Пол Хэлперн - Играют ли коты в кости? Эйнштейн и Шрёдингер в поисках единой теории мироздания

Роберт Ромер, физик из Амхерстского колледжа, написал про свои «полчаса с Эйнштейном» — речь идет о его визите к Эйнштейну в феврале 1954 года. Встреча была приятной и запоминающейся. «Мисс Дукас поздоровалась со мной и провела наверх, в маленький и загроможденный вещами кабинет Эйнштейна, — вспоминал Ромер. — Он был там и выглядел “в точности как Эйнштейн”: брюки цвета хаки, серый свитер, в общем, одет он был примерно также модно, как одеваюсь я сейчас» {211} 211 Robert Romer, “My Half Hour with Einstein,” Physics Teacher 43 (2005):35. .

Больше всего Ромеру запомнилось обсуждение мысленного эксперимента ЭПР. Эйнштейн спросил его: «Вы действительно верите, что если кто-то здесь измерит спин атома, то это может повлиять на одновременное измерение спина другого атома где-то там?» — указывая вниз по Мерсер-стрит. По прошествии времени Ромер был удивлен, что Эйнштейн переформулировал эксперимент в терминах спина, а не координаты и импульса, как в своей оригинальной статье. Это можно рассматривать как более ранний вариант версии ЭПР-парадокса в терминах спина, предложенной физиком Дэвидом Бомом в 1957 году совместно с Якиром Аароновым.

Эйнштейн познакомился с Бомом, когда тот работал ассистент-профессором в Принстонском университете в конце 1940-х годов. Бом проявлял значительный интерес к квантовой механике и решил написать учебник по этому предмету. После публикации книги он начал сомневаться в некоторых аспектах копенгагенской интерпретации, в том числе в «призрачном дальнодействии». Он поделился своими сомнениями с Эйнштейном, и они провели немало времени за плодотворными дискуссиями о логических пробелах квантовой теории. Бом решил разработать альтернативную причинную интерпретацию квантовой механики с помощью нелокальных скрытых переменных — ненаблюдаемых в эксперименте величин. Между тем он был вынужден покинуть Принстон из-за отказа давать показания Комиссии по расследованию антиамериканской деятельности в период маккартизма и «охоты на ведьм» (людей, заподозренных в прокоммунистических настроениях). При содействии Эйнштейна Бом получил новую должность в университете Сан-Пауло в Бразилии. Там он продолжил исследования причинной интерпретации квантовой механики. В результате появилась теория, которая восходит к идеям де Бройля и Шрёдингера 1920-х годов о том, что волновая функция физически реальна, а не просто представляет собой абстрактное хранилище вероятностной информации о частицах. В 1927 году де Бройль опубликовал детерминистическую интерпретацию квантовой механики, основанную на реальных волнах, которые управляют поведением частиц, и назвал ее «теорией волны-пилота». Поэтому иногда идеи де Бройля и Бома, хотя они и развивались независимо, объединяют в «теорию де Бройля — Бома».

В мысленном эксперименте ЭПР в версии Бома — Ааронова рассматриваются два электрона с одного энергетического уровня, движущиеся в противоположных направлениях. Принцип Паули требует, чтобы электроны имели противоположные спиновые состояния: если спин одного электрона направлен вверх, то спин другого будет направлен вниз. Пока не произведено измерение, невозможно узнать, у какого электрона какой спин. Следовательно, два электрона образуют запутанное квантовое состояние, суперпозицию обоих возможных вариантов ориентации спинов: «вверх-вниз» и «вниз-вверх». Теперь предположим, что экспериментатор измеряет спин одного из электронов с помощью магнитного устройства, а другой исследователь сразу же регистрирует спин другого электрона. Согласно стандартной интерпретации квантовой механики, система мгновенно коллапсирует в одно из своих собственных спиновых состояний: либо «вверх-вниз», либо «вниз-вверх». Поэтому если эксперимент показал, что первый электрон имеет «спин вверх», то другой неизбежно будет обладать «спином вниз». Как в отсутствие непосредственного взаимодействия между электронами второй электрон смог мгновенно «узнать» результат измерения спина первого электрона?

В 1964 году физик Джон Белл исследовал этот вопрос более подробно и разработал математический аппарат для различения стандартной квантовой интерпретации запутанных состояний и альтернативного объяснения с использованием скрытых переменных. Он основывал свои идеи на мысленном эксперименте ЭПР в версии Бома — Ааронова. Теорема Белла критически важна для дальнейшего анализа того, что в действительности происходит, когда наблюдатель производит измерение квантовой системы. Она будет проверена в 1982 году в ходе эксперимента с поляризаторами, проведенного французским физиком Аленом Аспе и его коллегами.