Нелокальность

Нелокальность

Прежде чем начать разговор о нелокальности, вспомним сначала, что значит «локальное взаимодействие» (лат. localis – местный). Физический энциклопедический словарь дает такое понятие: «Локальное взаимодействие – это механизм взаимодействия между полями, при котором поведение одного поля v в точке пространства – времени х определяется значением другого поля u в той же точке» (4). Примером локального взаимодействия может служить, например, электродинамика, в которой поведение электрона в точке х определяется потенциалом электромагнитного поля в той же точке.

Можно привести более простой пример с бильярдным шаром. Если лежащий на бильярдном столе шар приходит в движение, причина находится в механике (удар другого шара), полях (воздействие электромагнитного поля толкает шар в определенном направлении) или геометрии (стол наклонен). Но без причины шар двигаться не будет. Эти местные (локальные) причины воздействия в приведенных случаях называются локальными параметрами.

Вообще в классической физике понятие «вероятность» используется в тех случаях, когда неизвестны характеристики какого-то процесса или явления. Иными словами, вероятность – это выражение нашего незнания тех явлений, которые будут открыты позднее. Вероятные локальные параметры (которые пока еще нам неизвестны) в фундаментальной физике представляют связи между пространственно удаленными друг от друга объектами, которые осуществляются посредством каких-либо сигналов, передаваемых со скоростями, не превышающими скорость света.

В субатомной физике тоже существуют локальные переменные, которые представляют собой связи между пространственно удаленными друг от друга объектами. Эти локальные связи реализуются посредством сигналов-частиц или их последовательностей – каскадов и также подчиняются законам пространственного удаления, которые не позволяют никаким сигналам перемещаться быстрее скорости света.

Однако в последнее время было обнаружено, что за локальными связями существуют некие нелокальные связи, которые характеризуются мгновенностью установления и пока не могут предсказываться при помощи языка точной математики.

Представьте себе ситуацию, при которой бильярдный шар, лежащий на одном конце стола, внезапно повернулся по часовой стрелке. В то же самое мгновение второй бильярдный шар, лежащий на другом конце стола, повернулся против часовой стрелки. Вот такой наблюдаемый эффект в квантовом мире называется нелокальным.

Словом, нелокальность – это наличие таких областей в пространстве и времени, в которых не действуют известные нам физические законы. Наличие нелокальности в квантовом мире предполагает мгновенное действие на расстоянии, то есть распространяющееся с бесконечно большой скоростью.

Сам Эйнштейн долго не мог признать существование нелокальных связей и вытекающее из этого факта фундаментальное значение вероятности. Особенно он возражал против той гипотезы Бора, согласно которой свойства частиц отсутствуют, пока они ненаблюдаемы, так как в сочетании с другими открытиями квантовой физики это как раз и означает, что элементарные частицы взаимосвязаны самым невероятным образом.

С таким предположением Эйнштейн был категорически не согласен. Именно этой проблеме был посвящен его исторический спор с Бором в 1920-е годы, во время которого Эйнштейн выразил свое несогласие с тем, как Бор интерпретирует квантовую теорию при помощи знаменитого афоризма: «Бог не играет в кости» (19). Согласиться с Бором Эйнштейну мешала его непоколебимая вера в существование локальных скрытых переменных, которых наука пока не знает.

ЭПР-парадокс. В 1935 году Эйнштейн со своими коллегами Борисом Подольским и Натаном Розеном опубликовал ставшую впоследствии знаменитой статью под названием «Может ли квантово-механическое описание физической реальности считаться законченным?». Стремясь объяснить, в чем состоит ошибка Бора, признающего нелокальное взаимодействие, они использовали весьма убедительный, как им казалось, аргумент – ничто (никакие сигналы) не может двигаться быстрее скорости света, тем более двигаться мгновенно, поскольку это приведет к разрушению барьера времени и откроет дверь различного рода неприемлемым парадоксам (3). В то время когда Эйнштейн и его коллеги выдвинули свой пример о паре частиц, по техническим и другим причинам постановка такого эксперимента была затруднена. Этот эксперимент так и остался в воображении. Позднее, когда существование нелокальных связей было доказано многочисленными экспериментами, аргументация этих ученых получила название «парадокс Эйнштейна – Подольского – Розена» (или ЭПР-парадокс).

