В 1935 году Эйнштейн совместно с Борисом Подольским и Натаном Розеном (далее мы будем сокращать эту троицу до ЭПР) опубликовал работу, в которой попытался указать на абсурдность квантовой механики. Вся суть работы отражена в ее заголовке: «Можно ли считать полным объяснение физической реальности, данное квантовой механикой?»[130] У авторов не возникало никаких сомнений в верности самой теории: «Правильность теории определяется степенью соответствия между теоретическими заключениями и человеческим опытом. Опыт, который сам по себе позволяет нам делать выводы о реальности, в физике принимает форму измерений и экспериментов». Проблема, по их мнению, состояла в полноте квантового описания мира. Поэтому они предложили рабочий критерий для определения элементов воспринимаемой нами физической реальности – те физические величины, которые могут быть предсказаны с точностью (то есть с вероятностью, равной единице) без вмешательства в систему. Соответственно, должна существовать такая физическая реальность, которая совершенно не зависит от наших измерений. Например, ваш рост и вес – это элементы физической реальности, так как они могут быть точно измерены (с учетом погрешности измерительных приборов). В принципе, они также могут быть измерены одновременно без влияния друг на друга. Когда кто-то измеряет ваш рост, вы не прибавляете в весе и не худеете. В мире, которым управляют квантовые эффекты, такое четкое разделение невозможно для определенных важных пар значений, что отражается в принципе неопределенности Гейзенберга. ЭПР отказывались это терпеть.
Мы уже знаем, что отношение неопределенностей мешает нам одновременно узнать местоположение и скорость (точнее, механический момент) частицы. Это верно и для многих других пар «несовместимых» значений. Энергия и время также несовместимы, и между ними имеется такое же отношение неопределенностей, как между положением в пространстве и моментом. Еще одним примером является спин частицы – квантовое свойство, которое мы ассоциируем со своего рода внутренним вращением и визуализируем (пусть и не совсем верно) как обращение частицы вокруг своей оси. Квантовые частицы со спином похожи на вращающихся дервишей, только они никогда не останавливаются. Кроме того, вращение всегда происходит с одной и той же угловой скоростью, но при этом разные частицы могут иметь разные спины. Разнонаправленные спины (например, вращение слева направо или сверху вниз) несовместимы – мы не можем измерить их одновременно. В классической физике таких ограничений не существует, так как большинство значений совместимы друг с другом.[131]
Если значения совместимы, вы можете получить их одновременно без каких-либо ограничений. В квантовой физике при несовместимости значений применяется принцип неопределенности, поэтому информация, которую мы можем получить о них обоих одновременно, ограниченна. Если мы знаем скорость частицы, но также хотим вычислить ее местоположение, измерение такого местоположения заставит ее переместиться в определенную точку, «сжимая» ее волновую функцию. Иными словами, измерение активно влияет на частицу и изменяет ее первоначальное состояние. Более того, о первоначальном местоположении вообще нельзя говорить, так как до начала измерения существовали лишь вероятности присутствия частицы тут или там.
Но давайте вернемся к публикации ЭПР. Мы видим, что несовместимые значения нарушают предложенный ими критерий принадлежности физической переменной к физической же реальности. Так как измерять свойства частицы означает влиять на нее, сам акт измерения не соответствует понятию реальности, независимой от наблюдателя. Измерение создает реальность, в которой частица находится в определенной точке в пространстве. ЭПР считали такое объяснение абсурдным. Реальность не должна зависеть от того, кто или что на нее смотрит.
ЭПР рассматривали пару идентичных частиц, движущихся с одинаковой скоростью в разных направлениях. Давайте назовем их частицами А и В. Их физические свойства были зафиксированы в момент их взаимодействия, после которого они разлетелись в разные стороны.[132] Предположим, детектор определяет местоположение частицы А. Так как частицы имеют одинаковую скорость, мы также знаем, где в этот момент находится частица В. Если наш прибор сумеет измерить скорость частицы В в этой точке, мы будем знать и ее местоположение, и момент. Это противоречит принципу неопределенности Гейзенберга, который гласит, что невозможно одновременно получить информацию о скорости частицы и ее положении в пространстве. Кроме того, мы будем знать свойство частицы В (ее местоположение), не наблюдая ее. Согласно определению ЭПР, такое свойство является частью физической реальности. Даже если квантовая физика настаивает на том, что мы не можем узнать его до измерений, это, очевидно, не так. Соответственно, квантовая механика представляет собой неполную теорию физической реальности. В конце своей статьи ЭПР выразили надежду на появление лучшей, более полной теории, которая сможет вернуть физике реализм.
