Нелокальность. Феномен, меняющий представление о пространстве и времени, и его значение для черных дыр, Большого взрыва и теорий всего - Джордж Массер

«Квантовая механика была зачата во грехе», — говорит историк и философ Артур Файн из Вашингтонского университета. Если физики в телесериалах, таких как «Теория большого взрыва», показаны забавными чудаками, то отцы-основатели квантовой механики были эпическими фигурами, часто с измученными душами. Некоторые из них боролись с депрессией; один совершил самоубийство. Другой жил с женой и любовницей под одной крышей. Третий присоединился к нацистским штурмовикам. Они не гнушались извращением доводов конкурентов, чтобы добиться своего. Они признавали, что не знали, что делают, в половине случаев. При таком начале стоит ли удивляться, что споры не утихают до сих пор?

Эйнштейн был центральной фигурой в этой сумасшедшей драме. В учебниках его вклад в квантовую механику обычно сводится к единственному открытию, известному как фотоэффект, за который он получил Нобелевскую премию в 1921 г. Но его можно справедливо назвать отцом теории, и в течение десятилетия он фактически был единственным, кто верил в нее. Его цель сначала состояла в том, чтобы понять природу света. Начиная с Демокрита, затем при Аристотеле, Ньютоне и Томасе Юнге теоретики метались между представлением о свете как о волне и как о частице. В начатой в 1905 г. серии статей Эйнштейн уладил этот вопрос: свет является и тем и другим. Это звучит так же странно, как и мясник-вегетарианец. Как может свет быть одновременно распределен по гладкой волне и упакован в локализованные сгустки энергии?

Если отбросить очевидную несовместимость в терминах, двойственный характер света создал определенную проблему: он противоречил принципу локальности. Если бы свет был либо частицей, либо волной, было бы не о чем беспокоиться. Частицы скачут повсюду и взаимодействуют путем прямого контакта или, может быть, благодаря близкодействующим силам; волны распространяются через среду или поле в непрерывном движении. Атомисты выступали за частицы, сторонники теории полей были в восторге от волн, но все сходились в том, что свет локален. Но когда он ведет себя и как волна, и как частица, нелокальность кажется неизбежной. Причина состоит в том, что для сочетания этих двух видов поведения требуется высокая степень координации в пространстве. Эйнштейн и другие теоретики не сразу осознали эту нелокальность. Они считали локальность мира само собой разумеющейся; действительно, на их взгляд, реабилитация локальности была самым большим уроком физики XIX в., воплощенным в теории относительности. Но нелокальность прокралась в их сознание, когда они попытались и не смогли совместить двойственное поведение света с одной из старых теорий.

Например, предположим, что свет — это все-таки волна, но производит впечатление, что он частица, поскольку атомы поглощают энергию волны дискретными порциями. Большинство современников Эйнштейна приняло это описание. Но Эйнштейн очень рано увидел, что это противоречит тому, что физик Джон Крамер из Вашингтонского университета назвал «парадоксом пузыря». Волна распространялась бы от источника, как раздувающийся пузырь. Когда она достигает атома, пузырь лопается: волна разрушается и концентрирует всю свою энергию в одном месте, как морская волна, врывающаяся в узкую бухту. К тому моменту пузырь может быть огромным — разрушение волны внезапно произошло бы в обширной области пространства. Как удаленные друг от друга части пузыря узнали бы, что они должны прекратить распространяться дальше? Здесь должен быть задействован какой-то таинственный нелокальный эффект.

Другой вариант: предположим, что свет — это все-таки частица. Если свет иногда и похож на волну, то только потому, что частицы колеблются в унисон, как зрители, исполняющие «волну» на стадионе. Таково было изначальное интуитивное ощущение Эйнштейна. Но он быстро понял, что это должно противоречить наблюдениям. Частицы света, существующие независимо, могли объяснить коротковолновую часть светового спектра, но не длинноволновую. В случае длинных волн частицы не могут быть независимыми; какое-то внешнее влияние должно было бы заставить их колебаться в унисон.

В качестве третьего варианта Эйнштейн предположил, что у света может быть два отдельных компонента: один компонент может быть частицей, а другой — волной, и каждый из них подчиняется принципу локальности. Частицы переносят излучаемую энергию, в то время как призрачное «направляющее поле», не обладающее собственной энергией, переносит частицы подобно тому, как волна в океане переносит серфингиста. Бор тоже рассматривал одну из версий этой идеи. Однако двухкомпонентная теория света работала не так, как было задумано. Чтобы сохранять полную энергию частиц постоянной, направляющее поле не могло вести каждую частицу по отдельности — если бы оно подтолкнуло одну частицу посильнее, то должно было бы замедлить какую-то другую частицу для сохранения баланса. Таким образом, волна должна действовать всюду сразу, т.е. она обязана быть нелокальной.

Все доступные способы объяснения двойственного характера света так или иначе требовали наличия нелокальности. Существование мясника-вегетарианца выглядело странным. А теперь у физиков имелся мясник-вегетарианец, который был еще и волшебником. Ни Эйнштейн, ни кто-либо из его коллег не думал, что нелокальность действительно могла существовать, однако это казалось неизбежным. Бор писал коллеге, что в сердце атома происходит что-то подозрительное, что-то «представляющее трудность для нашего привычного пространственно-временного описания природы». Чтобы почувствовать, насколько странным казалось Эйнштейну поведение света, задумайтесь о том, что он сделал с целью отдыха от этих размышлений: он создал общую теорию относительности. Это примерно так же, как в качестве отдыха от мирных переговоров на Ближнем Востоке изобрести лекарство от рака.