовомеханические объекты с их запутанностью и нелокальностью — не игра воображения физиков, далекая от окружающей реальности, но, вполне возможно, — будущая основа новых технологий, по сравнению с которыми всё ныне созданное покажется детскими играми и развлечениями. Один только квантовый компьютер, если таковой вопреки имеющимся трудностям удастся создать, преобразует мир до неузнаваемости.

Но, пожалуй, еще важнее мировоззренческие изменения — возможность включить в сферу науки огромную область феноменов, которые ранее числились за мистикой и считались невозможными с научной точки зрения. Вот что по этому поводу пишет один из немногих отечественных популяризаторов новой квантовой теории С. И. Доронин: «Квантовая теория помогает переосмыслить свои жизненные ценности и глубже понять, в чем заключается смысл нашего земного пути. В свете последних научных результатов жизнь в физическом теле предстает уже не в качестве самодостаточной ценности, а как небольшой этап нашей эволюции в совокупной Квантовой Реальности, как часть Большого Пути, который имеет свое продолжение на других, квантовых ее уровнях».

Я не исключаю, что нелокальность или, если можно так выразиться, связи с «иными мирами» когда-либо приведут к получению энергии из Пустоты или из иной реальности, как это имеет место в романе А. Азимова «Сами боги», но этому должны предшествовать огромная смелость мысли и новый грандиозный прорыв в науке. Как говорится по такому поводу, «нет сказок лучше тех, которые сочиняет сама жизнь».

ПАРАДОКС ЭПР

В 1927 году на Пятом Сольвеевском конгрессе А. Эйнштейн решительно выступил против «копенгагенской интерпретации» квантовой теории Нильса Бора и Макса Борна, трактующей математическую модель описания микромира как вероятностную. Эйнштейн тогда заявил, что сторонники этой интерпретации «из нужды делают добродетель», а вероятностный характер теории свидетельствует лишь о том, что наше знание физической сущности микропроцессов неполно и недостаточно.

Свидетельствует А. Эйнштейн: «Вместо того, чтобы дать модель для изображения реальных пространственно-временных событий, она [квантовая механика] дает распределения вероятности для возможных измерений как функций времени… Некоторые физики, и в том числе и я сам, не могут поверить, что мы раз и навсегда должны отказаться от идеи прямого изображения физической реальности в пространстве и времени или что мы должны согласиться с мнением, будто явления в природе подобны азартным играм».

Опасения Эйнштейна, что квантовая механика — это «не настоящий Иаков» * (* Из письма А. Эйнштейна к М. Борну 4.12.1926), то есть что она «дает неполное представление о реальности», разбиваются о тот очевидный сегодня факт, что никогда прежде ни одна физическая теория не подводила нас так близко к самой сокровенной реальности, доступной человеку.

Восемь лет спустя А. Эйнштейн, Б. Подольский и Н. Розен предложили мысленный эксперимент, якобы опровергающий квантовомеханический принцип неопределенности Гейзенберга, запрещающий одновременное измерение координаты и импульса частицы *. (* Einstein A., Podolsky B., Rosen N. Can quantum-mechanical description of physical reality be considered complete? // Phys. Rev. 47, 10, 777–780 (1935). В историю физики этот феномен вошел под названием парадокса ЭПР (по первым буквам фамилий авторов), который, как оказалось, затрагивал удивительное свойство квантовой реальности — ее нелокальность.

Суть «парадокса ЭПР» довольно проста: если проводить одновременно наблюдение за двумя «запутанными» частицами, то после их столкновения импульс одной можно измерить, а импульс второй — рассчитать из закона сохранения импульса. Затем можно измерить координаты второй частицы. Тем самым для второй частицы будут известны одновременно координаты и импульс. Для этой частицы соотношение неопределенности Гейзенберга, таким образом, не срабатывает и тем самым квантовая теория внутренне порочна. Исходя из этого можно заключить, что соотношение неопределенностей не является абсолютным, а законы квантовой механики являются неполными и должны быть в будущем уточнены.

После появления этой статьи Нильс Бор опубликовал работу, в которой высказал несколько аргументов в пользу вероятностного описания квантовой механики и обратил внимание на определенную аналогию между положениями квантовой теории и эйнштейновской общей теорией относительности. Так возник известный спор Бора — Эйнштейна о физическом смысле волновой функции.

Д. Бом в 1951 году обратил внимание на то, что в вышеуказанном парадоксе ЭПР неявно присутствуют два предположения:

1. Вселенная может быть системно разложена на различные и отдельно существующие «элементы реальности»;

2. Каждый из этих элементов может быть представлен точно определенной математической величиной.

