Важные вопросы, которые приходят на ум, при размышлении о принципе неопределенности Гейзенберга - отражает ли принцип неопределённости то, что мы можем знать о реальности, в силу ограниченности наших экспериментальных возможностей, или же - существо самой реальности? Говорит ли квантовая неопределённость о том, что в любой заданный момент времени частицы всегда не имеют определённого положения и определённой скорости? Есть ли у частицы изначальные свойства скорость, координата, или они появляются лишь в результате измерения?
Соотношение неопределённостей утверждает, что невозможно измерить одновременно две некоммутирующие величины, например, координату и импульс частицы, или энергию и время, или механический момент и угол поворота.
Для гуру кванотовой физики Нильса Бора эта проблема была чем-то вроде коана дзен-буддизма.
В дзен-буддизме коан — это фраза или диалог не подчиняющиеся логике и заключающие в себе парадокс.
Когда ты не можешь сделать ничего – что ты можешь?
«Ты можешь услышать хлопок двух ладоней, когда они ударяются друг о друга, — сказал Мокурай. — Теперь покажи мне хлопок одной ладони»
Бор считал: физика имеет дело только с тем, что можно измерить. С точки зрения физики это и есть реальность. Пытаться использовать физику для анализа «более глубокой» реальности, находящейся за пределами того, что мы можем знать посредством измерений, — это всё равно, что задействовать физику для анализа звука хлопка одной ладони.
С точки зрения локального реализма все объекты исследования обладают «объективно существующими» значениями параметров, независимо от проводимых измерений. Этой точки зрения придерживался Эйнштейн. Он полагал, что хотя свойства присущи объекту изначально, они скрыты от нашего знания (скрытыепараметры).
Спор Бора — Эйнштейна о физическом смысле волновой функции
В 1927 году на Пятом Сольвеевском конгрессе Эйнштейн решительно выступил против «копенгагенской интерпретации» Макса Борна и Нильса Бора, трактующей математическую модель квантовой механики как существенно вероятностную. Он заявил, что сторонники этой интерпретации «из нужды делают добродетель», а вероятностный характер свидетельствует лишь о том, что наше знание физической сущности микропроцессов неполно. Так зародился спор Бора — Эйнштейна о физическом смысле волновой функции.
Парадокс Эйнштейна - Подольского - Розена
Мысленный эксперимент
Но в 1935 г. Эйнштейн вместе с двумя коллегами, Борисом Подольским и Натаном Розеном, представил эту проблему таким остроумным образом, что начинавшееся тогда как хлопок одной ладони отозвалось через пятьдесят лет раскатом грома, возвестившим о начале гораздо большего переворота в нашем понимании реальности, чем представлялось когда-либо даже Эйнштейну.
В 1935 году Эйнштейн вместе с Борисом Подольским и Натаном Розеном написал статью «Можно ли считать квантово-механическое описание физической реальности полным?». По воспоминаниям Розена, Эйнштейн «сформулировал общую постановку задачи и её смысл», Подольский редактировал текст статьи, а сам Розен выполнил сопутствующие расчёты. В статье был описан мысленный эксперимент, который впоследствии был назван парадоксом Эйнштейна — Подольского — Розена.
Целью эксперимента Эйнштейна–Подольского–Розена было показать, что хотя квантовая механика успешно предсказывает и объясняет результаты измерений, но она не может быть последним словом в физике микромира, принцип неопределённости выражает фундаментальную ограниченность подхода квантовой механики, каждая частица на самом деле имеет определённое положение и определённую скорость в любой заданный момент времени, просто квантовая механика технически не в состоянии определить их одновременно, значит она даёт лишь частичное описание Вселенной. Поэтому квантовая механика является неполной теорией физической реальности. В действительности, своим экспериментом Эйнштейн, Подольский и Розен подготовили почву для открытия ещё более парадоксального свойства - нелокальности квантового мира.
В классической физике считается очевидным, что если две системы A и B пространственно разделены и не взаимодействуют между собой, то при полном описании физической реальности действия, выполненные над системой А, не изменяют свойства системы В. Этот принцип называют принципом локальности Эйнштейна.
Своим экспериметом Эйнштейн, Подольский и Розен пытались устранить вероятности и неопределенность из квантового мира. Что если бы мы смогли косвенно получить точную информацию как о положении, так и скорости частицы, не вступая с ней контакт?
Допустим, две одинаковые частицы A и B образовались в результате распада третьей частицы C. В этом случае, по закону сохранения импульса, их суммарный импульс р (А) + р (В) должен быть равен исходному импульсу третьей частицы p (С), то есть импульсы двух частиц должны быть связаны. Это даёт возможность измерить импульс одной частицы (А) и по закону сохранения импульса p (B)= p (C) - p (A) рассчитать импульс второй (B), не внося в её движение никаких возмущений. Теперь, измерив координату второй частицы, можно получить для этой частицы значения двух неизмеримых одновременно величин, что по законам квантовой механики невозможно. Исходя из этого, можно было бы заключить, что соотношение неопределённостей не является абсолютным, а законы квантовой механики являются неполными и должны быть в будущем уточнены. Википедия
Эйнштейн, Подольский и Розен попытались показать, что каждая из частиц на самом деле имеет определённое положение и определённую скорость в любой заданный момент времени.
