Завтрак с Эйнштейном. Экзотическая физика повседневных предметов

Однако, по мере того как стала возникать квантовая механика, становилось ясно, что здесь случайность фундаментальна. Невозможность предсказать результат отдельного квантового эксперимента не считается каким-то техническим сбоем, это неотъемлемое свойство. В квантовой теории, сформулированной Гейзенбергом и Шрёдингером и интерпретированной Бором и Борном вместе с Паули, просто не имеет смысла говорить о специфических свойствах отдельных частиц. Принцип неопределенности Гейзенберга (глава 7) не описывает техническую проблему тем же способом, как мы измеряем положение и момент; он отражает тот факт, что просто невозможно получить точно определенное положение и момент для частицы, которая также имеет волновую природу[265].

Более молодое поколение физиков, Паули, Гейзенберг и их когорта, в основном склонны были принять это как плату за возможность заниматься делом и наслаждались возможностями новой теории точно предсказывать результаты экспериментов, что сбивало с толку физиков. Однако физики постарше были серьезно обеспокоены этим вероятностным характером квантовой физики и взамен искали теорию, которая была бы более детерминистской[266]. Это группа включала некоторых физиков, которые, в первую очередь, способствовали развитию квантовой механики, наиболее известные из них – Эйнштейн и Шрёдингер.

Именно в таком контексте появился мысленный эксперимент Шрёдингера с печально известным котом: он высветил то, что ученый видел как проблему для квантовой теории касательно этой фундаментальной неопределенности. Этот вопрос не отпугнул от дальнейшего развития квантовой механики, и появившиеся в результате аргументы помогли создать новое и продуктивное направление исследований. Возражения Эйнштейна в форме другого мысленного эксперимента, как оказалось, были еще более плодотворны.

Квантовая физика и закон заголовков Беттериджа<a l:href="#n_267" type="note">[267]</a>

В поздние 1920-е годы Эйнштейн провел знаменитую серию споров с Нильсом Бором об интерпретации квантовой физики в ходе Сольвейских конференций в 1927-м и 1930-м годах. Первоначальные споры сфокусировались на принципе неопределенности, который Эйнштейн первоначально отвергал, поскольку это шло вразрез с интуитивным пониманием классической физики. В то время как Эйнштейн постепенно смирился с идеей принципа неопределенности и перешел к более глубоким возражениям, Бор продолжал интерпретировать свои аргументы в том же свете. Большинство их знаменитых доводов – в действительности разговор двух блестящих физиков друг с другом.

Окончательный и наиболее значительный вклад Эйнштейна во все еще продолжающийся спор об основах квантовой механики был сделан в статье, написанной с его более молодыми коллегами Борисом Подольским и Натаном Розеном в 1925 году. Статья «ЭПР[268]» застала врасплох Бора и многих других физиков, кто привык относиться к аргументации Эйнштейна, основанной на вопросах о неопределенности, поскольку она более четко объясняла его главное возражение и указывала на более глубокую проблему с квантовой теорией[269].

Статья называлась «Может ли квантово-механическое описание физической реальности считаться полным?». Есть старая шутка среди журналистов – «Закон заголовков Беттериджа», согласно ему на любую статью, заголовок которой содержит знак вопроса, можно ответить одним словом «нет». Статья «ЭПР» – не исключение: Эйнштейн и его коллеги рассматривали необычную физическую систему, чтобы доказать: квантовая теория в том виде, как она развивалась и интерпретировалась Бором и его коллегами в Копенгагене, не может охватить всю физическую реальность. Так было формально введено понятие «запутанности» в физику[270], и эта концепция с тех пор все время тревожила физиков.

Оригинальная аргументация ЭПР включает положение и момент двух частиц, но доводы более ясные, если их применить к системе с двумя состояниями, подобными спину у электрона. Как мы видели в эксперименте Штерна-Герлаха (глава б), можно использовать магнитное поле, чтобы разделить пучок электронов на две группы: одну – со спином «вверх» (вдоль магнитного поля) и другую – со спином, указывающим «вниз» (противоположно направлено к полю).

Однако ориентация магнита Штерна-Герлаха – это вопрос договоренности: «верх» и «низ» не считаются хорошо определенными направлениями в пространстве, и вы можете прекрасно положить аппарат набок и получить тот же основной результат: половина электронов будет с «левыми спинами», а половина – с «правыми спинами». Если вы начнете со случайным набором электронов и случайно выбранным направлением магнитного поля, вы всегда получите две группы. Если вы выберете одну из групп и повторите измерения, пропустив их через то же самое магнитное поле второй раз, результат останется точно таким же: все электроны со спинами вверх останутся спинами вверх (или спинами влево – останутся спинами влево), и наоборот.