Нелокальность: Феномен, меняющий представление о пространстве и времени, и его значение для черных дыр, Большого взрыва и теорий всего

Редактор В. Ионов

Научный редактор Д. Горбунов, доктор физ. – мат. наук

Переводчики В. Ионов, М. Томс

Руководитель проекта И. Серёгина

Корректоры М. Миловидова, С. Чупахина

Дизайн обложки Ю. Буга

Компьютерная верстка А. Фоминов

Иллюстрация на обложке Shutterstock.com

© George Musser, 2015

© Издание на русском языке, перевод, оформление. ООО «Альпина нон-фикшн», 2018

Эта книга издана в рамках программы «Книжные проекты Дмитрия Зимина» и продолжает серию «Библиотека «Династия». Дмитрий Борисович Зимин – основатель компании «Вымпелком» (Beeline), фонда некоммерческих программ «Династия» и фонда «Московское время».

Программа «Книжные проекты Дмитрия Зимина» объединяет три проекта, хорошо знакомые читательской аудитории: издание научно-популярных переводных книг «Библиотека «Династия», издательское направление фонда «Московское время» и премию в области русскоязычной научно-популярной литературы «Просветитель». Подробную информацию о «Книжных проектах Дмитрия Зимина» вы найдете на сайте ziminbookprojects.ru.

Все права защищены. Произведение предназначено исключительно для частного использования. Никакая часть электронного экземпляра данной книги не может быть воспроизведена в какой бы то ни было форме и какими бы то ни было средствами, включая размещение в сети Интернет и в корпоративных сетях, для публичного или коллективного использования без письменного разрешения владельца авторских прав. За нарушение авторских прав законодательством предусмотрена выплата компенсации правообладателя в размере до 5 млн. рублей (ст. 49 ЗОАП), а также уголовная ответственность в виде лишения свободы на срок до 6 лет (ст. 146 УК РФ).

Посвящается Талии и Элиане

Введение: воздушный замок Эйнштейна

Впервые я узнал о нелокальности в начале 1990-х, будучи аспирантом, причем не от своего преподавателя квантовой механики: он не посчитал нужным даже упомянуть о ней. Роясь в местном книжном магазине, я наткнулся на только что изданную книжку «Сознательная вселенная» (The Conscious Universe), которая поразила меня заявлением о том, что «ни одно предыдущее открытие не бросало больший вызов нашему восприятию повседневной реальности», чем нелокальность. Это явление походило по вкусу на запретный плод.

В обыденном английском языке locality[1] – это немного вычурное слово для обозначения района, города или другого места. Но его первоначальное значение, появившееся в XVII в., относится к самому понятию «место». Оно означает, что у всего есть место. Вы всегда можете указать на предмет и сказать: «Вот он». Если этого сделать нельзя, должно быть, предмет, на самом деле не существует. Если преподаватель спросит, где ваше домашнее задание и вы ответите, что нигде, то вам придется представить оправдания.

Мир, в котором мы живем, наделен всеми признаками локальности. У нас сильно развито чувство места и чувство связи между местами. Мы ощущаем боль разлуки с теми, кого любим, и беспомощность от того, что находимся слишком далеко от чего-то, на что хотим повлиять. Вместе с тем квантовая механика и другие разделы физики наводят на мысль о том, что на более глубоком уровне может не быть места и расстояния. Физические эксперименты позволяют связывать судьбы двух частиц таким образом, что они ведут себя, как пара волшебных монет: сколько бы вы их ни подбрасывали, на них всегда выпадает что-то одинаковое – орел или решка. Их поведение согласовано несмотря на то, что в пространстве они не связаны никакими силами. Эти частицы могут разлететься по разным концам Вселенной и все же вести себя в унисон. Такие частицы нарушают принцип локальности. Пространство им не помеха.

Очевидно, природа нашла особое и тонкое равновесие: в большинстве случаев она подчиняется локальности, как это и должно быть, раз мы существуем, но все же намекает на то, что она нелокальна в своих глубинных основах. Именно данное противоречие я буду исследовать в этой книге. Для тех, кто ее изучает, нелокальность – мать всех физических загадок, причастная к широкому спектру головоломок, с которыми сталкиваются физики в наши дни: это не только странное поведение квантовых частиц, но и судьба черных дыр, происхождение космоса и присущее природе единство.

