Брайан Грин - Брайан Грин. Ткань космоса: Пространство, время и структура реальности

• Название: Брайан Грин. Ткань космоса: Пространство, время и структура реальности
• Автор: Брайан Грин
• Жанр: Физика
• Год: 2004

Вторая книга американского физика Брайана Р. Грина "Ткань космоса..." доставляет интеллектуальное наслаждение и производит сильнейшее впечатление, которыми и хочу поделиться с народом. Тем, кто читал первую книгу Грина "Элегантная вселенная..." (изданную в России в 2004 и 2005), предисловия не нужны. "Ткань космоса" не уступает "Элегантной вселенной" ни в широте охвата и глубине материала, ни в детальном понимании автором обсуждаемых тем, ни в таланте автора объяснять сложнейшие вещи "на пальцах", ни в легкости языка. Главная тема книги – борьба науки за понимание пространства и времени. Книга дает текущую картину того, чем занята современная физика, с самой линии фронта и от непосредственного участника боев. Не требует специальной подготовки – только немножко внимания и воображения. Приятных впечатлений.

---

Отметим, что эти спиновые детекторы в точности воспроизводят все, с чем столкнулись Скалли и Малдер, хотя и с упрощающими заменами: вместо выбора дверок на титановой коробочке мы выбираем оси; вместо разглядывания красной или синей вспышки мы регистрируем спин по или против часовой стрелки. Итак, точно так же, как открывание одинаковых дверок на паре одинаково пронумерованных титановых коробочек приводит к одинаковому цвету вспышек, выбор одинаковых осей на двух детекторах приводит к измерению одинакового направления спина. Точно так же, как открывание определенной дверки на титановой коробочке лишает нас любого знания по вопросу, какой бы цвет вспыхнул, если бы мы открыли другую дверку, измерение спина электрона относительно определенной оси лишает нас из-за квантовой неопределенности любого знания, какое направление спина мы бы нашли, если бы мы выбрали другую ось.

Все предыдущее означает, что анализ Малдера по выяснению, кто прав, в точности таким же образом применимо к ситуации с детекторами, как и к случаю инопланетных сфер. Если ЭПР корректно и каждый электрон действительно имеет определенную величину спина относительно всех трех осей, – если каждый электрон обеспечивает "программу", которая однозначно определяет результат любого из трех возможных измерений спина, – тогда мы можем сделать следующее предсказание. Внимательное изучение данных, собранных по итогам большого числа экспериментов, – в которых оси каждого детектора выбирались случайно и независимо, – покажет, что больше, чем в половине случаев спины двух электронов согласуются, являясь либо оба ориентированными по часовой стрелке, либо оба против часовой стрелки. Если спины электронов не согласуются более чем в половине случаев, Эйнштейн, Подольский и Розен ошиблись.

Это и есть открытие Белла. Оно показывает, что даже если вы не можете реально измерить спин электрона относительно более чем одной оси – даже если вы не можете явно "прочитать" программу, которая подразумевается приложенной к детектору, в который влетает электрон, – это не означает, что попытка изучить, не имеется ли, тем не менее, определенного значения спина относительно более чем одной оси, сродни подсчету ангелов на острие булавки. Далеко не так. Белл нашел, что имеется хорошо определенный проверяемый вывод, связанный с частицами, имеющими определенные значения спина. Используя оси в трех ракурсах, Белл обеспечил путь к подсчету ангелов Паули.

Нет дыма без огня

В случае, если вы пропустили детали, подведем итоги того, где мы находимся. Через принцип неопределенности Гейзенберга квантовая механика заявила, что имеются свойства мира – вроде положения и скорости частицы или спина частицы относительно различных осей, – которые не могут одновременно иметь определенные значения. Частица согласно квантовой механике не может иметь определенное положение и определенную скорость; частица не может иметь определенный спин (по часовой стрелке или против часовой стрелки) относительно более чем одной оси; частица не может иметь одновременно определенные значения для величин, которые находятся на противоположных сторонах "водораздела" неопределенности. Вместо этого частицы парят в квантовом чистилище, в размытой, аморфной, вероятностной смеси всех возможностей; и только в процессе измерения выбирается один определенный результат из многих. Ясно, что эта картина реальности радикально отличается от той, которую рисовала классическая физика.

Эйнштейн, вечный скептик в отношении квантовой механики, вместе со своими коллегами, Подольским и Розеном, попытался использовать этот аспект квантовой механики как оружие против самой теории. ЭПР утверждали, что даже если квантовая механика не позволяет одновременно определить такие свойства, частицы, тем не менее, должны иметь определенные значения положения и скорости; частицы должны иметь определенные значения спина относительно всех осей; частицы должны иметь определенные значения для всех величин, запрещенных квантовой неопределенностью. ЭПР, таким образом, утверждали, что квантовая механика не может контролировать все элементы физической реальности – она не может управиться с положением и скоростью частицы; она не может управиться со спином частицы относительно более чем одной оси – и, следовательно, это неполная теория.