ЭПР утверждают, что измеряя характеристики летящей вправо частицы, вы никак не можете повлиять на летящую влево частицу, поскольку это отдельные, пространственно разделённые частицы. Летящая влево частица совершенно не ведает о том, что вы сделали или могли сделать с летящей вправо частицей. Во время проведения измерений эти частицы могли разделять метры, километры или световые годы, так что летящей влево частице всё равно, что вы делаете с правой. Таким образом, — заключают ЭПР, — квантовая механика не полностью описывает реальность. Частицы имеют определённые положения и скорости,
Многие ведущие физики восприняли публикацию парадокса как «гром с ясного неба». По воспоминаниям бельгийского физика Леона Розенфельда, Нильс Бор в течение шести недель занимался только проблемой парадокса, но ошибок в аргументации Эйнштейна не обнаружил.
После небольшой интеллектуальной сумятицы в поисках ответа на это неожиданное рассуждение защитники квантовой механики прибегли к своему обычному прагматическому подходу, ярко выраженному выдающимся физиком Вольфгангом Паули:
«Не следует ломать себе голову над проблемой существования чего-либо, о чём невозможно узнать, как над старым вопросом, сколько ангелов может уместиться на кончике иглы»
Физика в целом и квантовая механика в частности могут иметь дело только с измеряемыми свойствами Вселенной. Всё иное находится просто за пределами физики. Если вы не можете измерить одновременно положение и скорость частицы, то нет смысла говорить о том, имеет ли она одновременно положение и скорость.
ЭПР не согласились с этим. Реальность, — настаивали они, — есть нечто большее, чем показания детекторов; реальность шире всей совокупности всех наблюдений в данный момент времени. Когда никто и ничто, совсем ничто, ни один прибор, ни одно устройство не «смотрит» на Луну, Луна тем не менее находится на своём месте. Они считали, что Луна всегда остаётся частью реальности.
В 1964 г. одним ошеломляющим ударом, который один комментатор назвал «самым глубоким открытием в науке», ирландский физик Джон Белл разрешил проблему квантовой неопределенности.
Беллу удалось показать, что возможен способ экспериментальной проверки предположения о скрытых параметрах
Белл показал, что установить истину может эксперимент, результаты которого будут совершенно различны в зависимости от того, справедливо ли вероятностное описание для каждой частицы, или это есть свойство коллектива частиц. В последнем случае предполагается, что каждая отдельно взятая частица с момента своего рождения имеет определенные значения всех физических параметров. У разных частиц эти параметры различны. Частиц невообразимо много, поэтому экспериментатор не может узнать набор параметров для каждой частицы (классическая ансамбль-случайность). Поэтому эти параметры и оказываются скрытыми. Доказательство этого положения и носит название теоремы Белла. Теорема Белла является ныне основным аргументом в споре между сторонниками локального реализма и квантовой нелокальности.
После того, как была сформулирована теорема Белла, были предприняты попытки экспериментальной проверки Теоремы Белла. Джон Клаузер из Беркли (США, 1974) и Ален Аспек (Франция, 1982) первыми обнаружили подтверждение Теоремы Белла. В течение последних 50-ти лет было проведено более 30 таких экспериментов. В качестве коррелированных частиц обычно использовались фотоны.
Был сделан вывод: предположение о том, что у обеих частиц существуют пределенные параметры с момента их рождения, не соответствует действительности. Таким образом, считается, что эксперименты по проверке неравенств Белла доказывают существенно вероятностное поведение даже отдельно взятой частицы и отсутствие скрытых параметров.
Доказательство теоремы Белла стало поворотным моментом в квантовой физике. Значение её трудно переоценить. Работа Белла стимулировала постановку экспериментов с запутанными фотонами и ознаменовала наступление новой эпохи в квантовой физике. Наступила эпоха квантовых технологий, основанных на «странностях» квантовой механики. Чрезвычайно возрос интерес к основаниям квантовой механики.
«ЭПР-проблема из предмета теоретических обсуждений вкачестве мысленного эксперимента стала объектом реальных экспериментов. Мы должны быть благодарны Джону Беллу за то, что он показал нам, как философские вопросы о природе реальности могут быть трансформированы в проблемы физики, где могут быть востребованы наивные экспериментаторы» Алан Аспек
Суммируем, к чему мы пришли. Посредством принципа неопределённости Гейзенберга квантовая механика утверждает, что в мире есть характеристики — такие как положение и скорость частицы — которые не могут одновременно иметь определённые значения. Согласно квантовой механике частица не может одновременно иметь определённое положение и определённую скорость. Частицы как бы подвешены в состоянии квантовой неопределённости, парят в размытой, аморфной, вероятностной смеси всех возможностей; и только в ходе измерения из множества возможностей выбирается один определённый вариант. Ясно, что эта картина реальности радикально отличается от той, которую рисовала классическая физика.
Спасибо за внимание!