Призрачный квантовый мир Эйнштейна

Эйнштейн ненавидел “призрачное действие на расстоянии” – так он называл квантовую запутанность. Но, к его огорчению, квантовая механика остается такой же призрачной, как и прежде.

В ноябре 1915 года Альберт Эйнштейн представил свою общую теорию относительности на суд озадаченной Прусской академии наук в Берлине. Теорию, которая произвела революцию в нашем представлении о Вселенной.

Теория Эйнштейна переосмыслила идею гравитации совершенно новым способом, глубоко отличающимся от принятой в то время теории, созданной Исааком Ньютоном еще в 1686 году. Теория Ньютона прекрасно описывала множество гравитационных явлений, от орбит планет и комет вокруг Солнца до приливов и отливов и продолговатости Земли. (Земля представляет собой продолговатый сфероид, то есть слегка сплюснутый у полюсов). Инженеры-ракетчики до сих пор используют теорию Ньютона для расчета траекторий полета к другим планетам Солнечной системы. Она начинает давать сбои только тогда, когда гравитационные силы становятся чрезвычайно сильными и на очень больших расстояниях от нас. Эйнштейн доказал и показал, что ньютоновский закон, хоть и действителен для расчетов на большие расстояния, по сути является глубоко ошибочным.

Изгнание ньютоновской гравитации

В основе теории Ньютона лежит понятие “действие на расстоянии”, предположение о том, что любые два массивных объекта будут гравитационно притягиваться друг к другу мгновенно и без какого-либо прямого воздействия друг на друга. Таким образом, Солнце притягивает Землю и вас, не касаясь ни того, ни другого. (Кстати, вы тоже притягиваетесь к ним обоим.) И делает это с бесконечной скоростью (отсюда и определение “мгновенно”). Когда люди спросили Ньютона, как может что-то действовать на что-то другое, не касаясь друг друга, то он ответил: “До сих пор я не могу обнаружить причину этих свойств гравитации, и я не строю никаких гипотез”. Очень умно. Ньютон решил не строить догадок, учитывая, что у него в те времена в любом случае не было данных, которые могли бы помочь ему в этом.

Эйнштейну это не понравилось. Согласно его специальной теории относительности 1905 года, ничто не может двигаться быстрее скорости света, даже гравитация. Таким образом, возмущение гравитационной силы должно распространяться максимум со скоростью света и не может быть мгновенным. Кроме того, связав гравитационное притяжение с кривизной пространства, Эйнштейн элегантно избавился от “загадочного действия на расстоянии”. Пространство растягивалось, а гравитация была реакцией на движение в этом растянутом пространстве, как у ребенка, у которого нет выбора, кроме как спуститься с горки.

Ни Ньютон, ни Эйнштейн, ни кто-либо другой не знает, почему материя притягивает материю. Но общая теория относительности Эйнштейна хотя бы аннулировала не совсем научное ньютоновское “призрачное действие на расстоянии”, превратив гравитацию в локальное и причинное взаимодействие. 

И всё было замечательно на просторах физики, пока в игру не вступила квантовая механика.

квант

Возвращение “призрачного действия на расстоянии”

Примерно в то же время, когда Эйнштейн избавлялся от призрака гравитации, квантовая механика бодро набирала обороты. Среди множества ее и так странных свойств, понятие квантовой суперпозиции действительно не поддается нашему воображению. Исходя их опыта повседневной жизни, когда вы находитесь в каком-то одном месте, вы там и находитесь. Точка. Но только не для квантовых систем. Электрон, например, не находится в одном месте, а находится во многих местах одновременно. Эта “пространственная суперпозиция” абсолютно необходима для описания квантовых систем. А еще очень странно, что уравнения описывают эту суперпозицию положений даже не как электрон как таковой, а лишь как вероятность нахождения электрона здесь или там после измерения его положения. (Для тех, кто в теме – эта вероятность равна квадрату амплитуд квантовых волн). Таким образом, квантовая механика говорит только о потенциальной возможности найти что-то в каком-то месте, а не о том, где это что-то находится постоянно. Но ведь пока нет измерения, понятие о том, где что-то находится, просто не имеет смысла!

Вот эта неопределенность и сводила Эйнштейна с ума. Она была прямо противоположна тому, что он обнаружил в своей теории гравитации – а именно, что гравитация действует локально, определяя кривизну пространства в каждой точке, а также причинно и всегда со скоростью света. Красота же! И всё по полочкам. Эйнштейн считал, что природа должна быть разумной, поддающейся рациональному объяснению и предсказуемой. А, значит, тогда квантовая механика или неверна по сути, или же неполна.

В 1935 году, через два десятилетия после своей работы об общей теории относительности, Эйнштейн вместе с Борисом Подольским и Натаном Розеном написал работу, в которой пытался разоблачить безумие квантовой механики, назвав ее “призрачным действием на расстоянии”. Он провел остаток своей жизни, безуспешно пытаясь изгнать этого квантового демона.

Если посмотреть на квантовые системы с двумя частицами, скажем, двумя электронами в суперпозиции, то уравнения описывают их обоих вместе, они находятся в запутанном состоянии, которое, кажется, бросает вызов всему, во что верил Эйнштейн. Если вы измеряете свойство одного электрона, скажем, его вращение, то вы можете запросто сказать, каково вращение другого электрона – даже не потрудившись его измерить. Что еще более странно, эта способность отличать одно от другого сохраняется на произвольно больших расстояниях и кажется мгновенной, а не ограниченной скоростью света. Другими словами, квантовая жуть не подчиняется ни пространству, ни времени!

Дальнейшие эксперименты разных ученых подтвердили, что запутанность может сохраняться на астрономически больших расстояниях. Как будто запутанное состояние существует в мире, где пространственные расстояния и временные интервалы просто не имеют значения. Правда, такие запутанные состояния очень хрупки и могут быть легко разрушены различными видами помех. Тем не менее, сегодня уже мало кто отрицает их существование. Возможно, они не имеют ничего общего с фольклорными объяснениями синхронности или того же дежавю, но они учат нас тому, что в природе есть много крайне загадочных аспектов, которые остаются далеко за пределами нашего понимания. Извините, Эйнштейн, но квантовая механика действительно жутковата.