Geum.ru

Г20 Квантовая физика и квантовое сознание. Киев. 2011 300 с

Вид материалаДокументы

Содержание


Парадокс эпр
Подобный материал:
1   ...   11   12   13   14   15   16   17   18   ...   28

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.