Зачем создавать квантовую теорию без наблюдателя?

Пример неравенств Белла, предложенный самим Беллом

Частица со спином 1/2, например электрон, в градиенте магнитного поля отклоняется вверх или вниз. Когда путь по нижней траектории закрыт, пройдут только электроны с положительной проекцией спина на выбранное направление градиента магнитного поля. Можно написать очевидное неравенство: вероятность, что электрон пройдет при вертикальной ориентации (0°) и не пройдет после поворота на 45° плюс вероятность, что пройдет при 45° и не пройдет при 90°, не меньше, чем вероятность пройти при 0° и не пройти при 90°. Это можно записать формулой P0+P45- + P45+P90- Z P0+ P90-. Неравенство совершенно очевидное. Каждый электрон, прошедший при 0° и не прошедший при 90°, должен увеличить первую вероятность, если он не может пройти при 45°, или вторую вероятность, если он может пройти при 45°. Согласно основам квантовой механики, акт измерения изменяет состояние. После измерения проекции при ориентации 0° уже невозможны измерения в том же состоянии при ориентации 45°. Для ЭПР-пары измерения при разной ориентации возможны при выполнении требования локальности: измерение одной из частиц ЭПР-пары не может мгновенно повлиять на состояние второй частицы. При выполнении этого требования вероятность того, что частица A не пройдет при ориентации 45°, равна вероятности того, что вспомогательная частица B пройдет при этой ориентации: P45 —  = P45+B. Из этого получается неравенство Белла: P0+P45+B + P45+P90+B Z P0+P90+B, которое может быть проверено. Но более важным, чем экспериментальная проверка, является тот факт, что квантовая механика предсказывает его нарушение: P0+P45+B + P45+P90+B = 0,1464, а P0+P90+B = 0,2500, согласно ее предсказаниям. Причиной такого предсказания может быть только нарушение принципа локальности: акт измерения частицы B мгновенно влияет на результат измерения частицы A, независимо от расстояния между ними.

Наука кроме всего прочего интересна своей непредсказуемостью. Среди физиков, и не только, известна история о том, как в середине XIX века профессор Филипп фон Жолли отговаривал молодого Макса Планка заниматься теоретической физикой, утверждая, что эта наука близка к завершению и что в ней остались лишь незначительные проблемы. Планк, к счастью, его не послушал и стал основоположником квантовой механики, одной из самых успешных теорий в истории физики. Большинство технических достижений физики ХХ века справедливо связывают с квантовой механикой. Атомная энергетика и лазеры, теории элементарных частиц и физика твердого тела, успехи наноэлектроники и теория сверхпроводимости немыслимы без квантовой механики. Эти вызывающие восхищение успехи привели к почти всеобщей вере в справедливость основных принципов квантовой механики. Сомнения, казалось бы, здесь неуместны. Но семинар «Квантовая теория без наблюдателя» в университете немецкого города Билефельд 22-26 апреля 2013 года (www.mathematik.uni-muenchen.de/~bohmmech/bie[efe[d/index.html) свидетельствует о том, что всё не так однозначно. Семинар проводится в рамках программы научных исследований Европейского сообщества «Фундаментальные проблемы квантовой физики» (www.equantum.eu). Программа включает четыре основные темы: 1) квантовая теория без наблюдателя, 2) эффективное описание сложных систем, 3) квантовая теория и теория относительности, 4) от теории к эксперименту.

В обосновании необходимости данной программы говорится, что сейчас многие ученые согласны с известным высказыванием Эйнштейна 1926 года: «Квантовая механика, несомненно, впечатляет. Но внутренней голос говорит мне, что это не есть, однако, реальная вещь. Теория говорит многое, но она не приближает нас к секретам Создателя. Я, во всяком случае, уверен, что Он не играет в кости». Судя по составу участников программы, ученых, согласных с Эйнштейном, действительно немало. В программе MP1006 принимают участие ученые из 22 европейских стран и Израиля, а также из отдельных университетов США, Австралии, Индии, Мексики и Южной Африки (www.cost.eu/domains_actions/mpns/Actions/MP1006?parties).

