Бом полагает, что элементарные частицы способны взаимодействовать друг с другом независимо от расстояния не потому, что они обмениваются какими-то таинственными сигналами, а потому, что их раздельность – иллюзия. Он утверждает, что на каком-то более глубоком уровне реальности такие частицы – не отдельные объекты, а как бы продолжение чего-то более фундаментального.
"Если человек думает о целостности как о состоящей из независимых фрагментов, тогда его ум будет иметь тенденцию действовать, но если он сможет включить все связно и гармонично в единое целое, которое является неделимым, неразрывным и безграничным, тогда его ум будет имеют тенденцию двигаться аналогичным образом, и из этого вытекает упорядоченное действие в целом". Дэвид Бом , Целостность и подразумеваемый порядок, 1980
Бомовская механика
Бомовская механика, которую также называют теорией де Бройля-Бома, моделью волны-пилота и причинной интерпретацией квантовой механики, является версией квантовой теории, заложенной Луи де Бройлем в 1927 году и вновь открытой Дэвидом Бомом в 1952 году. Это простейший пример того, что часто называют интерпретацией скрытых переменных в квантовой механике. В бомовской механике система частиц частично описывается своей волновой функцией, эволюционирующей, как обычно, в соответствии с уравнением Шредингера. Однако волновая функция дает лишь частичное описание системы. Это описание завершается указанием фактического положения частиц. Последние развиваются в соответствии с «ведущим уравнением»: которое выражает скорости частиц через волновую функцию. Таким образом, в бомовской механике конфигурация системы частиц развивается через детерминированное движение, дирижируемое волновой функцией. В частности, когда частица отправляется в двухщелевой аппарат, щель, через которую она проходит полностью определяется ее начальным положением и волновой функцией.
Столетие назад французский физик Луи де Бройль отказался принимать копенгагенскую интерпретацию квантовой механики, даже когда тревожные результаты первых экспериментов с частицами подсказали большинству физиков, что реальность в квантовом масштабе принципиально иная. чем на макро уровне. Стандартная «копенгагенская интерпретация» квантовой механики, сформулированная датским физиком Нильсом Бором в соавторстве с Вернером Гейзенбергом, порвала с прошлым, заявив, что ничто в квантовом масштабе не является «реальным», пока оно не наблюдается.
Вместо однозначных положений и движений по определенным траекториям ньютоновской физики, на фундаментальном уровне мира у нас есть облако вероятностей, описываемое математической структурой, известной как волновая функция. Волновая функция со временем эволюционирует, ее эволюция регулируется точными правилами, кодифицированными в так называемом уравнении Шредингера. Математика достаточно ясна, а вот реальное местонахождение частиц в меньшей степени.
!Парадоксально - частица обретает положение только в результате ее обнаружения - под действием наблюдателя, которое заставляет волновую функцию «схлопнуться» в точку, частица прыгает туда, в итоге, ее положение определяется. До этого момента мы ничего не можем сказать о ее местонахождении. В 1927 году Нильс Бор убедил большинство физиков принять парадоксальность Вероятностной Вселенной на квантовом уровне реальности. Но некоторые выдающиеся физики не согласились принять такое положение вещей, среди них - Альберт Эйнштейн и Луи де Бройль.
Альберт Эйнштейн категорически возражал против основополагающей идеи копенгагенской интерпретации. Как писал его биограф Авраам Паис:
«Мы часто обсуждали его представления об объективной реальности. Я вспоминаю, что во время одной прогулки Эйнштейн внезапно остановился, повернулся ко мне и спросил, действительно ли я верю, что Луна существует, только когда я смотрю на нее».
Альтернативная интерпретация - теория пилотных волн или бомовская механика
Но есть и другая точка зрения, помимо копенгагенского взгляда на квантовую реальность. Она существует уже почти столетие. Согласно ей частицы всегда имеют определенные координаты. Эта альтернативная точка зрения - теория пилотных волн или бомовская механика.
Бомовская механика была прежде разработана Луи де Бройлем в 1927 году и снова, независимо - Дэвидом Бомом в 1952 году, который развивал ее до своей смерти в 1992 году (иногда ее также называют теорией де Бройля-Бома).
По мнению де Бройля, у каждой частицы есть определенное местоположение, даже когда за ней не наблюдают. Изменения положения частиц задаются уравнением, известным как уравнение «пилотной волны» (или «ведущее уравнение»). Теория полностью подчиняется принципу детерминизма: если вы знаете начальное состояние системы и у вас есть волновая функция, вы можете вычислить, где окажется каждая частица.
