# Существует ли мир, когда мы не смотрим? Спор Бора и Эйнштейна Источник: https://www.youtube.com/watch?v=tafGL02EUOA Канал: PBS Space Time Опубликовано: 22.09.2016 --- Существует ли скрытая физическая реальность, лежащая в основе странного поведения квантового мира, или она является лишь иллюзией в глазах наблюдателя? В выпуске научно-популярного проекта PBS Space Time ведущий подробно анализирует исторический спор между Альбертом Эйнштейном и Нильсом Бором вокруг феномена квантовой запутанности. Современные физические эксперименты дают поразительные ответы на этот фундаментальный вопрос, заставляя ученых выбирать между отказом от объективного существования вещей и признанием мгновенных связей через всю Вселенную. ## 👶 Игра в «ку-ку» и кризис объективной реальности [[JUMP:0:01]] Маленькие дети, как отмечает ведущий, на удивление хороши в квантовой механике — по крайней мере, в одном из ее аспектов. Младенцы обожают игру в «ку-ку» (peekaboo), поскольку у них еще не сформировалось представление о постоянстве объектов. Когда взрослый закрывает лицо руками, ребенок искренне верит, что человек перестал существовать, а когда открывает — лицо будто возникает из ниоткуда. По мере взросления люди твердо усваивают, что предметы не могут магически появляться и исчезать без причины. К моменту поступления в университет идея постоянства объектов укореняется настолько глубоко, что ее даже не обсуждают на вводных лекциях по физике. Идея о том, что Вселенная продолжает существовать, когда мы на нее не смотрим, является фундаментальным скрытым допущением всей классической физики и науки в целом. В физическом сообществе этот подход, утверждающий независимость мироздания от разума наблюдателя, называют реализмом. Однако квантовая механика оказалась настолько причудливой, что заставила ученых поставить этот базовый принцип под сомнение. На заре развития квантовой теории возник ожесточенный спор. Физик Нильс Бор настаивал, что приписывать физическую реальность элементам Вселенной в отсутствие наблюдений совершенно бессмысленно. Согласно его копенгагенской интерпретации: * В промежутках между измерениями квантовые системы существуют как «туманная смесь» всех возможных свойств, известная как суперпозиция состояний. * Волновая функция, описывающая эту суперпозицию, представляет собой максимально полное описание реальности. * Привычный нам материальный мир обретает определенность исключительно в момент измерения. ## 🧠 Альберт Эйнштейн против «вселенной ку-ку»: EPR-парадокс [[JUMP:2:14]] Совершенно иной взгляд защищал Альберт Эйнштейн, твердо веривший в существование объективной реальности, не зависящей от акта наблюдения. Он утверждал, что волновая функция и вся квантовая механика в ее текущем виде неполны. По мнению Эйнштейна, должны существовать так называемые скрытые переменные — внутренние физические параметры частиц, которые предопределяют результаты измерений, но пока остаются невидимыми для приборов. Чтобы продемонстрировать абсурдность позиции Нильса Бора, Альберт Эйнштейн совместно с Борисом Подольским и Натаном Розеном предложил мысленный эксперимент, вошедший в историю как EPR-парадокс. Авторы показали: если полностью отказаться от принципа реализма, то придется пожертвовать еще одной священной для физики концепцией — локальностью. Принцип локальности постулирует, что любая часть Вселенной может взаимодействовать только со своим непосредственным окружением. Этот тезис критически важен для теории относительности Эйнштейна, согласно которой цепочка причинно-следственных связей не может распространяться быстрее скорости света. Именно в рамках EPR-парадокса рождается концепция квантовой запутанности. Сценарий выглядит следующим образом: 1. Две частицы на короткое время вступают во взаимодействие, связывая свои свойства. 2. После этого они разлетаются на огромное расстояние, а ученые намеренно избегают измерений, чтобы сохранить квантовую неопределенность. 