После выхода статьи Эйнштейна Бор остался невозмутим. Вместо того чтобы допустить скорость связи фотонов, превышающую скорость света, он предложил другое объяснение. Если элементарные частицы не существуют, пока не наблюдаются, тогда никто не может представлять их в виде независимо существующих «объектов». То есть Эйнштейн, по мнению Бора, основывал свое возражение на ошибочном предположении о независимом существовании пары частиц. На самом деле они были частью неделимой системы, и было бы немыслимо думать о них по-другому.

Со временем большинство физиков приняло сторону Бора и согласилось, что его подход верен. Триумфу Бора способствовали также успешные предсказания его теории относительно поведения частиц, поэтому физики поддержали его версию. Хотя Бор привел свой аргумент для того, чтобы противостоять атаке Эйнштейна на квантовую механику, как мы позже увидим, взгляды Бора на неделимость внутриатомных систем оказали большое влияние при постижении природы реальности.

В результате спора Эйнштейну пришлось признать, что квантовая теория в трактовке Бора и Гейзенберга представляет собой последовательную систему научных взглядов, однако его не покидала мысль о том, что рано или поздно науке удастся найти детерминистское описание всех доселе необъяснимых явлений в терминах локальных скрытых переменных.

Теорема Белла. В 1952 году доктор Джон Стюарт Белл, теоретик из CERN – Центра ядерных исследований, расположенного близ Женевы в Швейцарии, познакомился со статьей известного физика Д. Бома, которая произвела на него огромное впечатление. В статье Бом теоретически рассмотрел процесс распада нестабильного атома позитрония, состоящего из электрона и позитрона (частицы и античастицы). Образовавшиеся при этом два кванта света, или фотона, бегущие в противоположных направлениях, согласно квантовой физике, вне зависимости от расстояния между ними, при измерении должны были показать одинаковые углы поляризации. Поляризация частиц – характеристика состояния частицы, связанная с наличием у них собственного момента импульса – спина и его направлением в пространстве (4). Бом в своей работе предполагал наличие нелокальности в квантовом мире, и Белл невольно начал думать о проверке этого предположения.

В 1964 году он получил годичный отпуск для научной работы и смог сконцентрироваться на идее, которая так его захватила. Он достаточно быстро нашел элегантное математическое обоснование эксперимента. Единственной проблемой в то время было ограничение точности, обусловленное уровнем развития техники. Чтобы убедиться в том, что частицы, например, в случае ЭПР-парадокса не используют обычной связи, основные экспериментальные измерения должны были производиться за такой бесконечно малый промежуток времени, за который луч света не успевал бы пройти расстояние между частицами. Это означало, что измерительные приборы должны были производить необходимые отсчеты в течение нескольких миллиардных долей секунды. Таких приборов тогда еще не было.

В 1965 году Белл опубликовал теоретическую работу, кратко называемую теоремой Белла, которая подтверждала предположение Бома: в наблюдаемом квантовом мире должны действовать нелокальные эффекты (20). В физике теорема – это не просто «теория», а математическое доказательство, которое должно быть признано истинным, если в нем нет математических ошибок и если эксперименты, лежащие в его основе, воспроизводимы. Белл доказал свою теорему математически точно. Ее весьма тщательно проверил Бом, а несколько лет спустя были произведены эксперименты, подтверждающие правильность теории.

Теорема Белла позволяет сформулировать обобщенно ее суть так: не существует изолированных систем; каждая частица Вселенной находится в «мгновенной» связи со всеми остальными частицами. Вся Система, даже если ее части разделены огромными расстояниями и между ними отсутствуют сигналы, поля, механические силы, энергия и т. д., функционирует как Единая Система (21). При этом мгновенная «связь», описываемая теоремой Белла, не требует затрат энергии.

Казалось бы, подобная связь между частицами, протекающая со скоростью, превышающей скорость света, вступает в противоречие со специальной теорией относительности. Однако правильность теоремы Белла экспериментально подтвердил доктор А. Аспект из Орсе.

Эксперимент А. Аспекта. В 1970-е годы уровень технологии уже позволил нескольким исследователям поставить эксперимент с двумя частицами, описанный ранее Бомом. Хотя результаты были обнадеживающие, окончательный вывод так и не был сделан.

