Эксперимент ЭПР и взаимно дополнительные парадигмы в физике

Со времени публикации знаменитой статьи Эйнштейна, Подольского и Розена (1935) их мысленный эксперимент, иллюстрирующий проблемы совместимости квантовой теории и релятивизма, оброс толстым слоем околонаучных спекуляций. Вопрос, конечно, не из простых. Есть многочисленные релятивистские теории квантовых систем, и некоторые из них позволяют делать весьма точные предсказания. Но до логически последовательного объединения квантовых и релятивистских идей нам еще далеко. Чтобы хоть как-то продвигаться вперед, мы отодвигаем сомнения в сторону, заметаем концептуальный мусор под ковер, — всецело полагаясь на оправдание задним числом, на сравнение расчетных параметров с экспериментом. Разумеется, для полуэмпирической теории такой подход в порядке вещей, — но если заходит речь о фундаментальной науке, желательно подвести феноменологическое разнообразие под единую концепцию таким образом, чтобы на выходе иметь еще и формальные критерии применимости.

Довольно скоро дискуссии вокруг эксперимента ЭПР вышли за рамки сугубо физической проблемы и породили море общефилософских споров о методологии науки и взаимосвязи материи и сознания. Многочисленные популяризаторы преподносят широкой публике чуждые всякой физике интерпретации, пропитанные политическими устремлениями и классовой идеологией, — так что становится затруднительно вернуться к продуктивной физической постановке вопроса.

Вот небольшая коллекция ходячих предрассудков по поводу эксперимента ЭПР и взаимосвязи квантовой и релятивистской парадигм.

Предрассудок 1: Классическая механика отличается как от теории относительности, так и квантовой механики тем, что она считает физические системы независимыми от наблюдателя и описывает их абсолютным образом.

Это, очевидно, не так. Ни одна наука не имеет дело с вещами самими по себе — все, с чем мы имеем дело, так или иначе включено в человеческую деятельность. Вырабатываемые наукой формальные структуры — отражение того, как мы обычно действуем, и любая теория говорит о чем-то в природе лишь поскольку оно вовлечено в культурные процессы, и прежде всего, в промышленность и сельское хозяйство. Научное понятие — это концентрированное выражение схемы деятельности, что и определяет область его применимости. Следовательно, научная теория будет неизбежно опираться на какое-то представление о субъекте деятельности. Модель субъекта в классической механике отождествляет его с системой отсчета. Принцип относительности в галилеевой формулировке гласит, что все инерциальные системы отсчета эквивалентны в смысле неизменности общей картины динамики, которая здесь полностью задана такими величинами как масса, ускорение и сила. Наблюдатели, движущиеся друг относительно друга с постоянной скоростью обнаружат тот же набор взаимодействий (хотя кинематически движение в разных системах отсчета может выглядеть весьма различно). Это означает, что каждый наблюдатель должен быть достаточно большим, чтобы уметь сопоставлять разные точки пространства в один и тот же момент времени; иначе говоря, наблюдатель может зафиксировать состояние всех объектов в рамках его системы отсчета "с одного взгляда". С другой стороны, классический наблюдатель не настолько велик, чтобы детали строения исследуемой системы (индивидуальные тела и их движения) становились неразличимыми. То есть, размеры классического наблюдателя, грубо говоря, сопоставимы с размерами физической системы.

То же самое можно представить и по-другому: система отсчета трактуется как континуум наблюдателей, размещенных во всех точках пространства, — при условии, что обмен сообщениями между наблюдателями намного быстрее типичных скоростей и характерных времен взаимодействия наблюдаемых физических тел, равно как и скоростей относительного движения различных систем отсчета. В динамическом аспекте, предполагается, что никакие наблюдения не нарушают собственных движений физических тел; в другой терминологии, передача энергии от наблюдателя системе и обратно всегда незначительна по сравнению с энергетическими потоками внутри системы.

В теории относительности наблюдатель гораздо миниатюрнее: его размеры, скорее, сопоставимы с размерами составляющих физическую систему тел, а не с размерами системы в целом. Или, что то же самое, интенсивность общения разных наблюдателей сопоставима со скоростями внутри системы.