Для Альберта Эйнштейна локальность была одним из аспектов более широкого философского вопроса: почему мы, люди, вообще можем заниматься наукой? Почему мир таков, что мы можем понять его устройство? В знаменитом эссе 1936 г. Эйнштейн написал, что самое непостижимое в этом мире – это его постижимость. На первый взгляд такое утверждение само по себе кажется непостижимым. Вселенная не то что бы очень логична. Она сумасбродна и капризна, полна путаницы и произвола, несправедливости и несчастий. Многое из происходящего не поддается логике (особенно если дело касается романтических отношений или вождения). И все же на фоне этих необъяснимых событий с обнадеживающей регулярностью проступают законы этого мира. Солнце встает на востоке. Предметы падают, если их уронить. После дождя появляется радуга. Люди идут в физику в уверенности, что это не просто приятные исключения из анархии жизни, а проблески лежащего в основе порядка.

Эйнштейн полагал, что физики на самом деле не имеют права ожидать этого. Мир не обязан быть упорядоченным. Он не должен подчиняться законам; при других обстоятельствах он бы мог быть совершенно беспорядочным. Когда друг Эйнштейна спросил в письме, что он имеет в виду, говоря о постижимости, тот ответил: «A priori следует ожидать, что мир хаотичен и не может быть понят умом каким-либо образом».

Хотя Эйнштейн и говорил, что постижимость – чудо, которое мы никогда не поймем, это не помешало ему попытаться его понять. Всю свою профессиональную жизнь он посвятил формулированию того, что же именно во Вселенной делает ее постижимой, и его размышления задали курс современной физике. Например, он понял, что внутренние механизмы природы обладают высокой степенью симметрии, т. е. выглядят одинаково, если посмотреть на мир с другой точки зрения. Симметрия привносит порядок в сбивающее с толку разнообразие частиц, открытых физиками; целые группы частиц одного вида являются, в каком-то смысле, зеркальными отражениями друг друга. Но среди свойств мира, дающих нам надежду понять его, Эйнштейн не раз возвращался к локальности как к самому важному из них.

Локальность – это тонкое понятие, которое может означать разное для разных людей. Для Эйнштейна она имела два аспекта. Первый аспект он называл «отделимостью», подразумевая, что можно отделить любые два предмета или части одного предмета друг от друга и рассматривать их по отдельности, по крайней мере в принципе. Можно взять стулья из столового гарнитура и поставить их в разных углах комнаты. Они не прекратят свое существование и не потеряют никаких качеств, таких как размер, стиль, удобство. Свойства набора в целом определяются свойствами составляющих его стульев; если на каждом стуле умещается один человек, то четыре стула позволят сесть четверым. Целое является суммой его составляющих. Второй аспект, который отметил Эйнштейн, известен как «локальное действие»: он гласит, что объекты взаимодействуют только при столкновении друг с другом или через чье-то посредство, позволяющее преодолеть пространство между ними. На расстоянии мы не можем повлиять на другого человека, для этого нужно приблизиться к нему, дотронуться, заговорить, похлопать по плечу, т. е. войти в прямой контакт или отправить кого-то или что-то для выполнения этой задачи. Современные технологии не нарушают этого принципа – они просто задействуют новых посредников. Телефон преобразует звуковые волны в электрические сигналы или радиоволны, которые распространяются по проводам или в эфире и преобразуются обратно в звуковые волны на другом конце. На каждом этапе этого пути что-то должно напрямую контактировать с чем-то еще. Если в проводе есть хотя бы крошечный разрыв, сообщение распространится так же далеко, как крик на Луне, лишенной атмосферы. Проще говоря, отделимость определяет сущность объектов, а локальное воздействие – их поведение.

Эйнштейн обозначил эти принципы в своей теории относительности. Так, теория относительности гласит, что ни один материальный объект не может двигаться быстрее света. Без такого ограничения скорости объекты могли бы двигаться бесконечно быстро и расстояние потеряло бы свой смысл. Все силы природы должны преодолевать пространство, а не перепрыгивать его, как раньше считали физики. Таким образом, теория относительности дает нам меру отдаленности отдельных объектов и обеспечивает их отличимость друг от друга.

