Geum.ru

Ткань космоса: Пространство, время и структура реальности

Вид материалаДокументы
Подобный материал:
1   ...   9   10   11   12   13   14   15   16   ...   66


С 1920-х годов физикам было известно, что такое спин частиц, – грубо говоря, частицы исполняют вращательное движение, похожее на вращение футбольного мяча вокруг себя, когда он направляется к цели. Но большое число существенных особенностей теряется при таком классическом образе, и самым главным для нас будут следующие два момента. Первый, частицы – например, электроны и протоны, – могут вращаться только по часовой стрелке или против часовой стрелки с некоторым никогда не изменяющимся темпом вокруг любой выбранной оси; ось вращения частицы может изменять направление, но темп ее вращения не может замедлиться или ускориться. Второй, квантовая неопределенность применительно к спину показывает, что так же, как вы не можете одновременно определить положение и скорость частицы, вы не можете одновременно определить спин частицы относительно более чем одной оси. Например, если футбольный мяч вращается относительно оси, ориентированной на северо-восток, его спин распределен между направленной на север и направленной на восток осями – и при подходящем измерении вы можете определить, какая часть спина ориентирована относительно каждой из осей. Но если вы измеряете спин электрона относительно любой произвольно выбранной оси, вы не сможете найти частичное количество спина. Никогда. Это похоже на то, как если бы само измерение влияло на электрон, собирая вместе все его вращательные движения и выстраивая их или по или против часовой стрелки относительно оси, на которой вам случилось сосредоточиться. Более того, поскольку ваши измерения влияют на спин электрона, вы теряете возможность определить, как он вращался относительно горизонтальной оси, относительно оси, идущей назад и вперед, или относительно любых других осей, выбранных перед вашим измерением. Эти особенности квантовомеханического спина тяжело описать полностью, и тяжело выделить пределы классических представлений при раскрытии правильной природы квантового мира. Но математика квантовой теории и десятилетия экспериментов убеждают нас, что эти характеристики квантового спина несомненны.


Смысл введения спина здесь не в том, чтобы погрязнуть в сложностях физики частиц. Скорее, пример спина частицы ненадолго обеспечит нам простую лабораторию для извлечения чудесных неожиданных ответов на вопрос реальности. А именно, имеет ли частица одновременно определенную величину спина относительно каждой и любой оси, хотя мы никогда не можем узнать его для более чем одной оси в один момент вследствие квантовой неопределенности? Или принцип неопределенности говорит нам что-то другое? Говорит ли он нам, вопреки классическим представлениям о реальности, что частица просто не имеет и не может иметь такие свойства одновременно? Говорит ли он нам, что частица пребывает в состоянии квантового чистилища, не имея определенного спина относительно любой выбранной оси, пока кто-нибудь или что-нибудь не измерит его, побудив его к схлопыванию в положение "смирно" и достижению – с вероятностью, определяемой квантовой теорией, – той или иной определенной величины спина (по или против часовой стрелки) относительно выбранной оси? При изучении этих вопросов, по существу, тех же самых, которые мы задавали в случае положений и скоростей частиц, мы можем использовать спин для исследования природы квантовой реальности (и для получения ответов, которые значительно превосходят по важности частный пример спина). Посмотрим на это.


Как было ясно показано физиком Дэвидом Бомом,[11] аргументы Эйнштейна, Подольского и Розена легко могут быть распространены на вопрос, имеют ли частицы определенные спины относительно любой или всех выбранных осей. Далее излагается, как это происходит. Выберем два детектора, приспособленных для измерения спина входящего электрона, один в левой стороне лаборатории, а второй в правой стороне. Установим для двух электронов режим испускания их "спина к спине" из источника, находящегося посередине между двумя детекторами, так что их спины – еще проще, чем их положения и скорости, как в наших более ранних примерах, – скоррелированы. Детали того, как это происходит, не важны; что важно, так это то, что это можно сделать и, фактически, можно сделать легко. Корреляция может быть устроена так, что если левый и правый детекторы настроены на измерение спинов вдоль оси, располагающейся в одном и том же направлении, они будут получать одинаковые результаты: если детекторы настроены на измерение спина соответственно приходящих к ним электронов относительно вертикальной оси и левый детектор обнаруживает, что спин ориентирован по часовой стрелке, так же будет и в правом детекторе; если детекторы настроены на измерение спина вдоль оси, наклоненной на 60 градусов по часовой стрелке от вертикали, и левый детектор измеряет ориентацию спина против часовой стрелки, так же будет и в правом детекторе; и так далее. Еще раз, в квантовой механике лучшее, что мы можем сделать, это предсказать вероятность, что детекторы найдут ориентацию спина по или против часовой стрелки, но мы можем предсказать со 100 процентной определенностью, что какое бы значение спина не было найдено первым детектором, второй найдет такое же.*


(*)"Чтобы избежать лингвистических сложностей, я описываю электронные спины как полностью скоррелированные, хотя более общепринятым описанием является то, в котором они полностью антикоррелированы: какой бы результат не получил первый детектор, второй покажет противоположный. Для сравнения с традиционным описанием представьте, что я переставил местами на одном из детекторов все метки, отмечающие ориентации по и против часовой стрелки."


