Квантовая спутанность в самых простых словах (Научная картина мира часть VI)

Научные теории, если оставить в стороне их математическое выражение, должны допускать такое простое изложение, чтобы даже ребенок мог их понять.

Альберт Эйнштейн

Необходимость рассмотреть этот вопрос возникла в процессе обсуждения текста «Проблема теории личности (Научная картина мира часть V)» к чему непосредственно подвигал автора коллега termit .

Автор – не физик, а биогеограф. Обратиться к текстам физиков пришлось, дабы разобраться в проблемах биологических.

Историю эту можно начать с того, что в 1900 году Макс Планк постулировал, что свет может проявлять себя не только как волна, но и как квант энергии, предложив в следующем году формулу спектра излучения абсолютно черного тела. С этого момента корпускулярно-волновой дуализм стал камнем преткновения и, одновременно, стратегическим направлением развития физической теории. Нильс Бор принял существование фотонов только в 1925 году, а сам термин «фотон» был предложен в 1927. В 1923 году Луи де Бройль постулировал универсальность принципа корпускулярно-волнового дуализма, а Макс Борн в 1926 году предположил вероятностный характер событий в рамках квантовой механики. Принцип индетерминизма Борна поддержал Вернер Гейзенберг в 1927 году, выдвинув принцип неопределенности, согласно которому существуют пары измеряемых величин, которые не измеримы одновременно, например: импульса элементарной частицы и ее координат. Чем более точно определяется первая, тем менее точно вторая. Все это идет в разрез с принципом причинности  и тут стоит вспомнить коллегу абра с его замечаниями о законе причинно-следственных связей к тексту «Давайте поговорим о действительно важном». 

В этом же году на V Сольвеевском конгрессе в Копенгагене проблема оказалась «поставлена ребром» в знаменитом споре Эйнштейна с Бором. Бор, поддерживаемый Гейзенбергом, представил коллегам «копенгагенскую интерпретацию» квантовой механики, суть которой в том, что паттерны микромира существуют только в рамках процесса их прямых измерений. Иными словами, квантовый мир в представлении Бора существует только как абстрактное квантово-механическое описание. Соответственно, для возникновения Вселенной она должна выйти из состояния суперпозиции многих возможностей, для чего нужен независимый глобальный наблюдатель – Бог. Эйнштейн не принял этого истолкования квантовой механики, т.к. для него реальность не зависла от ее восприятия. По поводу принципа индетерминизма Эйнштейн заявил: «Бог не играет в кости» - с его точки зрения принцип неопределенности являлся методической проблемой, а не отражением объективной физической реальности. Она для Эйнштейна локальна и детерминирована.

Под тенью этой проблемы теоретическая физика существовала несколько десятилетий. В 1951 году Девид Бом попытался разрешить ее, выдвинув альтернативную копенгагенской интерпретацию квантовой механики, использовав идею де Бройля о пилотной волне, от которой тот отказался после критики на Сольвеевском конгрессе в 1927 году. Бом предложил более логичный концепт на основе более изощренного математического аппарата. Абстрактную волну вероятности в квантовой механике Бом переосмыслил как реальную пилотну волну, создающую поток физических событий, в котором движутся реальные частицы. В каждый момент времени частица имеет точные значения скорости и координат, но в эксперименте не удается их измерить из-за принципа неопределенности. Эйнштейн идею Бома не принял – она стала еще одной нелокальной интерпретацией, предполагающей мгновенную передачу неизвестных квантово-механических взаимодействий, которые Эйнштейн называл: «сверхъестественное действие на расстоянии», передающееся мгновенно на любое расстояние. Теория относительности предусматривает независимость пространственно разделенных частиц и предел скорости передачи любых взаимодействий скоростью света.

Анализируя работы Бома, Джон Стюарт Белл вывел теорему, основанную на мысленном эксперименте, которые в споре Эйнштейна и Бора были важным инструментом, используемым обеими сторонами. Мысленный эксперимент – словесно описываемая модель процесса, подвергающаяся анализу и обсчету инструментами квантовой механики. Эксперимент, предложенный Бомом: частица со спином, равным нулю, распадается с высвобождением двух электронов. Так как их полный спин должен остаться равным нулю, электроны должны иметь разнонаправленные спины. После их разлета на дистанцию, исключающую физическое взаимодействие, будут ли их спины оставаться коррелированными? Мысленно меняя пространственное положение обеих детекторов спинов электронов, Белл продемонстрировал сохранение корреляции. Попытка измерения спина одного из электронов, приводящая к коллапсу волновой функции, вызовет мгновенное изменение спина другого электрона. Нужно подчеркнуть, что теория квантовой механики многократно подтверждалась натурными экспериментами, что делает с высокой степенью достоверным анализ на ее основе мысленных экспериментов.