Движение квантовых частиц по определению де Бройля направляется, так называемыми пилотными волнами. Однако де Бройль не мог определить физическую природу пилотной волны и изо всех сил пытался расширить свое описание до более чем одной частицы. В итоге, на знаменитой Сольвеевской конференции 1927 года, где собрались известные физики, победили более радикальные взгляды Бора.
"Классическая физика утверждает, что реальность - это на самом деле маленькие частицы, которые разделяют мир на его независимые элементы. Теперь я предлагаю обратное, что фундаментальная реальность - это свертывание и развертывание, а эти частицы являются абстракциями от этого. Мы могли бы представить электрон не как непрерывно существующую частицу, а как что-то входящее и выходящее, а затем входящее снова. Если эти различные уплотнения расположены близко друг к другу, они напоминают дорожку. Сам электрон никогда не может быть отделен от всего пространства, которое является его основой. Дэвид Бом , О квантовой физике, 1987
Теория пилота-волны в дальнейшем была развита американским физиком Дэвидом Бомом. Согласно Бому, электроны ведут себя как настоящие частицы, их скорость в любой момент полностью определяется пилотной волной, которая, в свою очередь, зависит от волновой функции. С этой точки зрения, каждый электрон похож на серфера: он занимает определенное место в каждый конкретный момент времени, но его движение продиктовано движением распространяющейся волны.
Различия между Бомом и Копенгагеном становятся очевидными, когда мы смотрим на классический эксперимент с «двойной щелью», в котором частицы (скажем, электроны) проходят через пару узких щелей, в конечном итоге достигая экрана, на котором можно зарегистрировать каждую частицу. Когда проводится эксперимент, электроны ведут себя как волны, создавая на экране особую интерференционную картину.
Если бы электроны были бы частицами-корпускулами, то на экране, расположенном за вторым барьером, образовывалось бы две освещенные полосы, по одной напротив каждой из щелей. На самом же деле на экране образуется интерференционный узор, свидетельствующий, что поток электронов распространяется по принципу волны.
У Бома, каждый электрон проходит определенный путь только через одну щель, но пилотная волна проходит через обе щели. Конечный результат точно соответствует шаблону, который наблюдается в стандартной квантовой механике.
«Вещи имеют позиции. Они находятся где - то. Если вы серьезно отнесетесь к этой идее, вы почти сразу же попадете к Бому. Это гораздо более простая версия квантовой механики, чем та, которую вы найдете в учебниках ». Говард Уайзман, физик из Университета Гриффита в Брисбене, Австралия
Классическая механика является чисто «локальной». С точки зрения локального реализма все объекты исследования обладают «объективно существующими» значениями параметров, независимо от проводимых измерений. 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.
Нелокальность
Элементарные частицы взаимосвязаны самым невероятным образом. Некоторые внутриатомные процессы приводят к созданию пар частиц, имеющих идентичные или очень близкие свойства. Представьте себе весьма нестабильный атом, который физики называют позитроний. Атом позитрония состоит из электрона и позитрона (позитрон — это электрон с положительным зарядом). Поскольку позитрон является античастицей электрона, эти две частицы в конце концов аннигилируют и распадаются на два кванта света, или «фотона», бегущих в противоположных направлениях (способность одного типа частиц превращаться в другой тип — еще одно любопытное свойство квантового микромира). Согласно квантовой физике, вне зависимости от того, как далеко разбегутся фотоны, при измерении они дают одинаковые углы поляризации, то есть пространственной ориентации волновой формы фотона, исходящей из точки. Каким-то образом два фотона мгновенно устанавливают один и тот же угол поляризации, удивительно каждая частица знает, что делает другая.
Проблема состоит в том, что, согласно специальной теории относительности Эйнштейна, ничто не может двигаться быстрее скорости света, тем более двигаться мгновенно, поскольку это приведет к разрушению барьера времени и откроет дверь различного рода неприемлемым парадоксам. Эйнштейн и его коллеги были уверены, что ни одно из «разумных определений реальности» не может допустить такую мгновенную связь, превышающую скорость света.
Бор считал: физика имеет дело только с тем, что можно измерить. С точки зрения физики это и есть реальность. Физика в целом и квантовая механика в частности могут иметь дело только с измеряемыми свойствами Вселенной. Всё иное находится просто за пределами физики. Поэтому, никто не может обоснованно утверждать, что элементарные частицы независимо существующие «объекты». Тогда как, Эйнштейн основывал свое возражение на недоказанном предположении о независимом существовании пары частиц.
