Квантовая революция. Как самая совершенная научная теория управляет нашей жизнью

Рассмотрим, сказал Эйнштейн участникам Сольвеевской конференции, поток электронов, проходящий через очень маленькую дырочку в экране (рис. 3.2). По другую сторону экрана расположена покрытая фосфоресцирующей пленкой полусфера, которая может регистрировать отдельные электроны. В соответствии с законами квантовой физики волновая функция потока электронов должна быть однородна – вероятность того, что электрон попадет в пленку, одинакова в любой точке полусферы. И это хорошо – если правила квантовой физики говорят вам, что в ходе вашего эксперимента на квадратный сантиметр пленки попадет десять электронов, значит, в среднем так оно и будет. Квантовая физика прекрасно умеет описывать коллективное поведение больших групп частиц, но при этом она может определять только вероятности; точно вычислить, сколько электронов попадет в каждую часть экрана, она не умеет, мы можем надеяться получить лишь средние значения.

Рис. 3.2. Мысленный эксперимент Эйнштейна на Сольвеевском конгрессе. Когда электрон попадает в пластинку, откуда остальная часть волновой функции «знает», что надо немедленно коллапсировать? (По диаграмме, приведенной в Bacciagaluppi, Valentini 2009, стр. 486)

Эйнштейн попросил присутствующих рассмотреть случай, в котором через отверстие пролетает одиночный электрон. Квантовая физика по-прежнему предсказывает, что электрон с одинаковой вероятностью сможет попасть в любую точку экрана – никаких более точных предсказаний мы не получим. Что ж, хорошо – может быть, это просто значит, что теория неполна или в каком-то отношении ограничена. Однако, напомнил аудитории Эйнштейн, Гейзенберг и Борн объявили квантовую физику законченной, полной и замкнутой в том объеме, в котором она нам известна. В этом случае не существует никакого средства определить конкретную точку, в которой электрон столкнется с пленкой. Но это создает проблему – и она вовсе не в том, что в природе вещей заключена случайность.

Проблема, с которой мы здесь сталкиваемся, это проблема нарушения принципа локальности (близкодействия)[108]. Он заключается в том, что нечто, происходящее в одной точке, не может мгновенно повлиять на событие, происходящее где-либо еще. Волновая функция нашего одиночного электрона равномерно распределена по всей покрытой пленкой полусфере, и согласно Гейзенбергу, Борну и Бору собственно электрон не находится нигде. Тот факт, что волновая функция электрона распределена равномерно, попросту означает, что пленка с одинаковой вероятностью зарегистрирует столкновение с электроном в любой ее точке. Но, спросил Эйнштейн, что происходит с волновой функцией, когда пленка действительно регистрирует это столкновение в некоторой конкретной точке? Борн показал, что волновая функция частицы пропорциональна вероятности нахождения этой частицы в конкретном месте. Но как только электрон сталкивается с пленкой в конкретной точке, вероятность того, что он попадет в какую-либо другую точку, немедленно обращается в нуль. Значит, каким-то образом волновая функция должна мгновенно обнолиться на всей полусфере в тот момент, когда точка на пленке отметит место удара электрона. Если мы хоть чуть-чуть уклонимся от требования мгновенно обнулить волновую функцию, у нас появится риск увидеть, как пленка регистрирует несуществующий второй электрон в той точке, в которой волновая функция не успела обратиться в ноль. «Этот полностью нереальный механизм действия на расстоянии, – сказал Эйнштейн, – для меня означает противоречие с принципом относительности [то есть со специальной теорией относительности]»[109]. В ней утверждается совершенно ясно, что ни объекты, ни сигналы не могут двигаться быстрее света. Таким образом, если квантовая физика действительно является полным описанием природы, то в ней нарушается принцип относительности. Отсюда Эйнштейн делал очевидный вывод: электрон должен был находиться в некоторой конкретной точке еще до того, как он столкнулся с пленкой, несмотря на то что квантовая физика не могла ничего сказать о его точном местонахождении. По мнению Эйнштейна, этот вывод был единственным способом избежать требования мгновенного коллапса волновой функции и нарушения принципа локальности. А следовательно, квантовая физика давала неполное описание природы, и, чтобы понять истинные законы квантового мира, требовалось ее, физики, развитие. В частности, чтобы снять противоречия с принципом относительности, частицы должны в любой момент обладать определенными положениями, а не только волновой функцией. «Мне кажется, мсье де Бройль прав[110], занимаясь поисками в этом направлении», – заключил Эйнштейн.

Рис. 3.3. Эйнштейн и Бор, около 1930 года