В качестве мотивации необходимости создания квантовой теории без наблюдателя приводится одно из высказываний ирландского физика Джона Белла (1928-1990): «Формулировки квантовой механики, которые вы находите в книгах, предполагают разделение мира на наблюдателя и наблюдаемое, и вам не говорят, где проходит это разделение — с какой стороны очков, например, или с какой стороны моего оптического нерва… Таким образом, мы имеем теорию, которая является фундаментально неясной». Эта проблема не является новой. Она возникла сразу после того, как совсем молодой Гейзенберг предложил в 1925 году описывать не то, что происходит, а то, что наблюдается. По воспоминаниям самого Гейзенберга, в беседе, после его выступления в 1926 году в Берлинском университете, Эйнштейн сказал, что «с принципиальной точки зрения желание строить теорию только на наблюдаемых величинах совершенно нелепо. Потому что в действительности всё ведь обстоит как раз наоборот. Только теория решает, что именно можно наблюдать. Видите ли, наблюдение, вообще говоря, есть очень сложная система». Через 63 года, в 1989 году, Белл писал в статье «Против измерения»: «Эйнштейн говорил, что теория определяет, что может быть «наблюдаемым». Я думаю, он был прав — «наблюдение» это крайне сложный процесс для теоретического описания. Поэтому такого понятия не должно быть в формулировке фундаментальной теории».Таким образом, согласно мнению не только Белла, но и достаточно большого числа ученых, с ним согласных, в наиболее успешной теории ХХ века есть такие понятия, которых не должно быть в формулировке фундаментальной теории. Стоит ли обращать на это внимание? Ответ на данный вопрос, очевидно, связан с ответом на вопрос о целях научного исследования.

Ортодоксальная квантовая механика отказалась от того, что Эйнштейн считал «высшей целью всей физики: полное описание реального состояния произвольной системы (существующей независимо от акта наблюдения или существования наблюдателя)…». Этот отказ явился следствием того, что Гейзенберг, Бор и др. потеряли надежду на возможность реалистического описания некоторых явлений, таких, например, как эффект Штерна — Герлаха. Штерн и Герлах обнаружили в 1922 году, что измеряемые значения проекций магнитного момента атомов имеют дискретные значения. Бор писал в 1949 году, что,«как ясно показали Эйнштейн и Эренфест [в 1922 году], наличие такого эффекта ставило непреодолимые трудности перед всякой попыткой наглядно представить себе поведение атома в магнитном поле». А спустя 32 года Белл писал: «Из-за явлений подобного рода среди физиков возник скепсис относительно возможности создания непротиворечивого пространственно-временного описания процессов, происходящих на атомном и субатомном уровнях… Более того, некоторые стали утверждать, что атомы и субатомные частицы не имеют определенных параметров, кроме тех, что наблюдаются. Не существует, например, определенного значения параметра, по которому можно было бы различить частицы, приближающиеся к анализатору Штерна — Герлаха, до отклонения их траектории вверх или вниз. В действительности реально не существуют даже частицы».

Вопрос о существовании параметров до наблюдения был главным предметом спора между основоположниками квантовой теории Гейзенбергом, Бором и др. ,с одной стороны, и Эйнштейном, Шредингером и др. — с другой стороны. Шредингер писал в 1951 году, что «Бор, Гейзенберг и их последователи … имеют в виду, что объект не существует независимо от наблюдающего субъекта». Он выражал свое несогласие с тем, «что глубокое философское размышление об отношении объекта и субъекта и об истинном значении отличий между ними зависит от количественных результатов физических или химических измерений». Эйнштейн свое несогласие выразил, в частности, известным высказыванием «Мне хотелось бы думать, что Луна существует, даже когда я на нее не смотрю». Наиболее известным эпизодом в этом споре гигантов явилась статья 1935 года — Эйнштейна, Подольского и Розена.

ЭПР стремились доказать, как писал в 1981 году Белл, «что теоретики, создавшие квантовую механику, опрометчиво поспешили отказаться от реальности микроскопического мира». Но сейчас статья ЭПР известна большинству не этим доказательством, а ЭПР-корреляцией, которую сами ЭПР считали невозможной, а многие современные авторы считают реально существующей. Это является, пожалуй, главным парадоксом в истории с ЭПР-корреляцией. ЭПР-корреляция и неравенства Белла с наибольшей достоверностью доказали, что предположение о существовании параметров до измерения противоречит ортодоксальной квантовой механике. Из нелокальности ЭПР-корреляции следует, что описание акта измерения не может быть полным без включения в него сознания наблюдателя. Нелокальность является следствием того, что имеет разные названия: скачок Дирака, коллапс или редукция волновой функции, «квантовый скачок от возможности к действительности» (по Гейзенбергу), но один смысл — мгновенное, нелокальное, необратимое превращение суперпозиции в собственное состояние при измерении. Эта особая роль акта измерения определяется тем, что, как писал Дирак в 1930 году, «измерение всегда вызывает скачок системы в собственное состояние той динамической переменной, измерение которой производилось». Этот скачок не может быть следствием воздействия прибора на квантовую систему, так как неравенства Белла выводятся именно из этого предположения. Воздействие может быть любым, которое необходимо для описания результатов измерений. Единственным условием при выводе неравенств Белла является локальность воздействия: изменение условий эксперимента не может мгновенно повлиять на результат измерений в пространственно удаленной области. Нелокальное воздействие прибора есть реальная нелокальность, означающая возможность изменить прошлое, что логически невозможно. Поэтому нарушение неравенств Белла, предсказываемое квантовой механикой, может быть только следствием нелокальности нашего сознания.

