Квантовая Страна Чудес. Бор и Бом, невидимые миры и восточный мистицизм
Как уже упоминала в предыдущих постах, Эйнштейну не нравилась копенгагенская интерпретация квантовой теории. Его спор с Бором по этому вопросу продолжался более двадцати лет, заполнив страницы многих научных журналов; по его окончании большинство физиков признали победу Бора. (Любопытно, что весь этот "квантосрач" не помешал им всю жизнь оставаться хорошими друзьями). Тем не менее некоторые аргументы Эйнштейна продолжают беспокоить сообщество физиков и малочисленное меньшинство продолжает сомневаться: а не был ли отец теории относительности в чем-то прав? Любимая линия критики Эйнштейна основывалась на его заявлении, что квантовая механика в существовавшем тогда (и все еще существующем сейчас) виде может и не являться «законченной теорией» субатомного мира. Это означает, что Неопределенность квантовых уравнений - как бы полезны они ни были в привычных технологиях - оставляет вероятностную дыру, через которую однажды может войти новая квантовая теория. Другими словами, тот факт, что мы пока не можем избавиться от Неопределенности, не обязательно свидетельствует об ограниченных возможностях научного метода (как утверждал Бор) - неопределенность может просто свидетельствовать о «незавершенности» квантовой механики. В конце концов аргумент Эйнштейна вырос в гипотезу о существовании «скрытой переменной». Предположим, что однажды мы обнаружим переменные, на сегодня неизвестные, которые объяснят коллапс вектора состояния (о коллапсе вектора состояния на примере кота Шрёдингера см. предыдущий пост). Если это случится, копенгагенская интерпретация станет историей - вместе с трехзначной логикой фон Неймана ("да - нет - может быть"), моделью множественных миров и уродливым потомством Кота Шрёдингера и Друга Вигнера (см. пост с соответствующим названием).
Царство скрытых переменных - невидимый, субквантовый мир - если учёные когда-либо смогут изучить его в лаборатории, - объяснит, каким образом вектор состояния коллапсирует от вероятности до измерения к определенности после измерения. Тогда будет возможно сказать, что это сделали скрытые переменные , а не сам акт измерения или сообщение о нем, как в аргументе Вигнера. К сожалению, в модели скрытых переменных можно указать два основных недостатка.
Во-первых, теории скрытых переменных, по мнению современных ученых, «фальшиво звучат» и даже фальшиво пахнут. Они предполагают существование аристотелевских «сущностей», платоновских «глубоких реальностей» и других метафизических единиц-«призраков». У некоторых ученых они даже вызывают ассоциации со «скрытой сущностью Христа», которая, по утверждению католиков, содержится в том, что нашим чувствам и инструментам кажется всего лишь кусочком хлеба. Короче говоря, от этих теорий исходит явно средневековое зловоние. С более технической точки зрения, это возражение состоит в том, что скрытые переменные все еще остаются неопределенными и, похоже, могут остаться таковыми навсегда. Независимо от числа неудавшихся экспериментов по обнаружению скрытых переменных, непреклонные защитники этих призраков могут заявлять, что «до сих пор учёные искали не там, где надо». Этот путь ведет к нескончаемым философским дебатам, а не к научным действиям.
Второй аргумент против теории скрытых переменных кажется еще более весомым. На протяжении 100 лет физики использовали квантовую теорию в той или иной форме, на протяжении 80 лет - в ее (предположительно) законченной форме, и за это время не нашли ровным счетом ни одного доказательства существования скрытых переменных.
Эти доводы убедили физиков, или преобладающее большинство из них, отправить скрытые переменные, вместе с католическими «сущностями теориями светящегося эфира. Научное сообщество решило, что может обойтись без подобных призраков. Или так, по крайней мере, казалось, пока физик Д. Бом не предложил новый тест для теоремы Белла, а физик А. Аспект не провел этот тест несколько раз (О теореме Белла см. пост "Квантовая телепортация"). Почти все учёные соглашаются, что эксперименты Аспекта ясно продемонстрировали существование нелокальной корреляции. На модели Бома я остановлюсь подробно, т.к. следствия из неё, на мой взгляд, наиболее волнующие. Некоторые учёные заявляют, что эти эксперименты также проявили некую скрытую переменную. Другие энергично это отрицают. Д. Гриббин, редактор раздела физики журнала «Нью сайентист», заявляет, что эксперименты Аспект не только не доказали теории скрытой переменной, но и раз и навсегда их опровергли.