Усовершенствование Бомом аргументов ЭПР теперь сводится к тому, что все намерения и цели остаются теми же, которые были в оригинальной версии, которая ориентировалась на положения и скорости. Корреляция между спинами частиц позволяет нам косвенно измерить спин двигающейся налево частицы относительно некоторой оси путем измерения спина у ее двигающегося направо компаньона относительно этой оси. Поскольку это измерение проводится далеко на правой стороне лаборатории, оно не в состоянии повлиять на двигающуюся налево частицу никаким образом. Отсюда последняя должна всегда иметь величину спина точно определенной; все, что мы сделали, измеряет ее, хотя и косвенно. Более того, поскольку мы можем выбрать проведение этого измерения относительно любой оси, такое же заключение должно сохраняться для любой оси: летящий налево электрон должен иметь определенный спин относительно любой и каждой оси, даже если мы можем явно определить его только относительно одной оси в данный момент времени. Конечно, роли левого и правого могут быть изменены друг на друга, что приводит к заключению, что каждая частица имеет определенный спин относительно любой оси.[12]


На этом этапе, не наблюдая очевидной разницы с экспериментом с положениями/скоростями, вы можете последовать примеру Паули и склониться к заключению, что нет смысла в размышлениях о таких проблемах. Если вы не можете в действительности измерить спин относительно отличающейся оси, то какое значение имеет знание о том, имеет ли частица, тем не менее, определенный спин – по или против часовой стрелки – относительно нее? Квантовая механика и физика в целом связаны только с оценками тех свойств мира, которые могут быть измерены. И никто, ни ЭПР, ни Бом не утверждали, что измерения могут быть произведены. Вместо этого, они утверждали, что частицы обладают свойствами, запрещенными принципом неопределенности, даже если мы никогда не сможем явно узнать их точные значения. Такие свойства известны как скрытые свойства, или, более общо, скрытые переменные.


На этом этапе Джон Белл все перевернул. Он открыл, что даже если вы не можете в действительности определить спин частицы относительно более чем одной оси, тем не менее, если фактически она имеет определенный спин относительно всех осей, тогда имеются тестируемые, наблюдаемые следствия этого спина.


Тестирование реальности


Чтобы ухватить сущность прозрения Белла, вернемся к Малдеру и Скалли и представим, что каждый из них получил другую посылку, также содержащую титановые коробочки, но с существенно новыми свойствами. Вместо наличия одной дверки каждая титановая коробочка имеет три: одну сверху, одну сбоку и одну спереди.[13] Сопровождающее письмо информирует их, что сфера внутри каждой коробочки теперь хаотически выбирает между красными вспышками и синими вспышками, когда любая одна из трех дверок коробочки открыта. Если у Малдера и Скалли открыты разные дверки (верхняя против боковой против передней) на данной коробочке, цвет, случайно выбираемый сферой, может отличаться, но раз одна дверка открыта и сфера мигнула, нет способа определить, что произойдет, когда будет выбрана другая дверка. (В физических приложениях это свойство фиксирует квантовую неопределенность: раз уж вы измерили одно свойство, вы не можете сказать чего-либо по поводу других). Наконец, письмо говорит им, что опять имеется таинственная связь, странное запутывание между двумя наборами титановых коробочек: даже если все сферы хаотически выбирают, каким цветом им мигать, когда одна из трех дверок на их коробочках открыта, если как Малдер, так и Скалли откроют одинаковую дверку на коробочке с одинаковым номером, письмо предсказывает, что они увидят вспышку одинакового цвета. Если Малдер откроет верхнюю дверку на своей коробочке 1 и увидит синий цвет, тогда письмо предсказывает, что Скалли также увидит синий цвет, если она откроет верхнюю дверку на ее коробочке 1; если Малдер откроет боковую дверку на его коробочке 2 и увидит красный, тогда письмо предсказывает, что Скалли также увидит красный, если откроет боковую дверку на ее коробочке 2, и так далее. Конечно, когда Скалли и Малдер откроют первые несколько дюжин коробочек, – согласовывая по телефону, какую дверку открывать на каждой, – они проверят предсказания письма.