Размеры квантового наблюдателя, напротив, очень велики, намного больше наблюдаемой системы; в результате тонкие детали движения теряются, они принципиально (а не только формально, как в классической статистике) неразличимы. Такой глобальный наблюдатель может воздействовать на систему только помещая ее в определенные (макроскопические) условия — но никак не за счет взаимодействия с одной из ее частей.

Итак, классическая механика отличается от релятивистской или квантовой лишь принятой моделью наблюдателя. Однако есть и общее: во всех случаях предполагается, что наблюдение не нарушает характера движения физической системы, что энергетический обмен между системой и наблюдателем пренебрежимо мал по сравнению с энергетикой процессов внутри системы. Иначе просто не было бы собственно физического измерения и физической науки. Внутренне согласованным физическое описание природы становится, если наблюдатель принципиально не отличается от любой другой физической системы — а для этого надо ввести наблюдателя в контекст теории как определимую в ее собственных терминах связь. В частности, нет никакой нужды в предположениях, скажем, о сознательном характере действий наблюдателя, или его экономическом положении — эти аспекты всецело относятся к ведению психологии или экономики, соответственно. Это никоим образом не запрещает формальные аналогии: например, марксизм требует учитывать в исторической науке социальные корни историка — это вполне подобно смене парадигм при переходе от классической к релятивистской физике.

Предрассудок 2: Разные физические парадигмы можно считать частями более общей теории.

Это утверждение обычно связывают с пресловутым принципом соответствия, требующим, чтобы новые теории включали в себя старые как предельные случаи. Однако есть существенная разница. Возможны взаимно дополнительные описания одной и той же физической системы, относящиеся к не связанным между собой сторонам ее поведения; такие "параллельные" теории могут развиваться относительно независимо друг от друга. Например, термодинамическая картина качественно отлична от кинетической теории, и одно не выводится из другого без концептуальных натяжек и скрытых логических кругов. Принцип соответствия говорит лишь о теориях одного класса — и вполне может нарушаться при освоении неожиданных проявлений чего-то вполне привычного.

Можно на практике считать такие независимые парадигмы разными теориями, хотя бы они относились к той же категории наблюдаемых вещей. Другими словами, сама идея объекта предполагает не только материальную основу, но и определенное отношение к субъекту, выделяющее одно из возможных внешних проявлений, так что физическая система, взятая в ином отношении, — это другой физический объект. В этом контексте, любая модель, соединяющая различные парадигмы, будет развиваться в особую теорию — которую в каких-то случаях можно считать более фундаментальной.

Иерархия парадигм в науке отражает разнообразие наших повседневных дел и объективно различные типы организации деятельности. Развитие культуры, как правило, ведет к широкой унификации, и то, что ранее выделялось в особую профессию, каждый теперь делает мимоходом, в рамках другой задачи. В частности, всеобщая компьютеризация вводит еще один уровень опосредования на пути от идеи к ее воплощению: поскольку управление производством сводится к управлению компьютерами, единообразие принципов позволяет рядовому пользователю в несколько щелчков мыши сделать то, что раньше потребовало бы согласованных действий команды высококвалифицированных специалистов. Да, это работает только для относительно простых, повторяющихся ситуаций; но по мере появления общедоступных универсальных орудий границы между неквалифицированной и профессиональной работой сдвигается, что приводит и к перестройке профессионального образования. Например, всякий может легко построить страницу интернет-сайта с использованием какого-то из многочисленных средств разработки в HTML, или даже напрямую генерировать ее из обычного офисного документа. Промышленная разработка, как правило, опирается на одну из универсальных платформ — так что разработчику требуется лишь минимум сведений о базовых технологиях. Однако для более тонкой оптимизации нужно знать и языки программирования, и особенности их реализации в разных системах. Аналогично, общая физическая теория может вбирать в себя частные знания, что позволяет иногда получать значимые результаты простыми и элегантными способами, — но это не отменяет необходимости разработки специализированных моделей для некоторых предметных областей: считать такие модели частными случаями фундаментальной теории можно лишь условно — и они никоим образом не конкурируют друг с другом и не обязаны быть совместимы. В качестве иллюстрации: балетная техника и бальные танцы используют одни и те же принципы динамики человеческого тела — однако хороший балетный танцор не сравнится с бальником-профессионалом, и наоборот, первоклассные бальные танцоры никак не уместны в балете.

Предрассудок 3: Релятивизм запрещает синхронизацию событий, разделенных пространственноподобным интервалом.