3. Согласно квантовой физике, пара описывается единой комбинированной волновой функцией. Исходя из копенгагенской интерпретации Нильса Бора, измерение параметров первой частицы мгновенно коллапсирует общую волновую функцию. Это автоматически предопределяет состояние второй частицы, где бы она ни находилась. Как подчеркивает ведущий, подобное гипотетическое влияние передавалось бы мгновенно на любые расстояния и даже обратно во времени, грубо нарушая локальность и причинность. Альберт Эйнштейн посчитал это нелепостью и назвал «жутким дальнодействием» (spooky action at a distance). Он был убежден, что каждая точка пространства должна быть реальной и описываться локальными скрытыми переменными. ## 📊 Теорема Белла: как философию превратить в эксперимент [[JUMP:4:38]] Долгое время дискуссия между Бором и Эйнштейном казалась исключительно философской. Однако в 1964 году ирландский физик Джон Стюарт Белл предложил изящный эксперимент, способный разрешить этот спор на практике. В его схеме использовались запутанные пары электронов и позитронов. При спонтанном рождении из фотона эти частицы всегда имеют противоположные направления спина (собственного момента импульса), но до измерения определить, куда именно направлен спин каждой из них, невозможно. Специфика квантового спина заключается в том, что процесс измерения напрямую влияет на измеряемый объект. Ось спина может смотреть куда угодно, но как только физики настраивают измерительный прибор вдоль определенной оси (например, вертикально или горизонтально), квантовый спин вынужденно выравнивается по ней. При вертикальном измерении он окажется направлен строго «вверх» или «вниз», при горизонтальном — «влево» или «вправо». Джон Стюарт Белл выделил два возможных сценария поведения частиц, которые можно проверить математически: * **Сценарий Эйнштейна (локальный реализм):** реакция каждой частицы на любые возможные типы измерений заложена в ней изначально, в момент рождения, в виде локальных скрытых переменных. Последующие манипуляции с первой частицей никак не влияют на вторую. При сопоставлении результатов возникнет корреляция, обусловленная общим прошлым частиц, но выбор оси измерения никак не повлияет на состояние удаленного партнера. * **Сценарий Бора (копенгагенская интерпретация):** до измерения частицы существуют лишь в виде волновой функции. Измерение спина первой частицы заставляет всю функцию схлопнуться. Тогда вторая частица мгновенно проявляет противоположный спин именно по той оси, которую экспериментатор выбрал для первой частицы. Это создает дополнительную корреляцию, зависящую от выбора оси прибора. Математическим выражением этой разницы стали так называемые неравенства Белла. Если эксперимент показывает, что неравенства соблюдаются, значит, прав Эйнштейн, и квантовой механике нужны скрытые параметры. Если же неравенства нарушаются, то концепция локального реализма неверна. ## 🔬 Вердикт Алена Аспе и крах локального реализма [[JUMP:7:46]] Проведение такого эксперимента оказалось чрезвычайно сложной задачей, поскольку запутанные квантовые состояния трудно создать и еще труднее удержать от разрушительного контакта с окружающей средой. Прорыв совершил французский физик Ален Аспект в начале 1980-х годов. Вместо электронов и позитронов он использовал пары фотонов с запутанной поляризацией (направлением колебаний электрического и магнитного полей). Результаты Алена Аспе оказались однозначными: корреляция между выбором оси измерения для первого фотона и финальной поляризацией второго подтвердилась. Неравенства Белла были нарушены. Более того, установка была спроектирована так, что гипотетический сигнал для координации между фотонами должен был бы путешествовать со скоростью, превышающей скорость света. С тех пор аналогичные опыты многократно повторялись на все больших расстояниях, исчисляемых десятками километров, и результат оставался неизменным. Эксперимент с отложенным выбором (delayed choice quantum eraser) также полностью подтвердил этот странный феномен. Означает ли это, что копенгагенская интерпретация окончательно победила, локальный реализм мертв, а мы действительно живем во «вселенной ку-ку», которая растворяется в абстракции, стоит нам отвернуться? Ведущий призывает не торопиться с выводами. ## 🌀 Спасение реализма: нелокальность