Метафизика нелокальности

Два слова: метафизика нелокальности. Два непонятных слова. Попробуем растолковать каждое из них, чтобы было понятно о чём, собственно говоря, идёт речь.

Само словечко «метафизика»  является изобретением ученика Платона —  Аристотеля, точнее говоря, даже не самого Аристотеля, а одного из систематизаторов его научных трактатов.  Таковым был некий библиотекарь из славного города Александрия.  В одном из древних сборников трудов Аристотеля он так назвал  раздел, следующий   после работ, посвящённых естественным наукам, которые выделялись в отдел Физика (от др.-греч. — «природа»). Метафизика  буквально  значит  «после физики» («Meta a ta physika»). Сам Аристотель называл тематику трудов этого отдела то «первой философией», то «наукой о божестве», то просто «мудростью».

В эпоху Просвещения Иммануил Кант, совершивший революционный переворот в философии своим критическим мышлением, называл  метафизикой  всего лишь умозрение, отличное от опытных, эмпирических наук. В его понимании метафизика есть рассуждения  о свободе воли, о бессмертии души, о Боге.  А немного позже ярчайший и высший представитель немецкой классической философии и объективного идеализма по имени Вильгельм Гегель, блестящему уму которого принадлежит развитое учение о диалектике как  науке о развитии и единстве всех явлений в их противоположности, к метафизике относил односторонность, косность, застывшесть мысли, заскорузлость мышления, отрицание саморазвития.

И вот настал XXI век, и на повестке дня снова неожиданно оказалась метафизика. На сей раз она связана не с кантовским рассуждениями о свободе воли и не с гегелевским уничижительным определением косности мышления. Скорее, метафизика XXI века связана со своим изначальным смыслом – то, что за пределами физики, то, что идёт «после физики». История эта началась ещё в прошлом веке и связана с именем Альберта Эйнштейна. Ему принадлежат следующие слова, которые относятся к революционным квантовым правилам Нильса Бора, предполагающим наличие квантовых скачков электронов с одной орбиты на другую:

             «Если это правильно, то это означает конец физики как науки» [1].
 
Квантовая механика оказалось самой что ни на есть успешной теорией, практические результаты которой видны  повсюду.  Если следовать логике Эйнштейна, то физике как науке пришёл конец. Хотя конец одного, как правило, означает начало другого. На краю Ойкумены иногда отрываются новые горизонты, на краю «земли» порой становятся видны  «небесные сферы» (как на картинке). Исходя из локального реализма Эйнштейна, квантовая механика весьма условно знаменует период «после физики», то есть метафизику. Можно образно сказать, что на смену классической физике локального реализма и детерминизма пришла  «Meta a ta physika» нелокальности и неопределённости.

Эти понятия – нелокальности и неопределённости – неразрывно связаны между собой. Родились они практически одновременно, в конце 20-х годов прошлого века. Так, принцип неопределённости был сформулирован будущим нобелевским лауреатом Вернером Гейзенбергом в 1927-м году. Согласно этому принципу, нельзя одновременно сколь угодно точно вычислить координаты и скорость (импульс) квантовой частицы. Если точно вычислил скорость, то координаты теряются, растворяются в пространстве. Если точно вычислил координаты, то скорость неизвестна. Одно из двух, а третьего не дано, в полном соответствии с логикой Аристотеля. Зато для нашего повседневного опыта – абсолютный абсурд. Мы, разумные обитатели макромира, привыкли к тому, что одновременно абсолютно точно выясняем оба показателя: как координаты, так и скорость макрочастицы. На этом базисе покоится вся классическая механика Ньютона и весь наш здравый смысл.

Чуть позже появился термин «нелокальность». Так, по утверждению Роберта Антона Уилсона, «Бор ввел понятие “нелокальный” в 1928 году». Строго говоря, понятие «нелокальный»  как антоним к слову «локальный» имеет как минимум два значения.
 
В первом значении под нелокальностью частицы, например, электрона, имеется в виду его размытость в пространстве. Электрон, по сути, не привычная макрочастица, локально сконцентрированная в одной локальной точке в пространстве, а некая волна, одновременно пребывающая во всех точках своей орбиты. Электрон одновременно локализован в цетрально-симметричном поле вокруг протона и нелокализован в одной точке в пространстве. Как говорят физики, электрон находится в состоянии суперпозиции, занимая не одну точку пространства, а целую область пространства ОДНОВРЕМЕННО.