В зависимости от образа мышления теория относительности и другие законы физики воспринимаются либо как убедительный внутренний порядок Вселенной, либо как занудный набор правил вроде тех, что насаждают авторитарные родители, пытающиеся лишить вас всех радостей в жизни. Как замечательно было бы взмахнуть руками и полететь, но, извините, это невозможно. Мы могли бы решить мировые проблемы, создавая энергию, увы, физика не позволяет и этого – нам дозволено лишь преобразовывать энергию из одного вида в другой. И вот теперь появляется локальность, еще один драконовский закон, разрушающий наши мечты о сверхсветовых космических кораблях и экстрасенсорных способностях. Локальность убивает свойственную болельщикам надежду на то, что, скрестив пальцы или проревев какой-нибудь мудрый комментарий из своего кресла, они могут поддержать свою любимую команду на поле. К сожалению, если ваша любимая команда проигрывает, а вы серьезно хотите поддержать ее, вам придется встать и добраться до стадиона.

И все же локальность нужна для нашего собственного блага. На ней держится наше самоощущение, уверенность в том, что наши мысли и чувства принадлежат нам самим. При всем уважении к Джону Донну[2] каждый человек – действительно остров, сам по себе. Мы изолированы друг от друга морями пространства, и мы должны быть благодарны за это. Если бы не локальность, мир обладал бы магическими свойствами, причем не в хорошем, диснеевском смысле. Болельщикам, желающим иметь возможность влиять на игру, не выходя из дома, пришлось бы осмотрительно относиться к своим желаниям, поскольку болельщики соперников, надо думать, тоже имели бы такую возможность. Миллионы домоседов по всей стране пытались бы обеспечить своим кумирам преимущество, лишая игру смысла: она превратилась бы в противоборство воли болельщиков, а не талантов на поле. Не только спортивные состязания, но и весь мир стал бы враждебным для нас. В мире без локальности внешние для нас объекты могли бы проникать внутрь тела (для этого им не нужно было бы даже преодолевать кожу), и мы потеряли бы способность контролировать свое внутреннее состояние. Мы бы слились с окружающей средой. А это, по определению, и есть смерть.

Сосредоточившись на локальности как на ключевом необходимом условии для понимания природы, Эйнштейн придал единую форму философским и научным идеям, накопленным за 2000 лет. Для древнегреческих мыслителей, таких как Аристотель и Демокрит, локальность сделала возможным рациональное объяснение. Когда объекты влияют друг на друга только при прямом контакте, можно объяснить любое событие, дав последовательное описание того, как «то ударило это, которое, в свою очередь, столкнулось с тем, а оно, в свою очередь, отскочило от чего-то еще». Каждое следствие имеет причину, связанную с ним цепью событий, которая неразрывна во времени и пространстве. Нет такого, когда остается лишь всплеснуть руками и пробормотать: «А затем происходит чудо». Греческие философы возражали не столько против чуда – они не были атеистами, – сколько против бормотания. Они считали, что даже боги должны оказывать свое влияние по ясным и объяснимым правилам. Локальность необходима не только для тех типов объяснений, которые ищут философы и ученые, но также и для методов, которыми они пользуются. Они могут отделять объекты друг от друга, постигать их по одному и шаг за шагом строить картину мира. Перед ними не стоит невыполнимая задача восприятия всего сразу.

В 1948 г., к концу своей жизни, Эйнштейн резюмировал значение локальности в коротком эссе: «Физические понятия относятся к реальному внешнему миру… к вещам, которые претендуют на “реальное существование”, независимое от наблюдателя… Эти объекты претендуют на существование, независимое друг от друга, поскольку они “находятся в разных частях пространства”. Без такого предположения о взаимно независимом существовании… пространственно удаленных предметов, предположения, которое берет начало в обыденном мышлении, физическое мышление в известном нам смысле было бы невозможным. Также невозможно представить, как можно сформулировать и проверить физические законы без такого четкого разделения».

Локальность имеет такое повсеместное значение потому, что она является самой сутью пространства. Под «пространством» я подразумеваю не только «космос», вотчину космонавтов и астероидов, но и пространство между нами и всем тем, что находится вокруг нас, пространство, которое занимает наше тело и все остальное, пространство, в котором мы замахиваемся бейсбольной битой или делаем замеры с помощью рулетки. Направляете ли вы телескоп на планеты или на окна соседей, вы смотрите через пространство. Для меня красота пейзажа заключается в головокружительном ощущении, будто охватываешь пространство, это что-то вроде чувства, возникающего, когда смотришь с большой высоты вниз, только в этом случае смотришь в горизонтальном направлении и понимаешь, что те маленькие точки на другой стороне долины действительно там находятся и что можно их потрогать, были бы руки достаточной длины.