Позже Д. Бом пришел к выводу, что элементарные частицы взаимодействуют на любом расстоянии не потому, что они обмениваются сигналами между собой, а потому, что их «разделенность» есть иллюзия. Иными словами, на каком-то более глубоком уровне реальности запутанные (сцепленные) частицы — это вовсе не отдельные объекты, а фактически продолжения чего-то более фундаментального и цельного. Частицы — не отдельные «фрагменты», но проекции более глубокого единства.

Тогда же была предложена схема оптического варианта мысленного опыта Эйнштейна, Подольского и Розена, который смог бы разрешить спор Эйнштейна и Бора. Речь больше не шла о философской позиции или персональном отношении к квантовой теории, а о возможности экспериментального решения проблемы.

В чем ошибка, лежащая в основе парадокса ЭПР? Ошибка — в так называемом «локальным реализме» Эйнштейна, то есть в перенесении представлений классического мира на мир квантовый. Главной ошибкой Эйнштейна в его спорах с Бором было страстное отстаивание принципов детерминизма при одновременной вере в то, что создание теории обусловлено свободной игрой человеческого разума. Разве это не великолепный пример суперэмоционального отношения к науке, демонстрирующий границы рационального подхода?

Авторы парадокса ЭПР не учли существования вышеуказанных нелокальных связей между взаимодействующими частицами — мгновенной передачи информации об измерении импульса первой частицы второй частице. Иными словами, они «вычленили» из эксперимента именно его «квантовость», то есть наличие в квантовом мире нелокальных связей.

Говоря по иному, парадокс ЭПР содержит в себе «порочный круг»: он заранее предполагает неверность опровергаемого факта. Понятие «элемент реальности» в том виде, в каком его употребляет Эйнштейн в классической физике, неприменимо в квантовой теории, и именно его неприменимость ведет к указанному парадоксу.

Вообще все парадоксы квантовой механики возникают в результате смешивания классического и квантового подходов или внешних и внутренних степеней свободы системы без учета нелокальности системы, то есть независимости внутренних степенней свободы от координат и времени. Всё это — попытки описать локальными понятиями (точка, пространство, время, частица, волна и так далее) нелокальный квантовый мир. Иными словами, нельзя подходить к нелокальным состояниям мира с часами и линейкой в руках.

Главная ошибка в парадоксе ЭПР на языке квантовой теории заключается в том, что Эйнштейн с соавторами приписали квантовой подсистеме заданную волновую функцию, тогда как квантовые системы могут одновременно находиться в разных состояниях запутанности, то есть описываются не волновой функцией, а матрицей плотности состояний. Последнее означает, что систему нельзя разделить на независимые локальные объекты — всегда существует часть системы, принадлежащая всем объектам в равной степени. Подсистемы переплетены (запутаны, связаны, породнены) и составляют в какой-то своей части единое целое.

Проще говоря, именно применение к ним классического подхода приводит к парадоксу, тогда как в рамках чисто квантового подхода никакого парадокса не возникает. Удивительно, что такую ошибку сделал человек, создавший теорию относительности и, следовательно, прекрасно понимавший, что к новой теории нельзя подходить с инструментарием небесной механики Ньютона.

Свидетельствует М. Б. Менский: «Парадоксы такого рода (ЭПР) в квантвой теории часто называют “проблемами измерения”, причем многие физики считают, что такого рода концептуальных проблем в квантовой механике не существует — они возникают как проблемы метафизики, а не физики. На самом же деле они являются результатом примешивания к квантовому подходу классической реальности и соответствующего ей языка. Современная квантовая теория действительно демонстрирует, что указанные парадоксы надуманны и легко разрешаются при чисто квантовом подходе к реальности».

В книге «Эйнштейн» я показал, что величайший физик так и не смог принять индетерминизма (нелокальности) новой физики — яркое свидетельство того, что даже у гения науки догматы стоят выше непривычной и неприемлемой для его глубинной аксиоматике реальности… Своим авторитетом Эйнштейн задержал принятие научным сообществом конвенции холизма и нелокальности (целостности мира и запутанных квантовых состояний), с одной стороны, но своей критикой стимулировал дальнейшее развитие квантовой теории. Парадокс ЭПР действительно способствовал проведению важнейших экспериментов и осознанию глубочайшей нетривиальности квантовой теории.

