Александр Печенкин
|
|
Нобелевский лауреат по физике (2020) Роджер Пенроуз в 2023 году принял участие в Парижской конференции по философским проблемам квантовой механики. Фото Reuters |
В 1925 году молодой немецкий физик Вернер Гейзенберг опубликовал статью «О квантово-теоретической переинтерпретации (Umdeutung) классических кинематических и механических соотношений». В ней Гейзенберг сформулировал ряд исходных позиций новой квантовой теории, пришедшей на смену старой наглядной квантовой теории Бора–Зоммерфельда, генетически связанной с планетарной электронно-ядерной моделью атома (русский перевод статьи В. Гейзенберга опубликован в журнале «Успехи физических наук», т. 122, вып. 4, 1977, с. 574–586).
Гейзенберг в своей статье не решал новых задач. Он логически последовательно излагал уже полученные результаты, касающиеся атомных спектров и теории дисперсии, в которую он сам в своих работах 1924 года внес вклад.
За статьей Гейзенберга последовала статья двух немецких физиков и математиков – Макса Борна и Паскуаля Иордана. В этой работе математический аппарат Гейзенберга был изложен на базе математики матриц (теория Гейзенберга–Борна–Иордана получила название матричной механики). Ничего удивительного, что за статьей Борна и Иордана в 1926 году последовала статья, впоследствии получившая известность как «статья трех авторов» – Борна, Гейзенберга и Иордана, в которой систематически излагалась матричная формулировка квантовой механики.
Альтернативную формулировку квантовой механики (волновую формулировку) опубликовал в 1926 году австрийский физик-теоретик Эрвин Шрёдингер. Он же показал эквивалентность (или, как отметил историк и философ науки Н.Р. Хэнсон, «взаимопереводимость») матричной и волновой формулировок квантовой механики. Квантовую механику как единую теорию изложил английский физик-теоретик Поль Дирак в книге «Принципы квантовой механики» (1930), а затем Иоганн фон Нейман (1932), преодолевший некоторые логические непоследовательности, имевшиеся у Дирака, и развивший квантовую теорию измерений. «Заслуга автора, – писал редактор русского издания книги фон Неймана физик, академик Николай Боголюбов, – состоит в том, что он придал квантовой механике логически последовательную форму, излагая ее как последовательную теорию, в которой не остается невыясненным ни один принципиальный момент» (И. фон Нейман. Математические основы квантовой механики, М., 1964, с. 13).
Затем наступила эра решения задач и издания учебников. Интересно, однако, что в связи с формулированием и развитием квантовой механики возникли философские дискуссии, продолжающиеся по сей день. Об этом свидетельствует, в частности, «Оксфордская книга квантовых интерпретаций», изданная в 2022 году, и состоявшаяся в 2023 году в Париже конференция по философским проблемам квантовой механики. В конференции приняли участие два нобелевских лауреата: французский физик Ален Аспе (Нобелевская премия по физике 2022 года) и английский математик и физик Роджер Пенроуз (Нобелевская премия по физике 2020 года).
Центральной философской проблемой, вокруг которой разворачивались философские дискуссии, касающиеся квантовой механики, оказалась проблема реальности: представляет ли квантовая механика существенные свойства объективно существующей реальности или же это расчетная схема, позволяющая получать полезные результаты, предсказывать те или иные явления?
Дискуссии начались уже в конце 1920-х годов. В 1927 году Вернер Гейзенберг, автор первой статьи по современной квантовой механике, вывел соотношение неопределенностей, устанавливающее предел точности измерения координаты и импульса микрочастицы. Из соотношения неопределенностей следовало, что классическое понятие траектории неприменимо в квантовой механике.
Однако какова реальная картина мира? Соотношение неопределенностей устанавливает пределы возможности наших измерений или сама реальность такова, что в ней нет той определенности в отношении координаты и импульса частицы, которая предполагается классической физикой?
Существует огромная литература, посвященная дискуссиям об основаниях квантовой механики. Однако в связи с выводом неравенства Белла надо упомянуть прежде всего дискуссию между двумя физиками, внесшими вклад в формулирование квантовой механики, – дискуссию между Альбертом Эйнштейном и Нильсом Бором.