Долгое время проблема того, правы ли ЭПР, казалась вопросом больше метафизики, чем физики. Как говорил Паули, если вы не можете реально измерить свойства, запрещенные квантовой неопределенностью, то какую разницу может вообще принести то, что они, тем не менее, существуют в некотором скрытом изгибе реальности? Но, на удивление, Джон Белл нашел нечто, что скрылось от Эйнштейна, Бора и других гигантов теоретической физики двадцатого столетия: он нашел, что простое существование определенных вещей, даже если они находятся за пределами явного измерения или определения, вносит различие – различие, которое можно отследить экпериментально. Белл показал, что если ЭПР были правы, результаты, полученные двумя далеко разнесенными в пространстве детекторами, измеряющими определенные свойства частиц (спин относительно различных случайно выбранных осей в рассмотренной нами схеме), будут согласовываться более чем в 50 процентах случаев.

Белл получил свой результат в 1964 году, но в то время не существовала технология, чтобы провести требуемые эксперименты. В начале 1970х она появилась. Сначала в работах Стюарта Фридмана и Джона Клаузера из Беркли, затем в работах Эдварда Фрая и Рэндалла Томпсона в Техасском Университете А&М и, как кульминация, в начале 1980х в работе Алана Аспекта и сотрудников, работавших во Франции, были проведены все более совершенные и впечатляющие версии этих экспериментов. В эксперименте Аспекта, например, два детектора располагались на расстоянии 13 метров, а контейнер с возбужденными атомами кальция был посередине между ними. Хорошо известная физика показывает, что каждый атом кальция, возвращаясь в свое нормальное, низкоэнергетическое состояние, испускает два фотона, разлетающиеся спина к спине, чьи спины полностью скоррелированы, точно так же как в обсуждавшемся нами примере с коррелированными спинами электронов. В самом деле в эксперименте Аспекта всякий раз, когда настройки детекторов были одинаковы, два фотона после измерения имели спины, полностью выстроенные в одном направлении. Если к детекторам Аспекта подключался свет, вспыхивающий красным в ответ на спин по часовой стрелке и синим в ответ на спин против часовой стрелки, входящие фотоны вызывали указанные вспышки детекторов с указанными цветами.

Итак, и в этом ключевой момент, когда Аспект исследовал данные от большого числа повторений экперимента – данные, в которых левый и правый детекторы настраивались не всегда одинаково, напротив, изменялись независимо и хаотично от эксперимента к эксперименту, – он нашел, что показания детекторов не согласуются более чем в 50 процентах случаев.

Этот результат был подобен землетрясению. Это один из тех результатов, от которых перехватывает дыхание. Но в случае, если с вами этого не произошло, позвольте мне объяснить дальше. Результат Аспекта показал, что Эйнштейн, Подольский и Розен были опровергнуты экспериментом – не теорией, не размышлениями, но самой природой. И это означало, что имеется нечто неправильное в аргументации ЭПР, использованной для заключения, что частицы обладают определенными значениями величин – вроде величины спина относительно определенных осей, – для которых определенные значения запрещены принципом неопределенности.

Но где они могли ошибиться? Вспомним, что аргументы Эйнштейна, Подольского и Розена держались на одном центральном предположении: в данный момент времени вы можете определить свойства объекта путем эксперимента, проводимого с другим, пространственно удаленным объектом, так что первый объект должен иметь эти свойства все время. Их обоснование для этого предположения было простым и полностью здравым. Ваши измерения проводятся здесь, тогда как первый объект удален и находится там. Два объекта пространственно разделены, поэтому ваше измерение не может оказать какое-либо влияние на первый объект. Более точно, поскольку ничто не двигается быстрее, чем скорость света, если ваши измерения над одним объектом некоторым образом повлекли изменения в другом объекте, – например, заставили другой объект принять идентичное первому вращательное движение относительно выбранной оси, – должна быть задержка перед тем, как это может произойти, задержка, как минимум, на такое время, которое потребуется свету, чтобы преодолеть дистанцию между двумя объектами. Но как в наших абстрактных рассуждениях, так и в реальном эксперименте, две частицы исследовались детекторами в одно и то же время. Следовательно, что бы мы не изучали по поводу первой частицы путем измерения второй, должно быть свойство, которым первая частица обладает полностью независимо от того, проводили ли мы эксперимент вообще. Короче говоря, ядро аргументов Эйнштейна, Подольского и Розена состоит в том, что объект, удаленный отсюда, не ощущает, что вы делаете с другим объектом тут.