Для Гейзенберга и других создателей квантовой механики не могло быть вопроса, с какой стороны очков проходит разделение между наблюдателем и наблюдаемым. Для них, мысливших в традициях европейской философии, это разделение могло быть только следствием картезианского разделения на сущности мыслящие и сущности протяженные. Утверждение Гейзенберга «Классическая физика основывалась на предположении — или, можно сказать, на иллюзии, — что можно описать мир или, по меньшей мере, часть мира, не говоря о нас самих» подчеркивает, что квантовая механика отказалась от полярности этого разделения, когда сущности протяженные мыслились независимо от сущностей мыслящих. Но, отказавшись от иллюзии, Гейзенберг не сказал, как описать мир, говоря о нас самих. Это, пожалуй, является главной причиной, почему желание строить теорию только на наблюдаемых величинах совершенно нелепо. Поэтому задача создания квантовой теории без наблюдателя, т.е. без нас самих, всегда была актуальной. Самыми известными попытками ее решения являются «многомировая» интерпретация, предложенная Эвереттом в 1957 году, и интерпретация Бома 1952 года, вдохновившая Белла на создание знаменитых неравенств Белла.

Но для большинства физиков эта задача была и остается непонятной. В одной из своих последних работ Белл писал об одной из статей 1988 года, которая «особенно выделяется своим здравым смыслом. Автора шокируют «…такие ошеломляющие фантазии, как многомировая интерпретация..». Он отвергает утверждения фон Неймана, Паули, Вигнера, что описание «измерения» не может быть полным без включения в него сознания наблюдателя». Такое отношение к квантовой механике с позиций здравого смысла характерно для большинства физиков. Во всех или почти во всех учебниках и книгах акт измерения (наблюдения) рассматривается как процесс взаимодействия квантовой системы не с наблюдателем, а с бездушным измерительным прибором. Заблуждение о возможности замены сознания наблюдателя измерительным прибором особенно сильно среди физиков советской школы. Наш выдающийся ученый, лауреат Нобелевской премии академик В.Л. Гинзбург признавался в предисловии к статье «Концепция сознания в контексте квантовой механики», опубликованной в журнале «Успехи физических наук» в 2005 году, что, являясь материалистом, он не понимает, «почему так называемая редукция волновой функции как-то связана с сознанием наблюдателя». Квантовую механику учили (и учат) так, что многие не знают не только о проблеме «сознания наблюдателя», но даже о редукции волновой функции. Автор статьи «Две методологические революции в физике- ключ к пониманию оснований квантовой механики», опубликованной в 2010 году в журнале «Вопросы философии», признается: «Сам я услышал о ней уже после окончания МФТИ и защиты диссертации по квантовой механике». Поэтому сам факт постановки задачи создания квантовой теории без наблюдателя должен быть интересен нашим ученым. Этот факт свидетельствует о возрастающем понимании значения работ Джона Белла, сборник которых впервые был опубликован в 1987 году и несколько раз переиздавался, последний раз в 2011 году (http://ebooks.cambridge.org/ebook.jsf?bid=CB09780511815676).

Алексей Никулов,
г. Черноголовка

ЭПР-парадокс

В статье 1981 года «Носки Бертлманна и сущность реальности» Белл писал: «Философа cулицы, не шокированного квантовой механикой, ЭПР-корреляция вряд ли удивит. Он сможет указать множество примеров подобной корреляции в повседневной жизни. Например, на случай с носками Бертлманна. Доктор Бертлманн любит надевать носки различных цветов. Их цвет в определенный день невозможно предсказать. Но когда мы видим, что один из носков розовый, то можем быть уверены, что второй носок будет не розовым». Здесь описано то, что в философии называется воздействием объекта на субъект: при наблюдении изменяется состояние сознания наблюдателя. В этом нет ничего странного. Но в квантовой механике, как отмечал Шредингер, «причинная связь между субъектом и объектом считается взаимной». И «воздействие, оказываемое на объект со стороны субъекта», проявляется в ЭПР-корреляции. Когда наблюдатель А, Алиса, видит, что ее электрон отклонился вверх в градиенте магнитного поля, она не только узнает, что второй электрон ЭПР-пары находится в состоянии спин вниз, она творит это состояние. Второй наблюдатель, Боб, может экспериментально подтвердить, что его электрон действительно находится в состоянии, выбранном Алисой. Это и является проявлением ЭПР-корреляции. Шредингер характеризовал ЭПР-корреляцию как перепутанность наших знаний (entanglement of our knowledge). Эти знания парадоксальным образом влияют на результат наблюдений. Вывода о таком влиянии можно избежать, только предположив, что электроны до измерения имеют определенные значения параметров, которые определяют результат наблюдения. Но в этом случае квантовая механика должна быть заменена теорией скрытых параметров, в которой должны быть справедливы неравенства Белла.