В популярной литературе это утверждение часто формулируют более жестко: не бывает синхронных процессов на больших расстояниях. Эта вульгарная интерпретация — очевидный абсурд, поскольку, если две материальные точки начинают разбегаться друг от друга из единого центра, расстояние между ними в конце концов станет очень большим — но интервал все равно остается времениподобным, поскольку относительные скорости меньше скорости света; такое разбегание навсегда сохраняет изначальную синхронизацию (если, конечно, не вмешиваются независимые локальные взаимодействия). В частности, движение двух частиц, о которых идет речь в мысленном эксперименте ЭПР, неизбежно коррелировано. В качестве типичного примера можно также взять сферическую волну, в которой фазы остаются синхронизированными на любых расстояниях в любой момент времени.

Однако никому не возбраняется ввести в релятивистскую теорию и синхронизацию на пространственноподобных интервалах: если корреляция установилась в одной системе отсчета, она, согласно принципу относительности, сохранится и в любой другой. С этим обстоятельством связана сама возможность осмысленного определения системы отсчета: предполагается, что в каждой системе отсчета часы уже синхронизированы во всем пространстве-времени, включая пространственноподобные интервалы. Плоская волна, вероятно, самый распространенный объект в релятивистской теории поля: по сути дела, это просто выраженное другими словами условие корреляции фаз (в том числе и вне светового конуса). Именно принципиальная нелокальность плоской волны делает ее полезнейшим инструментом квантовой теории поля, обеспечивает ковариантное описание квантовых состояний.

Ясно, что плоская волна может быть испущена только бесконечным источником, что выводит нас за рамки последовательного релятивизма. Любые локальные события (а другие мы формально рассматривать не имеем права) порождают лишь сферические волны — а никак не плоские. В учебниках физики часто отождествляют плоскую волну с очень маленьким участком сферической волны, вдалеке от источника. Такое приближение возможно только в нерелятивистском пределе — и не может оправдать использование плоских (или сходящихся сферических) волн в релятивистских теориях поля. Эклектическое привнесение нелокальности в локальную теорию приводит ко всевозможным концептуальным и формальным трудностям; перенормируемые (а с другими мы просто избегаем иметь дело) сингулярности — типичный пример. Тем не менее, само по себе существование нелокальных объектов не противоречит теории относительности: пока они не связаны с какими-либо физическими взаимодействиями, их ковариантное описание вполне возможно.

Предрассудок 4: В квантовой механике возможны независимые измерения.

Это чисто логическое противоречие: поскольку квантовый наблюдатель занимает все вообще пространство, любые два измерения неизбежно окажутся связанными. Однако перенос энергии от наблюдателя к системе можно минимизировать, если наблюдатель взаимодействует с объектом наблюдения не напрямую, а через особые макроскопические системы, которые зондируют исследуемую систему "стандартным" образом. Обычно речь идет о экспериментах типа рассеяния, так что наблюдатель контролирует лишь состояния "снарядов" и продуктов рассеяния на очень больших (макроскопических) расстояниях от системы-мишени (области взаимодействия). Влияние частиц-зондов на физику мишени можно минимизировать, сделать незначительным по сравнению с внутренними взаимодействиями (или, по крайней мере, ограничить имеющиеся возможности классически перечислимым образом). Наблюдатель ловит продукты реакции "на бесконечности", и мы считаем, что это слишком далеко, чтобы отражаться на процессах внутри системы. Предположение очень сильное — оно заведомо не проходит для глобально синхронизированных процессов, когда наблюдатель не волен выбирать возможные типы асимптотического поведения; тем не менее, модель "асимптотического" наблюдателя остается одним из краеугольных камней квантовой теории.

Обращаясь к взаимоотношениям квантовой механики и теории относительности, заметим, что разлетающиеся частицы в экспериментах типа ЭПР остаются всегда коррелированными, пока речь идет об одном и том же наблюдателе. А для этого требуется, чтобы измерения производились "адиабатически", так что время измерения намного больше характерных времен релаксации внутри системы. Вспомним аналогичные выводы о невозможности существования абсолютно жестких тел в теории относительности. Как только времена измерений оказываются сопоставимыми с темпом внутренних часов системы, соответствующие им переданные энергии уничтожат возможность совместных независимых измерений в пространственно разнесенных точках. Но если разбегающиеся частицы детектируют разные наблюдатели, сопоставление результатов требует дополнительных процедур — и дополнительного времени, что приведет к значительным поправкам при интерпретации результатов эксперимента.

