Есть одна хроническая проблема у популяризаторов физики, особенно когда они касаются квантовой механики. Авторы часто делают акцент на «непостижимости» микромира, граничащей с магией. Мир объявляется принципиально иррациональным, а парадоксы возводятся в ранг фундаментальных законов.
Но такая позиция - это не вывод из экспериментов, а серьёзное философское допущение. Чтобы принять его, нужно сначала отбросить все возможные рациональные объяснения. И здесь возникает законный вопрос: а все ли альтернативы мы действительно проверили?
Обычно главным аргументом в пользу «волшебства» называют нарушение неравенств Белла. Нам говорят: чтобы объяснить эти эксперименты, необходимо отказаться от привычной, «бытовой» реальности - той, где у объектов есть заданные свойства, а влияние одного тела на другое имеет понятный локальный механизм.
Однако, как я уже показывал в прошлой статье об опытах Аспе, мы слишком поспешно приняли на веру некоторые гипотезы, лежащие в основе теоремы Белла. Давайте напомним их.
Три кита локального реализма
Для вывода неравенств Белла необходимы три утверждения:
- Реализм. Объекты (фотоны, электроны, ионы) до начала эксперимента обладают конкретными значениями свойств, которые мы собираемся измерять (например, проекцией спина).
- Локальность. Между удалёнными объектами не существует мгновенного или скрытого влияния без явного физического механизма.
- Свобода выбора. Способ измерения (настройка прибора) не зависит от скрытых параметров самого измеряемого объекта.
В предыдущей статье я показал, что третье утверждение совсем не обязательно верно. Чтобы обеспечить настоящую независимость измерений от параметров частиц, нужно прилагать серьёзные усилия. А пока нам достоверно неизвестно устройство микромира, крайне сложно убедительно закрыть все так называемые «лазейки». Именно поэтому учёные до сих пор ставят всё более сложные эксперименты по квантовой запутанности.
Второе утверждение (локальность) защитники классической физики обычно не ставят под сомнение. В самом деле, если действие одного тела на другое происходит мгновенно или без механизма, то это ничем не лучше волшебства.
Однако есть нюанс, который часто упускают из виду. И именно он ведёт нас к самому интересному.
Смертельный удар по первой гипотезе
Проблема квантовой механики кроется не только в нелокальности, но и в утверждении, что свойства существуют до измерения. Более того, есть эксперимент, который явно показывает, что это утверждение строго не выполняется для некоторых величин. Речь идёт о каскадных опытах Штерна-Герлаха.
В классической постановке пучок атомов (например, серебра) проходит через неоднородное магнитное поле и расщепляется на два пучка в зависимости от проекции магнитного момента (спина). Это само по себе удивительно, но уже привычно.
Однако ключевой становится постановка с тремя последовательными магнитами. Представьте:
- Первый прибор (ось Z) расщепляет пучок. Мы оставляем только одну компоненту, скажем, «спин вверх». Классически мы считаем, что теперь все атомы имеют определённую проекцию момента на ось Z.
- Второй прибор повёрнут относительно первого на 90 градусов (ось X). Согласно классической логике, атомы должны иметь какой-то разброс проекций на ось X. Мы снова отсекаем одну ветвь (например, «спин вправо»).
- Третий прибор снова ставим по оси Z.
Парадокс заключается в следующем: если бы спин действительно был заранее заданным вектором (как стрелка), то после двух «фильтраций» мы бы получили пучок с полностью определённым состоянием и на выходе третьего магнита увидели бы только один пучок. Однако в реальности на третьем этапе пучок снова расщепляется надвое с равной вероятностью!
Квантовая механика объясняет это суперпозицией: измерение по оси X разрушило информацию о состоянии по оси Z.
Но возможна и альтернативная классическая гипотеза: спин - это не внутренний «стержень», а эффект, который возникает исключительно во время взаимодействия с магнитным полем. Когда атом выходит из поля, спин не просто находится в суперпозиции - его попросту нет как самостоятельной физической величины.
В некоторых эфиродинамических моделях, например, есть образ «накручивания» потока поля на частицу-вихрь. Когда второй магнит повёрнут на 90 градусов, старый вихрь вокруг частицы разрушается, а новый образуется с равной вероятностью как с левым, так и с правым вращением. Это естественным образом даёт ровно те слабые силы расщепления, которые мы видим в опыте.
Таким образом, для этого класса опытов мы вынуждены отвергнуть скрытый параметр в том смысле, в каком его требовал Белл. Спина не существует до тех пор, пока мы не начали его измерять.
Цена вопроса и бритва Оккама
Здесь мы оказываемся перед выбором.
С одной стороны, квантовая механика предлагает единую и математически безупречную трактовку через суперпозицию, но при этом требует признать, что у этой суперпозиции нет наглядного классического образа. Это «заткнись и считай».
С другой стороны, у нас есть «лоскутная» картина: в опытах с корреляциями мы можем спасти локальность, отказавшись от независимости измерений, а в опытах со спином мы отказываемся от реализма. С точки зрения философской бритвы Оккама, это выглядит некрасиво - плодить сущности под каждый эксперимент.
Но с точки зрения эвристики (способности генерировать новые идеи) такой подход даёт огромное преимущество.
Когда у тебя есть наглядный образ происходящего (пусть даже не универсальный), у тебя появляется пространство для манёвра. Ты можешь представить, как вмешаться в процесс, как изменить геометрию поля или структуру частицы. Когда же ты имеешь дело с абстрактной волновой функцией и вероятностями, ты лишён инструмента для интуитивного «конструирования» реальности.
Почему это не лженаука
Критик скажет: это противоречит духу современной физики. Но давайте посмотрим правде в глаза.
- Опыты Белла не запрещают классику. Они запрещают лишь конкретный класс локально-реалистичных моделей при условии, что настройки приборов независимы. Как только мы допускаем, что фаза фотона или его внутренняя структура «знают» о конфигурации установки (через общее прошлое или стабильные длины путей), неравенства перестают работать. Это не магия выбора, а общая механика источника и детектора.
- Опыты Штерна-Герлаха не доказывают, что мир вероятностен. Они доказывают лишь то, что спин не является классическим вектором, существующим до измерения. Альтернативная модель вихрей предлагает конкретный физический механизм, почему это так.
Итог
Я не призываю отказываться от квантовой механики как расчётного инструмента. Она работает - это факт. Я призываю отказаться от мистического нарратива, который сопровождает её в популярной литературе.
Когда мы говорим студенту «у электрона нет траектории», мы закрываем ему путь к размышлению. Гораздо честнее сказать: «В рамках стандартной модели мы не знаем, как устроен электрон, но если мы попытаемся представить его механически, мы увидим, что он ведёт себя так, словно его спин рождается только в момент контакта с прибором».
Поиск новых образов - это и есть двигатель науки. А отвергая базовые принципы мышления человека, и лишая его возможности мыслить, мы лишаем себя и нормальной науки. Потому прежде чем признать, что локального реализма не существует, нужно всё таки убедиться, что всё, что мы выдумали, строго соответствует действительности, а не просто "заткнуться и считать". Возможно, именно эта считающаяся сегодня дерзкой мысль, нужна нам для следующего научного прорыва.