Как давно поняли художники, пространство – это не отсутствие чего-то, а некая сущность сама по себе. То, что находится между предметами на холсте, так же важно для композиции, как и сами предметы. Для физика пространство – это холст для физической реальности. Практически все свойства наших физических сущностей являются пространственными. Мы занимаем место. У нас есть форма. Мы двигаемся. Наши тела – это замысловатый танец клеток и жидкостей в пространстве. Наши мысли – это импульсы, быстро двигающиеся вдоль траекторий в пространстве. Любое взаимодействие, которое происходит между нами и остальным миром, проходит через пространство. Живые существа – это сущности, а что такое сущность, если не часть Вселенной, которая получает свою неповторимую индивидуальность в силу того, что занимает определенную область пространства?

Физика берет начало из исследования того, как предметы движутся в пространстве, и пространство определяет практически все величины, с которыми физика имеет дело: расстояние, размер, форма, положение, скорость, направление. Другие свойства мира могут не казаться пространственными, но это не так: цвет, например, соответствует длине световой волны. Всего несколько свойств материи, таких как электрический заряд, не имеют известного пространственного объяснения, и даже они выдают себя, изменяя направление движения в пространстве. При взгляде на предмет все, что мы видим, в конечном счете связано с пространством, поскольку определяется взаимным расположением частиц; частицы сами по себе – всего лишь мельчайшие крупицы. Функция следует из формы. Даже непространственные понятия превращаются в пространственные в умах физиков: время становится осью на графике, и законы природы действуют в абстрактных пространствах возможностей. Даже такой авторитет, как Иммануил Кант, идеи которого оказали значительное влияние на Эйнштейна, считал, что невозможно представить мир без пространства.

Какая ирония судьбы в том, что главный поборник локальности стал и ее ниспровергателем. Хотя больше всего он известен миру как создатель теории относительности, Нобелевскую премию Эйнштейн получил за вклад в разработку квантовой механики, теории, описывающей поведение атомов и субатомных частиц. На самом деле физики считают, что квантовая механика описывает поведение всего, хотя характерные для нее эффекты сильнее всего проявляются на очень малых масштабах. Теория выросла из догадки Эйнштейна и его современников о том, что атомы и частицы не могут быть просто уменьшенными версиями тех вещей, которые мы видим вокруг себя. Если бы они были таковыми – то есть вели себя в соответствии с классическими законами физики, сформулированными Исааком Ньютоном и другими физиками, – мир бы самоуничтожился. Атомы сколлапсировали бы, частицы взорвались, а лампочки сожгли бы нас смертельным излучением. Тот факт, что мы еще живы, означает, что материя должна подчиняться какому-то новому набору законов. Эйнштейн с энтузиазмом принимал необычное: на самом деле, несмотря на (несправедливо) заработанную в дальнейшем репутацию ретрограда и защитника классической физики, он неизменно оказывался впереди всех в понимании непривычных свойств квантового мира.

Среди этих свойств была нелокальность. Квантовая механика предсказывает, что две частицы могут стать побратимами. Из-за отсутствия связывающего механизма частицы вроде бы полностью автономны, и все же воздействие на одну из них означает воздействие и на вторую, как будто бы расстояние для них ничего не значит. Научный метод «разделяй и властвуй» в их случае не работает. Частицы имеют совместные свойства, которые нельзя обнаружить, если смотреть на каждую из них по очереди, – нужно наблюдать за ними одновременно. Наш мир опутан сетью таких, казалось бы, мистических взаимосвязей. Атомы вашего тела сохраняют связь с каждым человеком, которого вы любили, – что звучит романтично, пока вы не осознаете, что связь есть и с тем странным типом, который коснулся вас мимоходом на улице.

Частицы в противоположных концах Вселенной не могут быть действительно связанными, не так ли? Эта идея показалась Эйнштейну глупостью, возвратом к донаучным представлениям о магии. Любая теория, подразумевающая возможность такого «призрачного действия на расстоянии», рассуждал он, должно быть, что-то упускает из виду. Он полагал, что мир на самом деле локален и просто кажется нелокальным, и искал более глубокую теорию, которая бы обнажила скрытый механизм, позволяющий двум частицам действовать в унисон. Эйнштейн так и не нашел такую теорию и признал, что, возможно, это он сам что-то упускает. Возможно, нет никакого скрытого механизма. Принцип локальности – а вместе с ним и наше понимание пространства – может быть ошибочным. За несколько месяцев до кончины Эйнштейн размышлял о том, что могло значить для нашего понимания мира исчезновение пространства: «Тогда ничего не останется от моего воздушного замка, включая теорию тяготения, как, впрочем, и от всей современной физики».

