Бом и взаимосвязь явлений микромира

Один из аспектов квантовой реальности, вызвавший особый интерес Бома, заключался в странной взаимосвязи, существующей между, казалось бы, несвязанными событиями на внутриатомном уровне. Удивительным было также безразличие большинства физиков к этому явлению; вследствие такого безразличия один из самых известных примеров взаимосвязи оставался скрытым в течение ряда лет, пока его не обнаружили.

Предположение о такой связи было сделано одним из отцов-основателей квантовой физики Нильсом Бором. Бор указал на то, что если элементарные частицы существуют только в присутствии наблюдателя, тогда бессмысленно говорить о существовании, свойствах и характеристиках частиц до их наблюдения. Это вызвало ропот у многих физиков, поскольку наука в значительной степени основывалась на свойствах явлений «объективного мира». Но если теперь оказалось, что свойства материи зависят от самого акта наблюдения, то что ожидало впереди всю науку? Эйнштейн был встревожен утверждениями Бора, поскольку играл большую роль в создании основ квантовой механики. Особенно он возражал против той гипотезы Бора, согласно которой свойства частиц отсутствуют, пока они не наблюдаемы, так как в сочетании с другими открытиями квантовой физики это означало бы, что элементарные частицы взаимосвязаны самым невероятным образом. Суть этих открытий заключалась в том, что некоторые внутриатомные процессы приводят к созданию пар частиц, имеющих идентичные или очень близкие свойства. Представьте себе весьма нестабильный атом, который физики называют позитроний. Атом позитрония состоит из электрона и позитрона (позитрон – это электрон с положительным зарядом). Поскольку позитрон является античастицей электрона, эти две частицы в конце концов аннигилируют и распадаются на два кванта света, или «фотона», бегущих в противоположных направлениях (способность одного типа частиц превращаться в другой тип – еще одно любопытное свойство квантового микромира). Согласно квантовой физике, вне зависимости от того, как далеко разбегутся фотоны, при измерении они дают одинаковые углы поляризации, то есть пространственной ориентации волновой формы фотона, исходящей из точки.

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?». В ней авторы объясняли, почему существование таких пар частиц могло служить доказательством ошибки Бора. Они говорили, что две такие частицы, скажем, два фотона, излучаемые с распадом позитрона, могли бы распространяться на значительные расстояния[12]. Затем частицы перехватываются, а их углы поляризации измеряются. Если углы поляризации измеряются в один и тот же момент и оказываются идентичными, как подсказывает квантовая физика, и если Бор прав и такие свойства, как поляризация, не существуют, пока не наблюдаются и не измеряются, то это означает, что каким-то образом два фотона мгновенно устанавливают один и тот же угол поляризации. Проблема состоит в том, что, согласно специальной теории относительности Эйнштейна, ничто не может двигаться быстрее скорости света, тем более двигаться мгновенно, поскольку это приведет к разрушению барьера времени и откроет дверь различного рода неприемлемым парадоксам. Эйнштейн и его коллеги были уверены, что ни одно из «разумных определений реальности» не может допустить такую связь, превышающую скорость света, и потому Бор ошибался [3]. Их аргументирование известно сейчас как парадокс Эйнштейна-Подольского-Розена, или EPR-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 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, и физики сразу приняли его версию. 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. Хотя Бор привел свой аргумент для того, чтобы противостоять атаке Эйнштейна на квантовую механику, как мы позже увидим, взгляды Бора на неделимость внутриатомных систем имели большое значение для постижения природы реальности. Ирония заключается в том, что провидческие теории Бора были в большой степени проигнорированы, и сулящая революционное открытие идея взаимосвязи субъекта и объекта была отложена в долгий ящик.

Живое море электронов

В начале своей карьеры Бом также разделял позицию Бора, но недоумевал, почему Бор и его коллеги так мало внимания уделяют вопросам взаимосвязи в микромире. После окончания Государственного колледжа в штате Пенсильвания он поступил в Калифорнийский университет в Беркли и до получения докторской степени в 1943 году работал в Лоренсовской радиационной лаборатории (Lawrence Berkeley Radiation Laboratory). Там он встретился с еще одним поразительным примером квантовой взаимосвязи.

В лаборатории Бом начал проводить серьезные исследования в области плазмы. Плазма – это газ, состоящий из большого количества электронов и положительно заряженных ионов и атомов. К своему удивлению, Бом обнаружил, что, будучи в плазме, электроны перестают вести себя как отдельные частицы и становятся частью коллективного целого. В то время как индивидуальные движения электронов имели случайный характер, большое количество электронов приводило к эффектам, носившим удивительно организованный характер. Подобно некой амебе, плазма постоянно регенерировала сама себя и окружала оболочкой все инородные тела – она вела себя аналогично живому организму, когда в его клетку попадает инородное вещество [4]. Бом был настолько поражен органическими свойствами плазмы, что часто представлял электронное море как «живое существо» [5].

В 1947 году Бом принял предложение занять должность ассистента в Принстонском университете (что было признанием его заслуг) и продолжил начатое еще в Беркли исследование поведения электронов в металлах. Снова и снова он обнаруживал, что кажущееся хаотичным движение индивидуальных электронов-частиц способно производить в совокупности высокоорганизованное движение. Подобно плазме, которую он изучал в Беркли, он столкнулся с ситуацией, где не только две частицы согласовывают между собой свое поведение, – он увидел целый океан частиц, каждая из которых как будто знала, что делают остальные триллионы частиц. Бом назвал такие коллективные движения частиц плазмонами, а их открытие принесло ему славу выдающегося физика.