Хотя Малдер и Скалли поставлены в немного более сложную ситуацию, чем ранее, на первый взгляд кажется, что те же объяснения, которые Скалли использовала ранее, одинаково хороши и здесь.


"Малдер," – говорит Скалли, – "это такая же глупая посылка, как и вчерашняя. И опять, тут нет тайны. Сфера внутри каждой коробочки должна быть просто запрограммирована. Ты не видишь?"


"Но теперь тут три дверки," – предостерегает Малдер, – "так что сфера не может "знать", какую дверку мы будем открывать, правильно?" "Это и не нужно," – объясняет Скалли. – "Это часть программы. Посмотри, вот пример. Возьми быстренько следующую неоткрытую коробочку, номер 37, и я сделаю то же самое. Теперь представь, для обсуждения, что сфера в моей коробочке 37 запрограммирована, скажем, мигать красным, если открыта верхняя дверка, синим, если открыта боковая, и снова красным, если открыта фронтальная дверка. Я называю это программу красный, синий, красный. Тогда ясно, что кто бы ни послал нам этот материал, он вложил в твою коробочку 37 ту же самую программу, и если мы оба откроем одинаковые дверки, мы увидим одинаковые цвета вспышек. Это объясняет "таинственную связь": если коробочки в наших соответствующих коллекциях с теми же номерами запрограммированы одинаковыми инструкциями, то мы будем видеть одинаковые цвета, если мы окрываем одинаковые дверки. Тут нет тайны!"


Но Малдер не верит, что сферы запрограммированы. Он верит письму. Он верит, что сферы хаотически выбирают между красным и синим, когда одна из дверок на их коробочке открыта, и отсюда он пылко верит, что его коробочки и коробочки Скалли имеют некоторую таинственную дальнодействующую связь.


Кто прав? Поскольку нет способа проверить сферы перед или во время предполагаемого случайного выбора цвета (вспомним, каждое такое тайное действие немедленно приводит сферу к случайному выбору между красным и синим, расстраивая любые попытки исследовать, как она реально работает), кажется невозможным определенно проверить, кто прав, Малдер или Скалли.


Однако, что удивительно, после небольшого раздумья Малдер осознал, что имеется эксперимент, который решит вопрос полностью. Рассуждения Малдера прямолинейны, но они требуют коснуться чуть более явных математических обоснований, чем мы это делали ранее для большинства рассмотренных вещей. Это определенная цена за попытку проследовать за деталями – их не то, чтобы много, – но не расстраивайтесь, если некоторые из них проскользнут мимо, мы коротко суммируем ключевые заключения.


Малдер осознал, что он и Скалли могут не только рассмотреть, что случится, если они каждый откроют одинаковые дверки в коробочке с данным номером. И, как он возбужденно излагает Скалли после ее обратного звонка, можно изучить вариант, когда они не всегда выбирают одинаковые дверки и, вместо этого, случайным образом и независимо выбирают, какую дверку открыть в каждой из их коробочек.


"Малдер, пожалуйста. Просто дай мне насладиться моим отпуском. Что мы можем изучить, делая это?"


"Хорошо, Скалли, мы можем определить, является ли твое объяснение правильным или ложным".


"Ладно, я слушаю".


"Это просто," – продолжает Малдер. – "Если ты права, тогда будет то, что я осознал: если ты и я отдельно друг от друга и случайным образом выберем, какую дверку открыть в данной коробочке, мы должны найти, что мы увидим одинаковые цвета вспышек более чем в 50 процентов случаев. Но если это не так, если мы найдем, что цвета вспышек не совпадают более чем в 50 процентах коробочек, тогда ты не можешь быть права."


"В самом деле, почему так?" – Скалли немного заинтересовалась.


"Хорошо," – продолжает Малдер, – "есть пример. Предположим, что ты права и каждая сфера работает в соответствии с программой. Просто для конкретности представим, что программа для сферы в отдельной коробочке производит синий, синий и красный цвета. Теперь, поскольку мы оба выбираем одну из трех дверок, всего имеется девять возможных комбинаций дверок, которые мы можем выбрать для открывания для данной коробочки. Например, я могу выбрать верхнюю дверку на моей коробочке, тогда как ты можешь выбрать боковую дверку на твоей коробочке; или я могу выбрать фронтальную дверку, а ты можешь выбрать верхнюю дверку; и так далее."


"Да, конечно." – Скалли подскочила. – "Если мы назовем верхнюю дверку 1, боковую дверку 2, а фронтальную дверку 3, то девять возможных комбинаций дверок это просто (1,1), (1,2), (1,3), (2,1), (2,2), (2,3), (3,1), (3,2) и (3,3)."


