Квантовый мир Эйнштейна, населенный демонами
В ноябре 1915 года Альберт Эйнштейн представил сбитым с толку прусскую Академию наук в Берлине свою общую теорию относительности, теорию, которая произвела революцию в нашем представлении о Вселенной.
Теория Эйнштейна переосмыслила идею гравитации совершенно новым способом, глубоко отличным от принятой тогда теории, созданной Исааком Ньютоном в 1686 году. Теория Ньютона прекрасно описала множество гравитационных явлений, от орбит планет и комет вокруг Солнца до приливы и сжатие Земли. (Земля представляет собой сплюснутый сфероид, то есть слегка сплющенный на полюсах.) Ракетные инженеры до сих пор используют теорию Ньютона для расчета своих путей к другим мирам Солнечной системы. Теория начинает терпеть неудачу только тогда, когда гравитационные силы чрезвычайно сильны, вдали от нашей повседневной жизни. Но его предпосылка, как обнаружил Эйнштейн, хотя и является превосходным приближением, в корне неверна.
Экзорцизм ньютоновской гравитации
В основе теории Ньютона лежит понятие «действия на расстоянии», предположение, что любые два массивных объекта будут притягиваться друг к другу гравитационно мгновенно и без какого-либо прямого воздействия друг на друга. Итак, солнце тянет за собой Землю и вас, не касаясь ни того, ни другого. (Между прочим, вы тоже дергаете их обоих.) И это происходит с бесконечной скоростью (отсюда и мгновенной). Когда люди спрашивали Ньютона, как что-то может воздействовать на что-то другое, не касаясь его, его ответ стал классическим: «Но до сих пор мне не удавалось обнаружить причину этих свойств гравитации на основе явлений, и я не выдвигаю никаких гипотез». Очень разумно Ньютон решил не строить предположений, учитывая, что у него не было данных, которые помогли бы ему в любом случае.
Эйнштейн этого не допустил. Согласно его специальной теории относительности 1905 года, ничто не могло двигаться быстрее скорости света, даже гравитация. Итак, возмущение гравитационной силы должно распространяться не более чем со скоростью света и никогда не быть мгновенным. Более того, приложив гравитационное притяжение к кривизне пространства, Эйнштейн также избавился от загадочного действия на расстоянии. Пространство было эластичным, и гравитация была реакцией на движение в этом эластичном пространстве, как у ребенка, у которого нет другого выбора, кроме как спуститься с горки.
Ни Ньютон, ни Эйнштейн, ни кто-либо еще не знает, почему материя притягивает материю. Но общая теория относительности Эйнштейна действительно изгнала призрачное действие Ньютона на расстоянии, превратив гравитацию в локальное и причинное взаимодействие. Все было в порядке, пока в игру не вошла квантовая механика.
Возвращение «жуткого действия на расстоянии»
Примерно в то же время, когда Эйнштейн избавлялся от призрака гравитации, квантовая механика находилась на подъеме. Среди множества странных форм поведения понятие квантовой суперпозиции действительно не поддается нашему воображению. В нашей повседневной жизни, когда вы находитесь в одном месте, вы находитесь именно там. Период. Не так для квантовых систем. Например, электрон — это не вещь в одном месте, а вещь во многих местах одновременно. Эта «пространственная суперпозиция» абсолютно необходима для описания квантовых систем. Как ни странно, уравнения описывают эту суперпозицию положений даже не как электрон как таковой, а как вероятность нахождения электрона здесь или там после измерения его положения. (Для экспертов вероятность — это квадрат амплитуд этих квантовых волн.) Итак, квантовая механика касается возможности чего-то найти здесь или там, а не того, где что-то находится все время. До тех пор, пока не будет измерения, представление о том, где что-то находится, не имеет смысла!
Эта неопределенность сводила Эйнштейна с ума. Это было прямо противоположно тому, что он обнаружил с помощью своей теории гравитации, а именно, что гравитация действует локально, определяя кривизну пространства в каждой точке, а также причинно, всегда со скоростью света. Эйнштейн считал, что природа должна быть разумной, поддающейся рациональному объяснению и предсказуемой. Квантовая механика должна быть ошибочной или, по крайней мере, неполной.
В 1935 году, через два десятилетия после своей статьи по общей теории относительности, Эйнштейн вместе с Борисом Подольским и Натаном Розеном написал статью, в которой пытались разоблачить безумие квантовой механики, назвав ее «жутким действием на расстоянии». (Заинтересованный читатель может узнать больше здесь.) Он провел остаток своей жизни, пытаясь изгнать квантового демона, но безуспешно.
Когда кто-то смотрит на квантовые системы с двумя частицами, скажем, двумя электронами в суперпозиции, так что теперь уравнения описывают их оба вместе, они находятся в запутанном состоянии, которое, кажется, противоречит всему, во что верил Эйнштейн. один электрон, скажем, его вращение, вы можете сказать, каков вращение другого электрона, даже не удосужившись его измерить. Что еще более странно, эта способность отличать одно от другого сохраняется на сколь угодно больших расстояниях и кажется мгновенной. Другими словами, квантовая жуткость бросает вызов как пространству, так и времени.