В 1935 году Эйнштейн с соавторами (Подольский, Розен) сформулировал свое точное понятие физической реальности, то есть реальности, которая должна быть представлена в физической теории, если последняя является полной. Если мы можем однозначно предсказать (рассчитать) значение некоторой физической величины, писал Эйнштейн с соавторами, то существует элемент реальности, выраженный данной физической величиной. Полной является физическая теория, в которой представлены все элементы физической реальности, относящиеся к области приложения этой теории. Эйнштейн и его соавторы провели мысленный эксперимент, показывающий, что квантовая механика неполна: в ней не представлены все элементы физической реальности, относящиеся к сфере приложения данной теории.
В чем состоял этот эксперимент. Воспроизведем то переложение этого мысленного эксперимента, которое дали Дэвид Бом и Якир Ааронов в 1957 году (Д. Бом – физик, написавший учебник по квантовой механике и интенсивно занимавшийся проблемой интерпретации этой теории, Ааронов – его ученик). Эксперимент Бома–Ааронова нагляден.
Пусть в нашем распоряжении находится пара электронов с противоположными спинами (спин – собственный момент количества движения элементарной частицы, но для нас достаточно приписать каждому из электронов этой пары стрелки: одну, направленную вверх, и одну, направленную вниз). Заметим, что спин можно измерить при помощи прибора Штерна–Герлаха, описанного в «Фейнмановских лекциях по физике», вып. 9 («Фейнмановские лекции» – известный учебник, вполне корректный, но не такой сложный, как, скажем, курс советских физиков Льва Ландау и Евгения Лифшица).
Согласно законам квантовой механики, электроны, входящие в состав пары электронов, должны иметь противоположные спины.
Пусть один из электронов этой пары остался у нас под руками (скажем, в Берлине), а второй был отправлен куда-то (скажем, в Мюнхен, а мы сами в Берлине). Проведя через час опыт в Берлине, мы нашли, что находящийся в нашем распоряжении электрон имеет спин, направленный вверх.
Проводя измерение спина в Берлине, мы разрушили электронную пару. У нас теперь нет электронной пары. Есть два электрона: в Берлине спин электрона направлен вверх, в Мюнхене же находится электрон, обладающий спином, направленным вниз.
А что было полчаса назад? Ведь мы не оказывали никакого воздействия на электрон, находящийся в Мюнхене. Следовательно, и полчаса назад спин электрона, находящегося в Мюнхене, тоже был направлен вниз. Но в аппарате квантовой механики это никак не представлено. Согласно аппарату этой теории, полчаса назад существовала электронная пара, в которой спин одного электрона (неизвестно какого) был направлен вверх, а спин другого электрона (неизвестно какого) был направлен вниз.
Датчанин Нильс Бор ответил на аргумент Эйнштейна–Подольского–Розена в том же 1935 году. Он не согласился с эйнштейновским определением физической реальности. Согласно Бору, реальным надо считать не только то, что предсказуемо (вычисляемо, выводимо), но и то, что измеряемо (определяемо на опыте). Реальность имеет операциональный аспект. Полчаса до измерения, проведенного в Берлине, у нас не было возможности определить спин электрона, находящегося в Мюнхене. Согласно условиям мысленного эксперимента, предложенного Эйнштейном и его соавторами, такая возможность у нас появилась только через час после того, как мы разделили электрону пару, сформированную в Берлине, и один из электронов отправили в Мюнхен.
Дискуссия между Эйнштейном, теми, кто его поддерживал и сейчас поддерживает, с одной стороны, и сторонниками позиции Бора, с другой, продолжается по сей день. Однако неравенство Белла внесло новый элемент в эту дискуссию.
Неравенство Белла представляет позицию Эйнштейна и его соавторов в точной математической форме, открытой экспериментальной проверке. И эта проверка началась, и она была не в пользу Эйнштейна и тех, кто настаивал на неполноте квантовой механики.
Выше было упомянуто совещание по философским проблемам квантовой механики, состоявшееся в прошлом году в Париже, и упомянуты два нобелевских лауреата, участвовавшие в этом совещании. Один из них, А. Аспе, получил Нобелевскую премию за свои эксперименты (1980-е годы), опровергающие неравенство Белла и тем самым подтверждающие полноту квантовой механики, подтверждающие позицию Бора.
Джон Белл также выдвигался в 1960 году на Нобелевскую премию, но выдвижение было отозвано, поскольку он умер в этом году, а Нобелевская премия не дается посмертно. Статья Дж. Белла и ее русский перевод напечатаны в журнале «Квантовая магия» (т. 5, вып. 2, 2008, с. 2160–2177).