"Да, все верно," – продолжает Малдер. – "Теперь важный момент: Из этих девяти возможностей отметим, что пять комбинаций дверок – (1,1), (2,2), (3,3), (1,2) и (2,1) – приводят к тому результату, что мы видим, как сферы в наших коробочках вспыхивают одинаковыми цветами. Первые три комбинации дверок те самые, в которых мы выбираем одинаковые дверки, и, как мы знаем, это всегда приводит к тому, что мы видим одинаковые цвета. Остальные две комбинации дверок (1,2) и (2,1) приводят к тем же самым цветам, поскольку программа диктует, что сферы будут мигать одним цветом – синим – если или дверка 1 или дверка 2 открыты. Итак, поскольку 5 больше, чем половина от 9, это значит, что для более чем половины – более чем 50 процентов – возможных комбинаций дверок, которые мы можем выбрать для открывания, сферы будут вспыхивать одинаковым цветом."


"Но подожди," – протестует Скалли. – "Это только один пример особой программы: синий, синий, красный. В моем объяснении я предполагала, что коробочки с разными номерами могут и в общем случае будут иметь разные программы."


"В действительности, это не имеет значения. Вывод действует для любых из возможных программ. Смотри, мои рассуждения с синим, синим, красным в качестве программы связаны только с тем фактом, что два цвета в программе одинаковы, так что идентичное заключение следует для любой программы: красный, красный, синий или красный, синий, красный и так далее. Любая программа имеет как минимум два одинаковых цвета: программы, которые на самом деле отличаются, это те, в которых все три цвета одинаковы – красный, красный, красный и синий, синий, синий. Но для коробочек с любой из таких программ мы имеем одинаковый цвет вспышки безотносительно к тому, какую дверку мы открыли, так что общая доля вариантов, в которых мы должны увидеть одинаковые цвета, будет только расти. Итак, если твое объяснение правильно и коробочки действуют в соответствии с программами, – даже с программами, которые меняются от одной коробочки к другой, – мы должны согласиться, что мы увидим одинаковые цвета более чем в 50 процентах случаев."


Таков аргумент. Трудная часть закончилась. Суть в том, что имеется тест для определения, права ли Скалли и действует ли каждая сфера в соответствии с программой, которая однозначно определяет, какой цвет вспыхнет в зависимости от того, какая дверка открыта. Если она и Малдер независимо и случайно выберут, какую из трех дверок на каждой из их коробочек открывать, а затем сравнят увиденные ими цвета – коробочка за следующей коробочкой – они должны найти согласие более чем в 50 процентах коробочек. Если выражаться на языке физики, как это будет сделано в следующей секции, прозрение Малдера есть ничто иное как прорыв Джона Белла.


Подсчет ангела за ангелом


Полученный результат прямо переводится на физическую задачу. Представим, что мы имеем два детектора, один в левой стороне лаборатории, а другой в правой стороне, которые измеряют спин входящих частиц вроде электронов, как в эксперименте, обсуждавшемся в предпоследней секции. Детекторы требуют от вас выбора оси (вертикальной, горизонтальной, идущей вперед-назад или одной из бесчисленных осей, которые лежат между указанными), вдоль которой будет измеряться спин; для простоты исследования представим, что мы имеем фиксированно настраиваемые детекторы, которые позволяют сделать только три выбора для осей. При каждом конкретном проведении эксперимента вы будете находить, что входящий электрон вращается по или против часовой стрелки относительно выбранной вами оси.


Согласно Эйнштейну, Подольскому и Розену каждый входящий электрон обеспечивает детектор, в который он влетает, тем, что можно считать программой: даже если оно скрыто, даже если вы не можете его измерить, ЭПР заявляет, что каждый электрон имеет определенное значение спина – или по или против часовой стрелки – относительно любой и каждой из осей. Отсюда, когда электрон попадает в детектор, электрон четко определяет, можете ли вы измерить его спин как направленный по или против часовой стрелки относительно какой-либо оси, которую вы выбрали. Например, электрон, вращающийся по часовой стрелке относительно каждой из трех осей, обеспечивает программу "по, по, по" часовой стрелке; электрон, который вращается по часовой стрелке относительно первых двух осей и против часовой стрелки относительно третьей, обеспечивает программу "по, по, против" часовой стрелки, и так далее. Чтобы объяснить корреляции между летящими налево и летящими направо электронами, Эйнштейн, Подольский и Розен просто объявили, что каждый из электронов имеет идентичный спин и, таким образом, обеспечивает детекторы, в которые они попадают, одинаковыми программами. Поэтому, если выбраны одинаковые оси для левого и правого детекторов, спиновые детекторы дадут одинаковые результаты.


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.