Разочарование Бома

Чувствуя важность взаимосвязи микрочастиц и не разделяя некоторые из укоренившихся взглядов в физике, Бом стал все более критически относиться к боровской интерпретации квантовой теории. После трех лет преподавания этого предмета в Принстоне он решил написать учебник, который мог бы помочь ему глубже разобраться в предмете. После написания книги он понял, что по-прежнему не удовлетворен изложением квантовой физики. Отослав экземпляры книги Бору и Эйнштейну, от стал ждать их отзыва. От Бора ответа не последовало, однако Эйнштейн написал, что, поскольку они оба работают в Принстоне, можно встретиться и обсудить книгу. На первой встрече, которая ознаменовала собой начало их живой дискуссии в течение шести месяцев, Эйнштейн восторженно отозвался о работе Бома, заявив, что никогда ранее не видел, чтобы квантовую теорию излагали с такой ясностью. Тем не менее он признал, что, как и у Бома, у него есть много оснований не соглашаться с положениями теории.

Во время беседы оба физика выразили восхищение способностью теории предсказывать явления. Однако они не могли принять того, что теория не дает базисной структуры мира. Бор и его последователи, напротив, заявляли, что квантовая теория завершена и нет никакой возможности получить большую ясность картины, наблюдаемой в квантовой области. Это было все равно что отрицать наличие какой-либо большей реальности, лежащей за пределами внутриатомного микромира, и не ждать ответов на дальнейшие вопросы, что, конечно же, задевало философскую чувствительность Бома и Эйнштейна. Во время их встреч обсуждались многие темы, наведшие Бома на дальнейшие размышления и способствующие укреплению в опасениях относительно толкований квантовой физики. В результате Бом решил искать альтернативный подход к описанию квантовых явлений. Когда в 1951 году его книга «Квантовая теория» вышла из печати, ее сразу же окрестили классическим трудом, но это была классика, к которой Бом уже относился с недоверием. Его сознание, вечно занятое поиском более глубоких объяснений, уже искало новые способы описания реальности.

Новый вид поля

После бесед с Эйнштейном Бом попытался найти рабочую альтернативу отстаиваемой Бором интерпретации реальности. Он начал с того, что предположил: частицы наподобие электронов действительно существуют в отсутствие наблюдателей. Он также предположил, что за пределами боровской реальности существует более глубокая реальность на субквантовом уровне, ожидающая ее открытия наукой. Исходя из этих гипотез, Бом увидел, что простым постулированием существования поля нового вида – поля на субквантовом уровне – он может объяснить открытия в квантовой физике с таким же успехом, что и Бор. Бом назвал свое новое гипотетическое поле квантовым потенциалом и предположил, что, как и гравитация, оно пронизывает все пространство. Однако в отличие от гравитационных, магнитных и других полей его действие не ослабевает с расстоянием. Несмотря на довольно тонкую природу нового поля, его сила распределена равномерно по всему пространству. Свое альтернативное видение квантовой теории Бом обнародовал в печати в 1952 году.

Реакция на его подход была в основном отрицательной. Некоторые физики настолько верили в то, что никакие альтернативы не возможны, что отвергли его теорию без рассмотрения. Другие обрушили на нее яростные атаки. В конце концов все возражения свелись к философским разногласиям: точка зрения Бора была настолько укоренена в физику, что альтернативный подход Бома казался более чем ересью.

Несмотря на остроту атак, Бом продолжал невозмутимо верить, что существует более глубокая реальность, нежели та, которую допускает Бор. Он также почувствовал, что классическое научное мировоззрение препятствует новым идеям, и в 1957 году в книге под названием «Причинность и вероятность в современной физике» он проанализировал несколько философских допущений, ответственных за такую ограниченность науки. Одним из таких широко распространенных допущений был постулат о том, что любая теория, в том числе и квантовая, может быть законченной. Бом критиковал этот постулат, указывая, что природа бесконечна. Поскольку ни одна из теорий не может объяснить то, что по своей природе бесконечно, Бом заключил, что для научного поиска было бы лучше, если бы ученые отказались от подобных допущений.

В своей книге он указывал, что причинность, трактуемая наукой, слишком ограничена. Большинство следствий рассматривались как происходящие по одной или нескольким причинам. Бом, однако, почувствовал, что следствие может иметь за собой бесконечное множество причин. Например, если вы спросите, что вызвало смерть Авраама Линкольна, вам ответят, что это была пуля, вылетевшая из револьвера Джона Бута. Но полный список причин, за которыми последовала смерть Линкольна, должен был бы включать все события, приведшие к производству данного ружья, все факторы, заставившие Бута желать смерти Линкольна, все шаги эволюционного развития человеческой расы и руки, способной удержать револьвер, и т. д. и т. п. Бом признавал, что в большинстве случаев можно игнорировать огромную вереницу причин, приводящих к конкретному следствию, но считал, что ученым очень важно помнить: ни одно из причинно-следственных отношений нельзя в действительности отделить от вселенной.