Со временем большинство физиков приняло сторону Бора и согласилось, что его подход верен. Триумфу Бора способствовали также успешные предсказания его теории относительно поведения частиц.
Удивительным было последующее безразличие большинства физиков к этому поразительному явлению нелокальности. Этот аспект квантовой реальности, вызвал у молодого американского физика Бома особый интерес. Бом недоумевал, почему Бор и его коллеги так мало внимания уделяют вопросам взаимосвязи в микромире. После окончания Государственного колледжа в штате Пенсильвания он поступил в Калифорнийский университет в Беркли и до получения докторской степени в 1943 году работал в Лоренсовской радиационной лаборатории. Там он встретился с еще одним поразительным примером квантовой взаимосвязи.
В лаборатории Бом начал проводить серьезные исследования в области плазмы. Плазма — это газ, состоящий из большого количества электронов и положительно заряженных ионов и атомов. К своему удивлению, Бом обнаружил, что, будучи в плазме, электроны перестают вести себя как отдельные частицы и становятся частью коллективного целого. В то время как индивидуальные движения электронов имели случайный характер, большое количество электронов приводило к эффектам, носившим удивительно организованный характер. Подобно некой амебе, плазма постоянно регенерировала сама себя и окружала оболочкой все инородные тела — она вела себя аналогично живому организму, когда в его клетку попадает инородное вещество . Бом был настолько поражен органическими свойствами плазмы, что часто представлял электронное море как «живое существо»
В 1947 году Бом принял предложение занять должность ассистента в Принстонском университете (что было признанием его заслуг) и продолжил начатое еще в Беркли исследование поведения электронов в металлах. Снова и снова он обнаруживал, что кажущееся хаотичным движение индивидуальных электронов-частиц способно производить в совокупности высокоорганизованное движение. Подобно плазме, которую он изучал в Беркли, он столкнулся с ситуацией, где не только две частицы согласовывают между собой свое поведение, — он увидел целый океан частиц, каждая из которых как будто знала, что делают остальные триллионы частиц. Бом назвал такие коллективные движения частиц плазмонами, а их открытие принесло ему славу выдающегося физика.
Чувствуя важность взаимосвязи микрочастиц и не разделяя некоторые из укоренившихся взглядов в физике, Бом стал все более критически относиться к боровской интерпретации квантовой теории. После трех лет преподавания этого предмета в Принстоне он решил написать учебник, который мог бы помочь ему глубже разобраться в предмете.
"В пятидесятых я разослал свою книгу («Квантовая теория») разным квантовым физикам, включая Нильса Бора, Альберта Эйнштейна и Вольфганга Паули. Бор не ответил, но Паули это понравилось. Альберт Эйнштейн отправил мне сообщение, что хотел бы поговорить со мной. Когда мы встретились, он сказал, что книга справилась с квантовой механикой . Но он все еще не был уверен, что это удовлетворительная теория.
Возражение Эйнштейна было не просто статистическим. Он чувствовал, что это какая-то абстракция; квантовая механика дала правильные результаты, но упустила многое из того, что могло бы сделать ее понятной. Я придумал причинную интерпретацию (что электрон - это частица, но у него также есть поле вокруг него. Частица никогда не отделяется от этого поля, и поле определенным образом влияет на движение частицы). Однако Эйнштейну это не понравилось, потому что интерпретация содержала такое понятие действия на расстоянии: вещи, которые находятся далеко друг от друга, глубоко влияют друг на друга. Он верил только в местные действия. Я не возвращался к этому косвенному порядку до шестидесятых годов, когда меня заинтересовали понятия порядка. Тогда я понял, что проблема в том, что координаты по-прежнему являются основным порядком в физике, тогда как все остальное изменилось"Дэвид Бом , «О квантовой теории», интервью, 1987 г.
Бор и его последователи заявляли, что квантовая теория завершена и нет никакой возможности получить большую ясность картины, наблюдаемой в квантовой области. Это было все равно что отрицать наличие какой-либо более глубокой реальности, лежащей за пределами внутриатомного микромира, и не ждать ответов на дальнейшие вопросы, что, конечно же, задевало Бома и Эйнштейна. В результате Бом решил искать альтернативный подход к описанию квантовых явлений. Когда в 1951 году его книга «Квантовая теория» вышла из печати, ее сразу же окрестили классическим трудом, но это была классика, к которой Бом уже относился с недоверием. Его сознание, вечно занятое поиском более глубоких объяснений, уже искало новые способы описания реальности.