Похоже на то, что на этом моменте начинается метафизическая область квантовой теории, где лучшие из физиков начинают с трудом понимать слова друг друга и смысл ведущихся ими дебатов. Проблема, по-видимому, заключается в различных концепциях понятия скрытой переменной. Представления доктора Бома - человека, спланировавшего эксперименты доктора Аспекта, - отличаются от представлений Эйнштейна и других основателей теории скрытой переменной. С точки зрения Бома, эксперименты Аспекта ослабили позиции идеи локальных скрытых переменных , но поддержали концепцию нелокальных скрытых переменных.
Изложу своё понимание нелокальной скрытой переменной. Нелокальные корреляции опровергают традиционные представления о законе причины и следствия и «пространстве-времени». Если говорят, что две «частицы» - или два «события», - имеют нелокальную корреляцию, в современной квантовой теории это значит, что связь между ними будет сохраняться в отсутствие между ними сигналов, полей, механических сил, энергии и любых других «причин».
В экспериментах Аспекта, например, фотоны на двух концах экспериментального прибора сохраняли корреляцию Белла в каждом измерении, несмотря на то что специальные переключатели позволяли производить измерение только в последние 10 наносекунд (10~8) эксперимента. Свету, для того чтобы пройти от одного фотона к другому, потребовалось бы 20 наносекунд, а ни один известный в физике вид энергии не может перемешаться со скоростью большей, чем скорость света (300000км/с). Другими словами, ни один вид физической энергии не мог бы передать сигнал от одного фотона к другому и образовать связь , которая позволила бы принять «причинное» объяснение этого явления.
Т. о., локальные скрытые переменные не могут иметь к этому отношения. Следовательно, одна из форм теории скрытой переменной уже определенно не может быть привлечена для объяснения этой «корреляции без связи». Это в корне опровергает теории локальной скрытой переменной, но еще раз подтверждает, что квантовые эксперименты не обнаруживают ни одного пробела, который можно было бы заполнить принятием идеи локальной скрытой переменной.
Однако идея нелокальной скрытой переменной могла бы объяснить результаты экспериментов Аспекта и нескольких других физиков, проведенных с момента опубликования Беллом его теоремы, которые свидетельствуют о том, что нелокальные корреляции так же четко проявляются в лаборатории (экспериментально), как и в уравнениях (теоретически).
Бом, занявшийся исследованием нелокальности в 1952 году, за эти годы разработал математическую модель нелокальных скрытых переменных и - что еще прекраснее - даже нашел способ описать все это на вполне приемлемом английском языке. О модели Бома можно прочитать в его книге «Целостность и подразумеваемый порядок» (1983).
Доктор Бом постулирует явный (explicate ), или развернутый порядок (он использует оба слова), который образует четырехмерный континуум, известный пост-эйнштейновской науке. Этот порядок, который мы обычно называем видимым миром, он называет явным или развернутым, так как он размещается в пространстве-времени - каждая его часть имеет место , то есть определенное положение в пространстве и во времени.
Этот явный порядок грубо соответствует аппаратному обеспечению компьютера или нашему головному мозгу. (Нейролог Карл Прибрам с помощью модели Бома даже объясняет некоторые загадки функционирования головного мозга, об этом расскажу в следующих постах.)
Далее Бом постулирует подразумеваемый (implicate ), или свернутый (скрытый) порядок, который и «проницает», и трансцендирует четырехмерную явную вселенную Эйнштейна. Этот порядок он называет подразумеваемым или свернутым, т. к. он не размещается в пространстве-времени - ни одна его часть не имеет положения. Его невозможно обнаружить только в данной точке пространства - он в любом месте и везде; его нельзя локализовать только в данной точке времени - он в любом времени и всегда. (Только явные результаты этого порядка обладают локальностью. Он сам остается нелокальным.)
Этот подразумеваемый порядок соответствует программному обеспечению наших компьютеров - и нашего головного мозга, согласно Прибраму.
На явно-развернутом уровне все обладает локальностью и кажется случайным (пока не изучены мельчайшие, квантовые части); на подразумеваемо-свернутом уровне все обладает нелокальностью и кажется неслучайным.