Область наиболее вероятного местонахождения электрона в атоме получила название «орбиталь». Эта орбиталь – не привычная фиксированная орбита, скажем, планеты, а некая область в пространстве, некий «рыхлый шар». Вероятность обнаружить электрон у самого ядра и на периферии этого «шара» блика к нулю. А ближе к серединке этого «шара» вероятность обнаружения электрона повышается. Только обнаруживается в результате не локальный твёрдый «шарик», а некое нелокальное, вероятностное, дискретное энергетическое «пятно» в пространстве. Так и появились вместо привычных волн на воде квантово-механические волны вероятности, они же – «волны де Бройля».

Это нелокальное энергетическое «пятно» в виде волны вероятности под названием «электрон»  свободно проходит через 2, 3, 4 и т.д. щели, интерферируя между собой. То есть он ведёт себя не как частица, а как обычная волна.

Если же электрон нелокализован в атомном поле протона, то вероятность обнаружения его в некоем ограниченном объёме Вселенной становится не переменной, а постоянной величиной. Только величина эта упорно стремится к нулю. Проще обнаружить иголку в стоге сена, чем  электрон вне поля протона. (Стог сена, поле – какая пастораль в мире людей и микрочастиц!) И начинают терзать смутные сомнения, что привычные для нас понятия пространства на электрон вовсе не распространяются.
 
Этот же парадокс для нашего локального восприятия окружающей действительности в высшей степени проявляется и для второго, основного, понятия нелокальности, которое подразумевает мгновенные, сверхсветовые взаимодействия. Либо подразумевает, повторимся, что привычные для нас понятия пространства и времени на электрон вовсе не распространяются. Либо подразумевает, что нашим философским представлениям о реальности грош цена.
 
У сторонника философии «локального реализма» Эйнштейна по этому поводу были нешуточные споры со сторонником копенгагенской интерпретации Нильсом Бором. В отличие от Бора и Гейзенберга Эйнштейн считал, что электрон существует «на самом деле», «реально», что он обладает и скоростью, и координатами вне зависимости от измерений, а принцип неопределённости Гейзенберга можно обойти путём соответствующих экспериментов. Такой «мысленный эксперимент» он и поставил в 1935 году. Этот мысленный эксперимент получил название «парадокс Эйнштейна-Подольского-Розена» (ЭПР парадокс).
 
Суть парадокса сводилась к тому, чтобы «связать» две частицы законом сохранения импульса при соударении, как, например, оказываются связаны при соударении законом действия-противодействия два бильярдных шара, а затем по отдельности измерить координаты одной частицы и вычислить по закону сохранения импульса импульс другой. Тем самым он думал «обмануть» квантовую неопределённость.
 
Несостоявшийся «обманщик» микромира Эйнштейн исходил из двух принципиальных допущений  «локального реализма». Во-первых, считал он, измерения, произведённые над одной частицей,  не могут МГНОВЕННО влиять на «связанную» с ней импульсом вторую частицу, так как все взаимодействия в мире ограничены скоростью света в вакууме. Гипотетическое мгновенное взаимодействие он отвергал, уничижительно называя его «призрачным действием на расстоянии». Второе фундаментальное допущение, в котором Эйнштейн принципиально расходился с Бором, сводилось к существованию «объективной реальности». Эйнштейн со своими коллегами верил, что координаты и импульс частицы существуют объективно и не зависят ни от наблюдателя, ни от факта наблюдения. Бор категорически был не согласен с этим допущением, считая, что координаты и импульс микрочастицы возникают только в процессе наблюдения и измерения.

Прав в итоге оказался Нильс Бор. Хотя ни он, скончавшийся в 1962-м году, ни Эйнштейн, умерший в 1955-м, не дожили до экспериментальной проверки этого «мысленного  эксперимента». Подтверждение правоты Бора не в теории, а на практике пришло спустя почти полвека,  в 1982-м году. Оно основывалось на неравенстве Бэлла, формализовавшего в 1964-м спор Эйнштейна и Бора математическим путём, и на опытах Алена Аспека 1982 года, которые ясно дали понять, что Эйнштейн не прав. («Альберт, ты не прав!» — сказал бы Борис Николаевич Ельцин.) Две частицы, пришедшие когда-либо в контакт, оказываются связаны между собой мгновенной незримой связью.  Вне зависимости от того, как далеко они находятся друг от друга.

Мысленный эксперимент превратился в факт бытия. (Хотя, как сказал Ницше, «фактов нет, есть только интерпретации».)

Сама квантовая механика, математический аппарат которой хорошо описан, а практические применения  видны на каждом ходу в повседневной жизни, – это тоже сплошные интерпретации. Мнения разнятся от локального пофигизма Дэвида Мермина  относительно всех и всяческих философических мудрствований, нашедшего своё высшее выражение в знаменитой максиме «Заткнись и вычисляй!» (“shut up and contemplate!”), до нелокального реализма Дэвида Бома a la «голографическая парадигма». Локальный реализм и теория относительности Эйнштейна хорошо согласуются с интерпретацией Мультивселенной Эверетта (англ.  “many-worlds interpretation”). Копенгагенская интерпретация Бора утверждает, что мы не может ничего сказать о природе реальности. Вопросы о местонахождении частицы до измерений отбрасываются как бессмысленные.