В 1982 году физики Ален Аспект, Жан Далибар и Жерар Роже из Института оптики Парижского университета произвели долгожданный эксперимент и получили положительный результат. Сначала они произвели серию одинаковых фотонов путем нагрева атомов кальция лазерами. Затем они позволили каждому фотону бежать в противоположных направлениях через трубку длиной 6,5 м и проходить через специальные фильтры, направляющие их к одному из двух возможных анализаторов. Каждый фильтр производил переключение между одним и другим анализатором за десять миллиардных секунды, то есть на тридцать миллиардных секунды меньше, чем было необходимо свету для прохождения 13 м, отделяющих каждую группу фотонов. Таким путем Аспект и его коллеги смогли исключить любую возможность связи фотонов через известные физические процессы (20).

Они обнаружили, что, как и предсказывала квантовая теория, каждый фотон может коррелировать свой угол поляризации с углом своего двойника. Это указывало либо на нарушение эйнштейновского запрета на связь, превышающую скорость света, либо на нелокальную связь обоих фотонов. Поскольку большинство физиков не могло согласиться с привнесением в физику процессов, скорость которых превышает скорость света, эксперимент Аспекта стал рассматриваться как подтверждение нелокальной связи двух фотонов.

Чтобы рассмотреть упрощенную версию такого эксперимента, которая была разработана в ходе исчерпывающего анализа, данного Дэвидом Бомом, необходимо поближе познакомиться с некоторыми свойствами спина.

В определенном смысле спин частицы представляет собой ее вращение вокруг собственной оси. Однако, как и положено, в субатомной физике ничего не бывает простым и однозначным. В случае с электроном множество значений спина состоит из двух вариантов: количество вращения остается всегда постоянным, однако относительно заданной оси вращения электрон может вращаться в двух направлениях – или по, или против часовой стрелки. Физики обычно обозначают эти два значения при помощи слов «вверх» и «вниз». Естественно, невозможно определить и точное направление оси вращения электрона. Электроны обладают тенденцией существовать в различных точках внутри атома, и точно таким же образом для них характерна тенденция вращаться вокруг любой оси. Тем не менее стоит нам выбрать некую ось и произвести измерения, как мы обнаружим, что электрон вращается именно вокруг этой оси в одном из двух направлений. Другими словами, частица приобретает определенную ось вращения в момент измерения, хотя до этого момента об оси вращения ничего определенного сказать было нельзя: электрон имеет только некоторую тенденцию, или потенцию, вращаться вокруг этой оси (1).

В эксперименте, доказывающем существование нелокальных связей, участвуют два электрона, вращающихся в противоположных направлениях так, что их суммарный спин равен нулю, хотя направления осей вращения неизвестны. Ученые начинают удалять электроны друг от друга методами, которые никак не воздействуют на спин частиц. Суммарный спин остается равным нулю, даже если эти электроны находятся один в Лондоне, а другой – в Нью-Йорке.

Предположим, что после измерения спина частицы вокруг вертикальной оси (исследователь волен выбрать для измерения любую ось) мы обнаружили, что частица, которая находится в Лондоне, имеет «верхний» спин. Поскольку суммарный спин обеих частиц равен нулю, из этого следует, что спин второй частицы в Нью-Йорке должен быть «нижним». Таким образом, посредством измерения спина первой частицы мы одновременно косвенно измеряем спин второй частицы, не оказывая на нее совершенно никакого воздействия.

Парадоксальность эксперимента заключается в том, что спины частиц будут иметь противоположные значения по отношению к любой оси вращения, которую исследователь выберет в момент измерения, хотя до момента измерения они, оси, существуют только в качестве тенденций или возможностей. Стоит наблюдателю выбрать определенную ось вращения первой частицы (например, горизонтальную) и произвести измерения, как вторая частица начинает вращаться вокруг той же оси. Наблюдатель произвел новые измерения, выбрав другую ось вращения первой частицы, а вторая уже в курсе, она уже вращается вокруг новой оси. Словом, обе частицы мгновенно получают определенную общую ось вращения. Причем это происходит настолько быстро, что вторая частица не может получить эту информацию при помощи какого-либо условного сигнала, особенно если она находится на огромном расстоянии.

Как вторая частица узнает, какую ось выбрал исследователь для измерения спина первой частицы?

С точки зрения Эйнштейна, никакой сигнал не способен перемещаться в пространстве быстрее скорости света, поэтому измерение, произведенное по отношению к одному из электронов, не может в то же мгновение сообщить определенное направление вращению второго электрона, находящегося в тысячах миль от первой частицы. А эксперименты неопровержимо свидетельствовали, что факт мгновенной передачи сигнала существует.