В 1972 году Джон Клаузер и Стюарт Фридман провели экспериментальную проверку теоремы Белла которая подтвердила то сверхъестественное действие на расстоянии Бора, против которого протестовал Эйнштейн. Теорема Белла после 1972 года перепроверялась многократно и чаще подтверждалась нелокальность копенгагенской интерпретации Бора, хотя были проблемы с эффективностью детекторов. В 1981 - 1982 Ален Аспект с коллегами поставили три эксперимента на самой современной на то время приборной базе и вновь подтвердили с высокой надежностью верность нелокальной копенгагенской интерпретации. Эксперименты Аспекта многократно перепроверялись в еще более изощренных опытах на все более совершенной приборной базе и результат был в пользу нелокальности копенгагенской интерпретации.

Описав самым кратким образом эту «долгую дорогу в дюнах» к установлению парадоксальной истины, перейдем к смыслу полученных результатов. Причинность, на которой так настаивал Эйнштейн, подразумевает взаимодействие (перенос энергии, импульса), которое в соответствии с теорией относительности распространяется со скоростью не выше скорости света в локальном пространстве, в котором можно проследить взаимодействия в цепочке причин и следствий. Локальность в логике Эйнштейна заключается в том, что физические процессы в любой точке пространства и времени протекают в соответствии со своими алгоритмами-законами. Они могут быть рассчитаны и познаны. Это одна из форм ярко выражаемого позитивистского мировоззрения, идущего от стоиков через Иммануила Канта и Огюста Конта к Пуанкаре, Богданову (заложившему основы кибернетики на четверть века раньше Нормана Виннера), Куайну, Бертрану Расселу и многим другим крупным ученым и философам.

Принцип индетерминизма, постулированный Борном и подтвержденный в экспериментах, предусматривает возникновение события, причинность которого не установлена, неочевидна, может быт случайной и предусматривает применение математического аппарата статистических вычислений вероятности событий. Именно это в микромире подтверждено теоретически, а потом и экспериментально. Тут мы опять вспоминаем коллегу абра с законом причинно-следственных связей. Бор, Гейзенберг, Борн, Белл и целая армия физиков-экспериментаторов опровергли логическую схему: причинность (детерминированность) - локальность, подтвердив схему: вероятностность (индетерминированность) – нелокальность. В основе ее - квантовая спутанность, сущность которой в том, что если квантовые объекты были в состоянии взаимовлияния, их информационная связность остается навсегда и не зависит от расстояний и физических свойств сред, находящихся между ними. Их информационная связность реализуется в параметрах их спинов. Они знают о состоянии друг друга. Если спин одной спутанной частицы изменился, он НЕМЕДЛЕННО изменится соответствующим образом у другой частицы. Из этого свойства вытекает вся та всеобщая связность в этом мире, о которой уже столько тысячелетий говорят философы и религии. На вопрос о научной подоснове, о физических основаниях реализации закона кармы – вот ответ. Для автора это источник понимания физических оснований функционирования биологического вида как системной целостности. В химических связях хромосомного аппарата технически возможно записать лишь меньшую часть того объема информации, которая обеспечивает функционирование этой системной целостности.

Но это еще не вся история. Все мы в душе позитивисты, чувствуем элемент правоты в позиции Эйнштейна и закон причинно-следственных связей психологически нам понятен. В основе квантовой механики принцип неопределенности Гейзенберга и принцип дополнительности Бора. К последнему и обратимся. Корпускулярно-волновой дуализм подразумевает два состояния материи – корпускулярное (лежащее в основе вещества) и средовое (физические поля). Среда-поле – фундаментальное состояние материи и источник всего сущего. Корпускулы (кванты поля) – в соответствии с теорией относительности переносят энергию и импульс со скоростями ниже скорости света. Здесь хорошо просматривается энерго-информационный дуализм в рамках которого можно взглянуть на вторую сторону диалектической реальности: корпускулярно-энергетического – полевого-информационного дуализма.

Причинность подразумевает, что знаем ли мы – не знаем о причинности события, каким-то образом через какую-то среду-субстанцию взаимодействие осуществлено. Соответственно, индетерминированность – нелокальность потенциально являются детерминированностью – локальностью, если определить среду-субстрат мгновенного дальнодействия, против которого так возражал Эйнштейн. Если снять это возражение, то в остальном Эйнштейн прав. Средой-субстратом является физический вакуум, из которого возник весь видимый и невидимый мир и в который он погружен как в океан-Солярис. В этой среде кванты энергии движутся с конечной скоростью по Эйнштейну, а информация распространяется мгновенно, вне категории «время», т.к. физический вакуум знает о себя самом все. И тут мы опять вспоминаем коллегу абра с законом причинно-следственных связей. Я не мог ответить ему на ветках обсуждения, так как это «слишком много букофф». И так со многими другими замечаниями и высказываниями. Кратко объяснить невозможно. Сложные вопросы нужно разбирать по косточкам. Надо полагать, будут вопросы по физическому вакууму и виду взаимодействия, способному мгновенно переносить информацию, но это тоже «слишком много букофф» и не сейчас.