Бор ответил ЭПР всего через шесть недель, причем его работа вышла под тем же заголовком (не уверен, что это было бы возможно сегодня). В своей статье Бор ссылается на понятие комплементарности, которое предполагает, что в квантовом мире нельзя разделять детектор и то, что он наблюдает. Взаимодействие частицы с детектором вводит в состояние неопределенности не только частицу, но и сам детектор, так как они неразрывно связаны между собой. По сути, акт измерения устанавливает измеряемые свойства частицы и делает это непредсказуемым образом. Мы не можем сказать, имела ли она какие-либо свойства до измерения. Учитывая это, мы также не можем наделять эти свойства физической реальностью в том смысле, который подразумевали ЭПР: «Очевидно, что конечное взаимодействие между объектом и измерительными приборами… ведет… к необходимости отказаться от классического представления о причинно-следственных связях и радикально пересмотреть наш подход к вопросу физической реальности»[133] (выделение авторское).
В своем классическом учебнике Дэвид Бом развивает эту мысль: «[Мы предполагаем, что] свойства заданной системы существуют в нестрогой, но определенной форме и что на более точном уровне они не выступают определенными свойствами, но лишь вероятностями, которые более точно проявляются в интеракциях с подходящими для этого классическими системами, например измерительными аппаратами».[134] Бом завершает свою аргументацию ярким пассажем: «Итак, мы видим, что такие свойства, как местоположение и момент, не просто представляют собой не полностью определенные и противоположные вероятности. При высокоточном описании мы даже не можем считать, что они принадлежат только электрону, так как реализация этих вероятностей зависит от электрона в той же степени, что и от системы, с которой он взаимодействует».[135]
Согласно Бору и его последователям, ЭПР строят свои рассуждения на традиционном классическом допущении о существовании реальности, независимой от измерений. От этого допущения необходимо было отказаться. Реальность – куда более странная штука, чем ее хотел видеть Эйнштейн. Все, что мы можем, – это исследовать ее с помощью наших измерительных приборов и толковать результаты, используя вероятностную интерпретацию, которую предлагает квантовая механика. Если за Природой и стоит что-то, это что-то непознаваемо. Гейзенберг писал: «То, что мы наблюдаем, – это не сама Природа, а Природа, которая выступает в том виде, в каком она представляется нам благодаря нашему способу постановки вопросов».
У ЭПР можно различить черты платоновского идеализма – представления о существовании конечной реальности, основы всего сущего, доступной для познания. Различие состоит в том, что для Платона эта реальность представлялась абстрактным миром идеальных форм, в то время как Эйнштейн и научные реалисты видели ее вполне конкретной, хоть и сложной для осознания. Столкновение этих взглядов с прагматичной Копенгагенской интерпретацией и с комплементарностью Бора было неизбежным.
Неужели Эйнштейн, Шрёдингер и научные реалисты всего лишь следовали за античной мечтой о полном понимании мира? Как далеко мы можем зайти в изучении базовой структуры Природы и не будет ли это изучение всего лишь разглядыванием теней на стене? Действительно ли основы сущего непознаваемы?
Шрёдингер отказывался в это верить. В 1935 году, вдохновленный работой ЭПР и ответом Бора, он написал собственную статью, критикующую квантовую физику, в которой и появился его знаменитый кот. Шрёдингер высмеивал теорию, которую сам же помогал создать, вернее, ее экстраполяцию на объекты макромира. И какой-то смысл в этом был.
Представьте себе кота, закрытого в ящике вместе с устройством, которое Шрёдингер назвал «адской машиной»: счетчиком Гейгера, прикрепленным к контейнеру с радиоактивными атомами и бутылке с цианидом. При распаде атом испускает частицу, счетчик Гейгера регистрирует ее и запускает механизм, который открывает бутылку с цианидом, убивающим кота. Если же атом не распадается, кот остается жив. Очевидно, что внешний наблюдатель не сможет сказать, жив кот или нет, до тех пор, пока не откроет коробку. Соответственно, пишет Шрёдингер, если верить квантовой механике, то до открытия коробки кот будет одновременно и жив и мертв. Волновая функция, описывающая всю систему, будет содержать равное количество элементов живого и мертвого кота (он будет находиться в суперпозиции к обоим состояниям).[136]
Согласно копенгагенской интерпретации, сам факт наблюдения приведет к 50 %-ной вероятности смерти кота. Вот уж воистину убийственный взгляд! Но и это еще не все: если кот был либо жив, либо мертв до того, как вы открыли коробку, то это должно подтверждаться его прошлой историей. Он либо был отравлен, либо нет. Означает ли это, что акт наблюдения на самом деле определяет прошлое, то есть направлен во времени назад? Возможно, один взгляд не убивает кота, а воссоздает прошлое?