Австралийский философ Дэвид Чалмерс, специализирующийся в области философии сознания, на первое место по степени безумности поставил концепцию Эверетта, а на последнее — концепцию Бома. И наоборот, интерпретация Эверетта, по его мнению,  является наиболее простой, полностью локальной и напрямую совместимой с теорией относительности, а интерпретация Бома, как он считает,  чрезмерно сложна и искусственна.  О вкусах не спорят.

Если уж идёт такая разноголосица об интерпретациях квантовой механики, чьи практические применения видны повсюду, то что уж говорить в таком случае об интерпретациях  квантовой нелокальности и запутанности, практических применений которых в обычной жизни днём с огнём не сыскать! Их, мягко говоря, тоже хватает.
 
Что говорить о  «призрачном действии на расстоянии», если с квантовой запутанностью (англ. – “entanglement”) всё так запутано и в теории, и на практике! Мгновенные корреляции связанных между собой микрочастиц налицо, а вот что они означают – скрыто во тьме неведения. Мнения по сему поводу вновь разделились от полного отрицания эйнштейновского «призрачного действия на расстоянии» и до кардинально нового взгляда на реальность.
 
Как пишет Пол Дэвис:

            «На первый взгляд может показаться, будто эксперимент Аспека позволяет
            достигать скорости распространения сигналов, превышающей скорость света.
            …Однако, как показывают дальнейшие размышления, подобная возможность
            передачи сигналов со скоростью выше скорости света иллюзорна» [2]. 

Знаменитый физик считает, что нелокальные корреляции существуют, но неопределённость квантовой механики приводит к вырождению сигнала «в сплошной (белый) шум». Мы не можем управлять, образно говоря, квантовыми «орлом» и «решкой» или «точкой»-«тире» в мгновенной передаче сигнала на расстояние.

Сам автор теоремы Бэлла в написанной в 1980-м году статье «Носки Бертлмана и природа реальности» в форме шутливой аллегории склонялся к неполноте квантового формализма для авторов ЭПР-парадокса и отрицанию достоверности  детерминистских представлений «уличного философа» о реальности.
 
То, что «уличный философ» имеет такое же представление о Высшей, подлинной, нелокальной реальности, как и людоед из племени «Мумбо-юмбо» („Mumbo Jumbo“)  о Невском проспекте, Бродвее и Елисейских полях, не вызывает сомнений, особенно если вспомнить знаменитое представление о ней восточных мудрецов:

               «Всё реальное — неописываемо, всё описываемое — нереально» [3].

Однако проблема даже глубже. Нелокальные корреляции вновь выдвигают на повестку дня глубинные, фундаментальные, философские вопросы не только о сущности реализма, но и о том, насколько адекватно любой формализм, включая человеческий язык и язык математики, способен достоверно описывать реальность. Эти вопросы тянутся ещё с 20-х годов ХХ века, со времён Людвига Витгенштейна, повесившего в 1921 году в своём «Логико-философском трактате» замок языка на границы мира («границы моего языка определяют границы моего мира») и Курта Гёделя, сделавшего нечто подобное с математическими аксиомами в 1931 году в своей знаменитой теореме о неполноте. Он утверждал: «наша аксиоматика противоречива, и в её рамках неизбежно будут присутствовать формулировки, которые можно одновременно и доказать, и опровергнуть». Либо ещё проще:

            «Любая формальная система аксиом содержит неразрешённые предположения».

С тех пор граница познаваемого человеком мира – на замке. Множество интерпретаций квантовой механики и квантовой нелокальности только подтверждают существование этих границ «разумного, доброго, вечного». Особенно «разумного». За этим замком таится нечто,  где человеческий разум бессилен, о чём нельзя ни в теореме сказать, ни пером или словом описать. Задолго до Витгенштейна и Гёделя об этом говорил знаменитый китайский мудрец Лао-цзы в своём трактате «Дао Дэ цзин»:

                «Дао, которое может быть выражено словами, не есть истинное Дао».

К этим недетским вопросам мы ещё вернёмся попозже. А пока предоставим слово самому Дэвиду Бому с его интерпретацией экспериментов Бэлла:

             «20 февраля  1983 года, после второй серии  экспериментов  Аспекта,  в лондонской “Санди таймс”  опубликовано  интервью  с  Дэвидом Бомом, самым авторитетным  лондонским  физиком  тех  лет,  которого  “Таймс”   попросила пояснить,  что означают результаты этих экспериментов.