и альтернативные интерпретации [[JUMP:9:20]] Как подчеркивает автор видео, нарушение неравенств Белла бьет по словосочетанию «локальный реализм», но физики могут пожертвовать либо реализмом, либо локальностью. Сам доктор Джон Стюарт Белл склонялся к мнению, что его эксперимент опровергает исключительно локальность, в то время как сам реализм вполне можно спасти. Признание нелокальности означает, что частицы способны влиять друг на друга мгновенно. Для последователей Эйнштейна это звучит как кощунство, однако нелокальность квантовой механики и теория относительности могут мирно сосуществовать. Главное требование относительности — сохранение причинности и запрет на сверхсветовую передачу информации. Ни один эксперимент по квантовой запутанности не позволяет передать полезный сигнал или сообщение от одного наблюдателя к другому быстрее света. Обнаружить взаимосвязь можно только постфактум, когда исследователи встретятся и сравнят свои протоколы измерений. Вселенная словно умышленно защищает себя от парадоксов дедушки и путешествий информации назад во времени. На сегодняшний день физические наблюдения оставляют ученым несколько путей: * **Копенгагенская интерпретация Нильса Бора:** остается полностью последовательной, допуская, что реальности до измерения не существует. * **Реалистичные нелокальные теории:** сохраняют объективность мира, но жертвуют локальностью. Например, существует гипотеза, что запутанные частицы соединены пространственно через микроскопические кротовые норы — мосты Эйнштейна — Розена. Другой пример — теория волны-пилота де Бройля — Бома, работающая на основе нелокальных скрытых переменных. * **Многомировая интерпретация:** позволяет сохранить и реализм, и локальность, но платит за это разделением самой Вселенной на бесчисленное множество параллельных миров при каждом квантовом событии. ## 🚀 Космические зонды фон Неймана и природа земной жизни [[JUMP:11:12]] В финальной части программы ведущий отвлекся от квантовых глубин, напомнив о предстоящем мероприятии PBS Nerd Night в Нью-Йорке, и перешел к обсуждению комментариев к прошлому выпуску, который был посвящен самореплицирующимся космическим аппаратам — зондам фон Неймана. Пользователь Daniel Obley высказал предположение, что такой зонд вполне может находиться в нашей Солнечной системе, просто он надежно спрятан от человеческих глаз. На это ведущий возразил, используя статистический аргумент: если существует один зонд, то их должно быть много. Невозможно ожидать, что абсолютно все создавшие их цивилизации (многие из которых могут обгонять нас в развитии всего на пару веков) достигли высочайшего уровня культурного просвещения и строго соблюдают «Первую директиву» ненападения. Даже если высокоразвитые утописты прячут свои аппараты за Луной, среди множества цивилизаций обязательно найдутся те, чьи зонды будут грубо и заметно бороздить просторы Солнечной системы. Другой интересный тезис выдвинул комментатор Astrophy Corno, задумавшийся о том, не является ли сама биологическая жизнь на Земле абсолютной формой машины фон Неймана. Ведущий назвал эту мысль жизнеспособной. Человечество само находится на пороге создания синтетической жизни, и именно биологическая миниатюризация может оказаться самым разумным способом проектирования самореплицирующихся космических исследователей. Однако здесь возникает классический вопрос панспермии: если Земля была заселена таким искусственным путем, произошло ли это лишь однажды? Все живое на планете явно произошло от одного типа самореплицирующихся молекул. Возможно, другие «космические десанты», прибывшие позже, просто не смогли прижиться на планете, где уже доминировал первый вид. Если подобные искусственные семена панспермии распространены во Вселенной, человечеству следует искать их следы на поверхностях других планет и в открытом космосе. Завершая дискуссию, ведущий с юмором прокомментировал опасения пользователя Bourne Stella, который спросил, не приведут ли такие исследования к появлению Жнецов (Reapers) из вселенной Mass Effect: «Почему это обязательно должны быть Жнецы? Почему они не могут быть Автоботами?».