Предрассудок 5: Эксперименты типа ЭПР могут стать решающим доводом в пользу справедливости нелокальной (квантовомеханической) парадигмы, указать на ограниченность локальных теорий, включая теорию относительности.

Из уже сказанного ясно, что это не так. Допустим, что возможные эксперименты будут либо локальными (а значит, совместимыми с классической динамикой), либо существенно нелокальными (квантовыми). В первом случае никакое измерение состояния одной из испущенных частиц не может влиять на состояние другой, и установление каких угодно корреляций требует особой деятельности, перестройки эксперимента. С другой стороны, чтобы поставить квантовый эксперимент, мы вынуждены оставаться в адиабатических пределах, так что частицы должны эффективно оставаться в той же точке — интервал между ними тождественно равен нулю. В квантовой физике нет самостоятельных частиц, которые можно было бы разглядывать по отдельности, — есть только единая система двух частиц, плюс какие-то иные объекты, представляющие здесь интерференцию с наблюдателем.

Если в локальной постановке какие-то измерения оказываются коррелированными, это лишь означает, система была соответствующим образом приготовлена, то есть, глобальные корреляции ранее привнесены каким-то нелокальным образом, после чего они сохраняются во всех системах отсчета. Но идея "приготовления" исследуемых систем — это то, на чем держится вся вообще квантовая идеология, где наблюдатель существенно вовлечен в физическое движение. Формально это означает исключение ряда кинематических переменных путем наложения разного рода связей (включая изначально предполагаемые симметрии — и соответствующие им законы сохранения). Таким образом, в экспериментах типа ЭПР мы никогда не имеем дела с двумя независимыми частицами, состояние которых возможно было бы описать их координатами и импульсами (с точностью до канонического преобразования) — реально речь идет об одной частице. Следовательно, нет никаких корреляционных эффектов, нарушающих принцип локальности, — и отсутствует постановка проблемы. Ничего удивительного в том, что фазы внутри одной волны взаимосвязаны. Чтобы говорить о существенном релятивизме, придется сопоставлять друг с другом независимых (разделенных пространственноподобным интервалом) наблюдателей: но такие наблюдатели не могут обмениваться результатами своих наблюдений, и снимаются ограничения на совместное измерение координат и импульсов, в духе принципа неопределенности.

Предрассудок 6: Теорема Белла указывает на возможность экспериментально отвергнуть теории со скрытыми переменными и подтвердить справедливость квантовой механики.

Теорема Белла и ее альтернативные варианты (вроде CHSH), как и другие формальные результаты в науке, основана на весьма частной модели, и любые выводы могут относиться только к этой конкретной модели, никоим образом не затрагивая основополагающих принципов. Скрытые переменные (или иные классические модели для описания квантового эксперимента) можно определять по-разному, и никакая теорема не позволяет судить обо всех этих возможностях сразу. Даже если допустить, что какие-то эксперименты определенно говорят о нарушении неравенств Белла (или CHSH), это может быть связано лишь с логикой вывода и, возможно, адекватностью интерпретации. Если при этом какие-то другие результаты успешно вписываются в формальные пределы, это не может ни доказать правильность классической модели, ни указать на неполноту квантовой механики; мы имеем право лишь подозревать непоследовательности в постановке эксперимента, несоблюдение квантовомеханической схемы. Философия говорит нам, что мир не настолько примитивен, чтобы со временем не обнаружились бесчисленные варианты ситуаций, требующих чего-то промежуточного между классическим и квантовым подходом: так сказать, "выше" классической механики — но "ниже" квантовой.

Неравенства в духе Белла — частный случай условий применимости, которые обязательно возникают в каждой сколько-нибудь развитой физической теории, независимо от степени ее общности. Такие условия формулируются для какой угодно модели: от метода наложения конфигураций в теории автоионизации в атомах и ионах — до общей теории относительности или космологии. Важно, что такие условия выводятся средствами самой теории, внутри нее. Попытка оправдать одну теорию путем сравнения с другой — логическая ошибка: при соблюдении логической последовательности, мы должны были бы заключить, что получаемые таким способом выводы не относятся ни к одной из сопоставляемых теорий, а, скорее, говорят о какой-то третьей теории, справедливой в пограничной области.