             “Возможно, они  означают, — сказал  д-р Бом, — что в этом  мире  всё взаимосвязано, поэтому любое событие вызывает повсеместный отклик; возможно, они  означают,  что   информация   может  распространяться  быстрее  света;   а возможно,  они  означают, что  нам  пора пересмотреть наши представления  о пространстве и времени, хотя мы ещё не знаем, как”» [4].

Эти 3 возможных интерпретации эффектов нелокальной корреляции связанных микрочастиц Роберт Антон Уилсон соответственно назвал:

              1) философским монизмом («всё взаимосвязано»),

              2) научной фантастикой (сверхсветовое распространение информации) и

              3) неокантианством («нам пора пересмотреть наши представления о пространстве и времени»).

Сам Дэвид Бом придерживался первого и последнего варианта. Почему элементарные частицы могут мгновенно общаться друг с другом, несмотря на то, какое расстояние между ними — 2 сантиметра или 2 миллиона световых лет?  Значит ли всеобщая мгновенная связанность, что ошибался Эйнштейн, утверждая, что  скорость света является предельной для любого материального тела?  Размышляя над этими загадками в течение долгого времени, Бом пришёл к своему пониманию мироустройства.

Он пришёл к выводу, что элементарные частицы взаимодействуют на любом расстоянии не потому, что они обмениваются таинственными сверхсветовыми сигналами  между собой, а потому, что их «разделённость» есть иллюзия. Иными словами, на каком-то более глубоком уровне реальности сцепленные частицы,  как и все остальные материальные предметы, —  это вовсе не отдельные объекты, а фактически продолжения чего-то более фундаментального, чего-то всеобъемлющего, чего-то целого.  Наше представление о самостоятельном существовании предметов и явлений мира является искажённым, поверхностным, фрагментарным.

Результатом ЭПР парадокса, теоремы Бэлла и опытов Алена Аспека стало, как пишет Пол Дэвис, «крушение наивного представления о реальности»:

             «С точки зрения "наивного реалиста" Вселенная представляет собой совокупность объектов.
             Для специалиста по квантовой физике это подвижная единая ткань, состоящая из всплесков энергии,
             и ни одна из частей этой "ткани" не существует независимо от целого,
             а это целое включает и наблюдателя» [2].

Ему вторит знаменитый австрийский физик, Антон Цайлингер, известный своими пионерскими работами в области квантовой информации и впервые осуществивший квантовую телепортацию с использованием фотонов. В своей статье «Экспериментальная проверка нелокального реализма» (“An experimental test of non-local realism”), опубликованной в журнале Nature  19 апреля 2007 года, он утверждает следующее:

«Большинство современных учёных строго придерживается концепции „реализма“. Сторонники этой точки зрения считают, что наблюдаемая („внешняя“) реальность существует независимо от факта наблюдения. Однако квантовая физика камня на камне не оставила от некоторых из наших основополагающих представлений. Теорема Белла гласит, что любая теория, которая основывается одновременно на реализме и локальности (что значит, что на локальные события нельзя повлиять воздействиями в разделённых областях пространства), находится в противоречии с определёнными квантовыми предсказаниями.  Эксперименты с квантово-сцепленными парами частиц многократно подтвердили это, тем самым сделав  теории локального реализма несостоятельными. Таким образом, фундаментальная концепция реализма может быть сохранена только введением «призрачного» действия, которое отрицает локальность».
 
Исходя из  метафизики («Meta a ta physika»)  нелокальности, новое представление о реальности должно включать в себя, как считает Роберт Антон Уилсон, 4 различных варианта, 4 интерпретации:

             «если сущее пребывает в гармонии и резонансе, то вселенная ведет себя так, словно информация распространяется быстрее света или уже в ней содержится;

            если «пространство» и «время» некоторым образом нереальны, или же реальны лишь при некоторых условиях, то, похоже, что во вселенной повсюду одновременно содержится информация;

            а если информация так вездесуща, то, похоже, что «пространство-время» некоторым образом нереально или же служит проявлением более глубокого скрытого порядка;
 
             а если есть скрытый порядок, то, похоже, что пространство-время нереально, и (или) информация распространяется с безумной скоростью во всех направлениях времени одновременно» [4].

Какая из этих интерпретаций верна — жизнь покажет.


           10 марта 2016


Примечания:

1. Цит. по: Л.Фейнберг, «ЖИЗНЬ И ДЕЯТЕЛЬНОСТЬ НИЛЬСА БОРА», УСПЕХИ ФИЗИЧЕСКИХ НАУК, июнь 1963, стр.200
2. Пол Дэвис, «Суперсила. Поиски единой теории природы», глава 3
3. Е.А.Торчинов, «Религии мира: опыт запредельного»
4. Роберт Антон Уилсон, «Новая инквизиция»