По мнению Бора, система из двух электронов представляет собой неделимое целое, и хотя частицы разделены большим расстоянием, мы не можем рассматривать эту систему в терминах составных частей. Независимо от расстояния электроны соединены мгновенными, нелокальными связями. Квантовая действительность оказалась принципиально нелокальной и несепарабельной (не разделимой на отдельные независимые части).

Теорема Белла и эксперименты Аспекта нанесли сокрушительное поражение позиции Эйнштейна, доказав, что понимание действительности как сложной структуры, состоящей из отдельных частей, соединенных при помощи локальных связей, несовместимо с идеями квантовой теории.

Многочисленные и весьма корректные эксперименты, доказывающие существование нелокальности, многократно проводились в конце ХХ века современными учеными (Беннет, Зайлинер) и постоянно подтверждали наличие нелокальной связи между частицами. Известный физик Пол Дэвис из Ньюкаслского университета (Великобритания) заявил, что, «поскольку все частицы постоянно взаимодействуют и разделяются, нелокальные аспекты квантовых систем – общее свойство природы» (22).

Однако нельзя не учитывать и специальную теорию относительности, в которой также отсутствуют ошибки и которая имеет множество подтверждающих ее экспериментов.

Опять сознание. Было предложено два решения этой проблемы, в каждом из которых предполагается, что «связь», описываемая теоремой Белла, не требует энергии, так как именно энергия не может перемещаться быстрее света. Доктор Эдвард Харрис Уокер предположил, что неизвестным элементом, передвигающимся быстрее света и соединяющим систему воедино, является сознание. Другая альтернатива, предложенная доктором Джеком Сарфатти, состоит в том, что средством белловской связи служит информация.

Согласно современным научным исследованиям, Сознание следует понимать как высшую форму развития информации – самоосознающую, творящую информацию (23). Носителем информации в Тонком мире являются торсионные поля, которые распространяются без затрат энергии и практически мгновенно, поскольку скорость распространения торсионных волн составляет 109С, где С – скорость света в вакууме (22).

Предположения Уокера и Сарфатти объединились в единое решение. В их предположениях есть определенный смысл. Дело в том, что сознание человека постоянно имеет дело с локальностью и нелокальностью, с причинностью и беспричинностью.

Когда человек изучает мир с помощью органов чувств, он воспринимает его как вероятностный (беспричинный), но локальный, то есть обязательно помещенный в какой-нибудь пространственно-временной континуум, обладающий геометрическими свойствами. В этом случае его сознание представляет собой не более чем совокупность процессов, происходящих в клетках головного мозга. По классификации американского ученого доктора Ч. Тарта, это так называемое В-сознание принадлежит телу человека, и в случае физической смерти оно дезинтегрируется.

Однако человек способен познавать мир чисто умозрительно, строить его детерминированные, но нелокальные модели, поскольку способен мгновенно охватить своим мысленным взором как бесконечно малое, так и бесконечно большое. Этот образ мира лишен пространственно-временной структуры. Это так называемое А-сознание, по классификации Тарта, является полевым (трансперсональным), оно связано с человеком, но находится вне его.

По мнению Тарта (и многих других ученых), Сознание человека двойственно и представляет собой целостную систему, состоящую из взаимодействующих друг с другом капсулированного сознания, анатомически ограниченного телом, и полевого (трансперсонального) сознания.

В лекции профессора Ф. Спеддинга, прочитанной в британском Обществе психических исследований, есть такие слова: «Мы можем вообразить себе живой мир в виде архипелага из миллиона небольших островов, каждый из которых представляет собой физическое сознание (В-сознание. – Авт.). Непосредственно под поверхностью находится личное бессознательное. Ниже земля соединяется, и в этом слое залегает коллективное бессознательное, через которое идеи и мысли от одного личного бессознательного передаются другому, и если при этом они проникают до уровня сознания, то мы наблюдаем феномен телепатии. В момент рождения над поверхностью океана Бытия возникает остров сознания. А в момент смерти он исчезает под водой» (2).

К сожалению, до сих пор квантовая теория в современной формулировке не допускает вмешательства человеческого сознания, несмотря на то что ряд интерпретаций волновой функции и проблема с ее редукцией опираются на некоторые его качественные характеристики. Хотя еще в начале XX века Нильс Бор высказывал мысль, что рано или поздно квантовая механика придет к необходимости вмешательства сознания в анализ фактов физической реальности.

Данный текст является ознакомительным фрагментом.