Именно ЭПР-парадокс позволил точно сформулировать идеи квантовой механики, связанные с запутанными состояниями и квантовой нелокальностью. Это тот сравнительно редкий случай в науке, когда попытка опровержения квантовой теории послужила укреплению ее основ и появлению новых разделов физики, таких как квантовая оптика, квантовая информация, квантовая декодировка, квантовая логика…

Парадокс ЭПР выявил, что реальность в квантовой механике отличается от классической и что ее нельзя понять, опираясь на опыт классической физики и здравый смысл. Ныне уже многие осознали, что реальность в классическом понимании и реальность квантового мира — разные слои реальности. Нет надобности выбирать между ними — необходимо лишь разобраться в том, какие из известных явлений соответствуют каждой из этих реальностей.

КОШКА ШРЕДИНГЕРА

«Кошкой Шредингера» называют мысленный эксперимента Эрвина Шредингера, которым он также хотел продемонстрировать неполноту или парадокс квантовой механики при переходе от субатомных систем к макроскопическим. Целью работы Шредингера было также обсуждение парадокса ЭПР, опубликованного ранее в том же году. Статья Шредингера примечательно тем, что именно в ней он ввел термин «запутанность», столь важный для новой интерпретации квантовой теории.

Суть мысленного эксперимента такова. В закрытый ящик помещена кошка. Вместе с ней в ящике имеется радиоактивный препарат и емкость с ядовитым газом. Включают секундомер и выбирают такой интервал времени, чтобы вероятность одного распада составила пятьдесят процентов. Если распад за это время произошел, то помещенный в ящик счетчик излучения откроет емкость с газом и кошка погибнет. Это значит, что если неоднократно проводить такой жуткий эксперимент, то половина кошек уцелеет, а половина погибнет. В основе же опыта лежит следующая идея: согласно квантовой механике, никто не может сказать, когда именно распадется ядро, то есть оно как бы находится в квантовой суперпозиции состояний распавшегося и не распавшегося ядра. Соответственно суперпозиции двух квантовых состояний — распавшегося ядра и нераспавшегося ядра, опыт замыслен так, что относительно макрообъекта, кошки, сидящей в ящике, до его открытия нельзя ничего сказать о том, жива она или нет. Получается, что кошка, как и соответствующий квантовый объект, находится в третьем, особом состоянии: она не жива и не мертва. Говоря научным языком, вектор состояния кошки может коллапсировать двумя способами: в сторону жизни и в сторону смерти. Это как бы смесь двух состояний, ситуация, которую аристотелева логика осилить не может, поскольку эта логика двузначная: да или нет.

В заостренной форме этот мысленный эксперимент призван показать следующее: для любого макроскопического объекта можно создать такую ситуацию, когда его состояние определяется состоянием квантового микрообъекта, и если детерминизма нет на микроуровне, то его не будет и на макроуровне. Это противоречит тому интуитивно очевидному, по Шредингеру, обстоятельству, что мы вправе требовать от науки достоверных предсказаний по крайней мере для макрообъектов.

«Кошка Шредингера» — наглядная иллюстрация зависимости результатов квантового эксперимента от наличия наблюдателя. Вне акта наблюдения состояние квантового объекта во многом является неопределенным, нелокализованным. Оказывается, что результаты квантовых экспериментов принципиально не могут быть объективными, так как определяются тем, присутствует ли при этом экспериментатор или нет. Иными словами, в зависимости от способа наблюдения мы можем заставить электрон стать частицей с классическим поведением или стать нелокальным квантовым объектом в смешанном состоянии.

Скажем, в присутствии наблюдателя (классического объекта) электрон пролетает только через одну из двух щелей в экране, то есть ведет себя тоже как классический объект, а при отсутствии наблюдателя (чисто квантовое состояние) — одновременно через две, свидетельствуя о существовании суперпозиции квантовых состояний электрона! Иными словами, факт наблюдения является фильтром, который извлекает из состояния, существовавшего до измерения, одну из содержащихся в нем возможностей.

К анализу имеющейся здесь ситуации полностью применимо то, что показано ранее в отношении подобного мысленного эксперимента Эйнштейна с сотрудниками. В основе парадокса шредингеровской кошки фактически лежит ненаблюдаемость предсказываемых квантовой механикой суперпозиций макроскопических состояний. При этом явление рематериализации (декогеренции) приводит к неразличимости суперпозиции и тем самым позволяет преодолеть парадоксальность квантовой теории в рамках теории открытых систем.

Парадокс «кошки Шредингера» также оказался весьма продуктивным, приведя не только к новым интерпретациям квантовой теории (например, см. раздел «Эвереттика), но и к появлению большого количества литературных произведений, так или иначе обыгрывающих эту парадоксальную ситуацию.

Не нашли, что искали? Воспользуйтесь поиском: