Гравитация. Последнее искушение Эйнштейна - читать онлайн книгу. Автор: Маркус Чаун cтр.№ 60

Если суперпозиция кажется вам недостаточно странным феноменом, подумайте о том, что квантовые явления могут комбинироваться, создавая невероятные сочетания — например, нелокальность или жуткое дальнодействие, которые Эйнштейн считал слишком безумными для реальной теории. Чтобы понять их, давайте для начала разберёмся, что такое спин.

Наряду с корпускулярно-волновым дуализмом и непредсказуемостью спин — это ещё одно квантовое свойство, не имеющее аналогов в нашем мире. Представьте себе фигуриста, который вращается на льду. Он обладает так называемым угловым моментом, рассчитываемым как импульс его тела, умноженный на среднее расстояние от оси, вокруг которой происходит вращение. Значение углового момента (как и импульса, и энергии) является фиксированным и не может быть создано или уничтожено. Поэтому, когда фигурист прижимает руки к бокам, тем самым сокращая расстояние между своим телом и осью вращения, он начинает вращаться быстрее для компенсации изменений.

В квантовом мире частицы (например, электроны) ведут себя так, как будто они вращаются, хотя никакого вращения на самом деле не происходит. Они обладают внутренним спином. Как и всё в микромире, он измеряется в невидимых квантах. Исторически сложилось так, что фундаментальной единицей спина является 1/2 от определённого значения (ℎ/2π). Такой спин переносится электроном. При этом электрон может вращаться либо по часовой стрелке, либо против неё, хотя на самом деле он не вращается. Физики предпочитают говорить, что в таком случае спин электрона направлен вверх или вниз.

Теперь давайте посмотрим, как спин в комбинации с некоторыми другими квантовыми свойствами, а именно суперпозицией и непредсказуемостью, приводит к возникновению феномена жуткого дальнодействия.

Возьмём два электрона. Первый из них имеет спин, направленный вверх, а второй — вниз. Или наоборот. Главное, что в такой ситуации возможна суперпозиция, при которой два электрона имеют спины, направленные одновременно вверх и вниз и вниз и вверх.

Поскольку спины электронов направлены в разные стороны, они гасят друг друга, то есть их угловой момент равен нулю. Мы помним, что угловой момент не меняется, он должен постоянно оставаться нулевым. То есть спины двух электронов должны всегда быть разнонаправленными.

Теперь, не глядя на наши электроны, давайте поместим один из них в коробку и отправим на противоположный конец земли. Откроем коробку. Из-за квантовой непредсказуемости существует 50%-ный шанс того, что электрон, который мы наблюдаем, будет иметь спин, направленный вверх, и 50%-ный — что вниз. Суть в том, что, как только мы определим направление спина, тот электрон, который мы оставили дома, должен будет приобрести противоположный спин. Обратите внимание на слова «как только». Они полностью нарушают установленный Эйнштейном космический предел скорости, равный скорости света. Именно поэтому Эйнштейн полагал, что жуткое дальнодействие — доказательство неправильности квантовой теории.

К сожалению для него, лабораторные эксперименты показали, что родившиеся вместе субатомные частицы, например два электрона из нашего примера, действительно могут влиять друг на друга со скоростью, превышающей скорость света, даже если они находятся на разных концах Вселенной. Учёные называют такое состояние квантовой запутанностью. Нильс Бор говорил: «Тот, кто не шокирован квантовой физикой, просто ещё не понял принцип её работы».

Нелокальность, также известная как запутанность, вписывается в специальную теорию относительности, так как та считает невозможной передачу информации на сверхзвуковых скоростях. Но в случае с двумя электронами мы не знаем, какой электрон имеет спин, направленный вверх, а какой — вниз, пока не взглянем на него. Соответственно, мы не сможем закодировать с их помощью сообщение, например присвоив одному спину значение 1, а другому — 0. Передача информации в такой ситуации действительно невозможна.

Но, помимо непредсказуемости, суперпозиций и запутанности, существует и ещё одно базовое свойство волн, влияющее на нашу реальность…

Представьте себе волну, которая имеет постоянную длину и колеблется вверх-вниз. Такая синусоидальная волна движется без остановки, а значит, её точное местоположение на 100% неопределённо. Теперь подумайте об импульсе, который она переносит. Можно интуитивно предположить, что он связан с длиной волны. Очень активная волна с небольшой длиной будет переносить больший импульс, а более спокойная — меньший. Поскольку синусоидальная волна имеет лишь одну длину, то мы знаем точное значение переносимого ею импульса. Оно известно нам на 100%.

Мы можем создать более локализованную волну, чем синусоидальная. Чтобы сформировать такой «волновой пакет», нужно просто добавить к первой синусоидальной волне вторую с другой длиной. А затем ещё одну, и ещё одну, и так до тех пор, пока синусоидальные волны не погасят друг друга везде, кроме одной локализованной области. ^[233] Чем больше волн находятся в суперпозиции, тем более локализованную волну можно получить в итоге. Но за точное определение местоположения волны придётся заплатить определённую цену. Так как теперь наша волна состоит из множества синусоидальных волн, каждая из которых имеет свою длину и, что самое главное, свой собственный импульс, общий импульс локализованной волны оказывается неопределённым.

Итак, чем точнее мы знаем местоположение волны, тем менее точно можем определить значение импульса и наоборот. Напомню, что для единичной синусоидальной волны значение импульса было известно нам на 100%, но лишь за счёт полностью неопределённого местоположения самой волны. Между нашими знаниями о местоположении волны и её импульсе должен существовать некоторый компромисс. Это фундаментальное свойство распространяется на все типы волн, и обойти его невозможно. А так как микроскопические строительные блоки материи ведут себя как волны, такой же компромисс действует и для них. Мы уже встречались с этим явлением ранее. Оно называется принципом неопределённости Гейзенберга. ^[234]

Если говорить точнее, то произведение значений неопределённости местоположения частицы и её импульса не может быть меньше ℎ/2π. ^[235] Такое же ограничение существует и для энергии и времени. В частности, произведение значений неопределённости энергии частицы и времени её существования тоже не может быть ниже ℎ/2π. ^[236]