Т. е., некий субквантовый мир, напоминающий «глубокую реальность», отвергнутую Н. Бором, существует, но мы не можем наблюдать или ощущать его; в то же время мы не можем называть его «призраком» или «бессмысленной концепцией», так как наблюдаем его эффекты в виде нелокальных корреляций, которые по-другому совершенно необъяснимы.
Тем не менее этот подразумеваемый порядок в качестве является лишь одной моделью среди многих. Бом, отец этой модели, будучи умным человеком, не утверждает, что она является «единственно верной», или «конечной», или чем-то еще в этом же роде.
Можно привести ещё один пример: исполнение Девятой симфонии Бетховена обладает всеми характеристиками аппаратного обеспечения или явного порядка. Можно довольно точно локализовать его в пространстве-времени - скажем, девять часов вечера в каком-то органном зале - и, если эти пространственно-временные координаты будут перепутаны, это событие будет пропущено.
Но «Девятая симфония» Бетховена также имеет подразумеваемое, свернутое существование - как программное обеспечение, которое не соответствует подразумеваемому порядку Бома в точности, но приближается к нему. Если бы на каждой нотной записи симфонии можно было проставить дату и местоположение - «Этот экземпляр найден в летнем доме Ленни Бернстайна в субботу 23 ноября» и т.п., - некоторые аспекты «Девятой» все равно остались бы нелокальными, так как мы не могли бы назвать точное число голов, в которых она содержится целиком или частично.
В фантастической повести Рэя Брэдбери «451 по Фаренгейту» тоталитарный режим сжигает все книги, но этим уничтожается только их локальное «аппаратное обеспечение». Группа подпольщиков заучила наизусть все классические произведения и постоянно делится своими знаниями с другими людьми, которые, в свою очередь, передают их кому-то еще и т.д. Т. о., эти книги становятся частично нелокальными и недоступными «пожарникам».
Следствия этой модели «подразумеваемое - явное» - еще более странные, чем могло бы показаться на первый взгляд. Так же, например, как относительность Эйнштейна упразднила дихотомию «пространства» и «времени», а современная психосоматическая медицина избавляется от разделения «души» и «тела», модель Бома подрывает традиционный дуализм «сознания» и «материи».
В нелокальном свернутом порядке информация не может обладать локальностью, но «проницает» и (или) «трансцендирует» все локальности. Выражение «информация, не обладающая локальностью» во многом напоминает индуистское понятие Брахмана , китайскую концепцию Дао , «Большой Ум» Олдоса Хаксли и «Сознание Будды» буддизма махаяны. Любая из этих концепций должна подразумевать информацию без локальности (если признать, что они вообще хоть что-то подразумевают).
«Сознание Будды - это не “Бог”», - постоянно объясняют буддисты, а западные люди лишь моргают в ответ, не в состоянии понять религию без «Бога». Но Брахман в индуизме также не имеет ни личности, ни локальности, ни характера (или рода) западных «богов» и, подобно «Сознанию Будды», является неким нелокальным подразумеваемым порядком, информацией без локальности, если это вообще что-то значит. Известный парадокс Лао-цзы «Величайшее находится в мельчайшем» начинает приобретать смысл для западного человека только после того, как он поймет значение понятия «нелокальная информация» в современной физике).
Э. Г. Уокер идет ещё дальше. В своей работе «Квантовый антрополог» (1975) доктор Уокер - кстати, физик, а не антрополог - развивает нео-бомовскую модель скрытой переменной, в которой «сознание» вообще не обладает локальностью и кажется нам локализованным ввиду ошибок нашего восприятия. В этой модели наш «разум» не находится в нашем головном мозге, а нелокально проницает-трансцендирует пространство-время в целом. Наш мозг, таким образом, просто «настраивает» это нелокальное сознание (что звучит уже совсем в духе хакслиевского «Большого Ума»).
Доктор Уокер приводит математическую модель этого нелокального «Я» и с ее помощью предсказывает частоту проявления предполагаемого психокинеза парапсихологов. Его результаты совпадают с результатами тех, у кого наиболее успешно получаются опыты с психокинезом. Другими словами, если люди показывают хорошие результаты в «управлении» бросаемой игральной костью (то есть шестерка у них выпадает чаще, чем положено по законам вероятности), - они превышают вероятность в среднем как раз настолько, насколько это позволяет модель нелокальной скрытой переменной.
Т. о., именно модель "скрытых переменных" позволяет объединить квантовую теорию и религиозный мистицизм, явления психосоматики и парапсихологии.