Новый вид поля - квантовый потенциал
После бесед с Эйнштейном Бом попытался найти рабочую альтернативу отстаиваемой Бором интерпретации реальности. Он начал с того, что предположил: частицы наподобие электронов действительно существуют в отсутствие наблюдателей. Он также предположил, что за пределами боровской реальности существует более глубокая реальность на субквантовом уровне, ожидающая ее открытия наукой. Исходя из этих гипотез, Бом увидел, что простым постулированием существования поля нового вида — поля на субквантовом уровне — он может объяснить открытия в квантовой физике с таким же успехом, что и Бор. Бом назвал свое новое гипотетическое поле квантовым потенциалом и предположил, что, как и гравитация, оно пронизывает все пространство. Однако в отличие от гравитационных, магнитных и других полей его действие не ослабевает с расстоянием. Несмотря на довольно тонкую природу нового поля, его сила распределена равномерно по всему пространству. Свое альтернативное видение квантовой теории Бом обнародовал в печати в 1952 году.
Реакция на его подход была в основном отрицательной. Некоторые физики настолько верили в то, что никакие альтернативы не возможны, что отвергли его теорию без рассмотрения. Другие обрушили на нее яростные атаки. В конце концов все возражения свелись к философским разногласиям: точка зрения Бора была настолько укоренена в физику, что альтернативный подход Бома казался более чем ересью.
В это же время Бом продолжал шлифовать свой альтернативный подход к квантовой физике. Пристальное изучение свойств квантового потенциала привело его к еще более радикальному отходу от ортодоксального мышления. Классическая наука всегда рассматривала систему как простое сложение поведения ее отдельных частей. Однако гипотеза квантового потенциала, образно говоря, поставила эту точку зрения с ног на голову, определив поведение частей как производную от целого. Она не только включила в себя утверждение Бора о том, что элементарные частицы не являются независимыми «частицами материи», а представляют собой часть неделимого целого, но и постулировала целое как первичную реальность.
Эта гипотеза также объясняла, каким образом электроны в плазме (и других особых состояниях, таких как сверхпроводимость) могли вести себя как единое целое.
Как указывает Бом, такие «электроны не рассеиваются, потому как благодаря действию квантового потенциала вся система приобретает координированное движение — это можно сравнить с балетом, в котором танцоры движутся синхронно в отличие от неорганизованной толпы». И он снова отмечает: «Такие квантовые целые состояния больше напоминают организованное поведение частей живого существа, чем функционирование отдельных частей машины»
Объяснение Бомом свойства нелокальности
Нелокальный аспект квантового потенциала позволил Бому объяснить связь между парными частицами без нарушения специальной теории относительности, запрещающей превышение скорости света. Для пояснения он предлагает следующий пример: Представьте себе рыбу, плавающую в аквариуме. Представьте также, что вы никогда раньше не видели рыбу или аквариум и что единственную информацию о них вы получаете через две телевизионные камеры, одна из которых направлена на торец аквариума, а другая смотрит сбоку. Если смотреть на два телевизионных экрана, можно ошибочно предположить, что рыбы на экранах разные. Действительно, поскольку камеры расположены под разными углами, каждое из изображений будет несколько отличаться. Но, продолжая наблюдать за рыбами, вы в конце концов понимаете, что между ними существует некая связь. Если поворачивается одна рыба, другая делает несколько другой, но синхронный поворот. Если одна рыба показывается анфас, другая предстает в профиль, и т.д. Если вы не знакомы с общей ситуацией, вы можете ошибочно заключить, что рыбы мгновенно координируют свои движения, однако это не так. Никакой мгновенной связи между ними нет, поскольку на более глубоком уровне реальности — реальности аквариума — существует одна, а не две рыбы. Именно это, отмечает Бом, и происходит с частицами, например с двумя фотонами, испускаемыми при распаде атома позитрония.
Действительно, поскольку квантовый потенциал пронизывает все пространство, все частицы имеют нелокальную взаимосвязь. Картина реальности, которую раскрывал Бом, все более становилась похожа не на отдельное существование разрозненных элементарных частиц, движущихся в вакууме, но на непрерывную паутину событий, уложенных в пространство, которое само обладает такой же реальностью и разнообразием, как и материя, движущаяся сквозь него.
Спасибо за внимание!