Предрассудок 7: Квантовая механика нуждается в интерпретации.

С самого зарождения квантовая механика стала предметом философских спекуляций. Многие пытались "перевести" ее язык обыденных представлений или метафизический жаргон, объяснить ее "странности" чем-то еще. Один из популярнейших проектов такого рода, копенгагенская интерпретация, представляет лагерь "мистиков", допуская, что сознание может играть решающую роль в квантовом измерении, приводить к "редукции" квантовых состояний или "квантовому коллапсу". Поскольку приверженцы копенгагенской школы не имеют ни малейшего представления, о том, что такое сознание, — открывается широчайшее поле для идеалистических откровений, перерастающих в отрицание всякой возможности познания.

Другая, более продуктивная группа интерпретаций предлагает ряд в какой-то мере физических моделей для иллюстрации вероятностного характера квантовой механики, объяснения нелокальных корреляций, принципов дополнительности или неопределенности. Здесь можно упомянуть теории со скрытыми параметрами, полуклассические интерпретации, принцип множественности миров, теории опережающего действия или транзакционные модели. Однако эти и им подобные интерпретации, по большому счету, не имеют отношения к типовым задачам квантовой физики или теории относительности, и практические приложения в них не нуждаются. Тем не менее, такие изыскания полезны в качестве одной из форм творчества в теоретической физике, и в конечном итоге способствуют поиску новых парадигм для иных предметных областей, где недостаточно ни квантовой картины, ни релятивизма.

Как собственно физические модели, ни квантовая механика, ни теория относительности не требуют никаких интерпретаций. Наоборот, именно фундаментальные теории служат средством интерпретации результатов наблюдения или эксперимента, направляют развитие частных теорий для конкретных предметных областей. Говорить о "неполноте" квантовой или иной теории — чисто логическая ошибка. Они не для того созданы. Наука по самой своей сути аналитична: ее дело представить любую вещь с самых разных сторон, раскрывающих взаимно дополнительные (а следовательно, несводимые друг к другу) черты одного и того же. Поскольку таких точек зрения (практических приложений) может быть сколько угодно, всегда есть место для еще одной парадигмы.

Предрассудок 8: Физика может объяснять жизнь или человеческое сознание.

Ничего подобного. Живое не сводится к одним лишь химическим или физическим процессам, а сознание нельзя вывести из физики или биологии. Пытаться постичь природу разума на основе изучения движения частиц и полей в мозгу — глупая наивность. Физический эксперимент поставляет только физические данные — и ничего сверх того. Эти данные можно интерпретировать в терминах физики — а иначе это уже не физика. И даже если требуется учесть воздействие разумных существ ("наблюдателей") на физическую систему, сделано это должно быть в рамках физики, в ее предметной сфере. Знания о жизни или сознании требуют особым образом организованного эксперимента, в соответствии с указаниями теорий того же уровня. Любой использование физической терминологии в таких ситуациях может быть, разве что, метафорическим.

Это никоим образом не означает неприменимости формальных моделей, построенных для описания каких-то областей физического мира, в науках о чем-то вне физики. В частности, вполне возможно говорить о психологических явлениях как если бы они подчинялись законам классической механики, квантовой физики или теории относительности, — но только при условии собственно психологической интерпретации всех без исключения параметров модели, не допуская смешения физического и психологического уровней. Мысль не имеет массы в физическом понимании — однако вполне законно говорить о психологической инерции как сугубо психическом явлении. Точно так же, психологическая динамика связана с переплетением человеческих мотивов, а вовсе не с балансом физических сил. Формальное сходство не означает одинаковости содержания.

Применимость одной и той же формальной схемы в разных науках прежде всего связана с общностью культурно установленных способов деятельности. Такое сходство не лежит на поверхности, его бывает трудно усмотреть. Так, массы на веревочке, электрический ток или вращение планет вокруг звезды — могут показаться совершенно разными, ничего общего не имеющими явлениями; однако все они оказываются в какой-то степени представимы моделью гармонического осциллятора. При всем при том, планеты обегают звезду вовсе не так, как электроны дрейфуют в проводе. Различные природные процессы иногда весьма сходны по внешним проявлениям — и это прямое следствие их необходимости в единстве человеческой деятельности.