Что было действительно пугающим, так это оптимизм его современников. Для них нелокальность была пустяком. Причины их пренебрежительного отношения были трудны для понимания, они и до сих пор являются предметом спора для историков, но, пожалуй, самое мягкое объяснение этому – прагматизм. Вопросы, беспокоившие Эйнштейна, просто не казались существенными для практического применения квантовой теории. Только в 1960-х гг. до нового поколения физиков и философов наконец дошли опасения Эйнштейна. Проведенные ими эксперименты показали, что нелокальность – это не теоретический курьез, а правда жизни. Но даже тогда большинство их коллег уделяли нелокальности мало внимания – именно поэтому я практически случайно наткнулся на эту тему, будучи аспирантом.

Однако в последние 20 лет позиция физического сообщества значительно изменилась. Нелокальность захлестнула господствующие течения физики и вышла далеко за пределы феномена, открытого Эйнштейном. Как популяризатор науки и редактор я не раз разговаривал с учеными из разных сообществ, с теми, кто изучает всё – от субатомных частиц до черных дыр и крупномасштабной структуры Вселенной. И раз за разом я слышал примерно следующее: «Ну, это странно, и я бы не поверил в такое, если бы не видел этого сам, но, похоже, мир просто обязан быть нелокальным». Исследователи вели себя подобно тем самым согласованным частицам в разных концах Вселенной: зачастую не зная друг друга, они тем не менее приходили к одним и тем же выводам.

Если Эйнштейн считал, что нелокальность имеет привкус волшебства, то, может быть, новые исследования дают основания верить в паранормальные явления? Некоторые так и решили. В последние десятилетия ряд ученых предполагал, что нелокальные связи между частицами могли бы наделить вас сверхъестественными способностями. Например, если бы частицы вашего мозга находились в запутанном состоянии с частицами мозга вашего друга, то, возможно, вы могли бы общаться друг с другом с помощью телепатии. Другой крайностью было то, что связанные с нелокальностью намеки на паранормальное заставили многих ученых отвергнуть всю эту область исследований как чепуху. На самом деле никакой связи здесь нет. Ни одно из свидетельств экстрасенсорных способностей не выдержало проверки, а обсуждаемые виды нелокальных явлений имеют слишком слабо выраженные эффекты, чтобы соединять умы или дистанционно влиять на исход бейсбольных матчей.

Некоторые расстраиваются из-за этого. Напрасно. Настоящее волшебство мира состоит в том, что он не волшебный. По причинам, которые были изложены ранее, локальность – необходимое условие нашего существования. Любая нелокальность должна оставаться надежно спрятанной и возникать только при определенных условиях, иначе наша Вселенная была бы непригодна для жизни. Нелокальность дает нам нечто гораздо более впечатляющее, чем паранормальные явления: возможность взглянуть на истинную природу физической реальности. Если воздействия могут пересекать пространство так, словно его на самом деле нет, то из этого следует естественный вывод: пространства на самом деле нет. Теоретик из Колумбийского университета Брайан Грин, который занимается теорией струн, написал в своей книге 2003 г. «Ткань космоса» (The Fabric of the Cosmos), что нелокальные связи «показывают нам, что пространство совсем не такое, как мы думали раньше». Какое же оно тогда? Исследование нелокальности может нам подсказать. Многие физики теперь считают, что пространство и время обречены: они являются не фундаментальными элементами физического мира, но следствием первозданного состояния отсутствия пространства. Пространство похоже на ковер с обтрепанными краями и залысинами. Подобно тому как разглядывание залысин позволяет нам увидеть основу ковра, изучение проявлений нелокальности может пролить свет на то, как пространство строится из беспространственных составляющих.

«Я всегда думал и продолжаю думать, что открытие и подтверждение нелокальности является самым поразительным открытием в физике ХХ в.», – говорит Тим Модлин, профессор Нью-Йоркского университета и один из ведущих философов физики в мире. В статье конца 1990-х гг. он резюмировал ее следствия: «Мир – это не просто набор отдельно существующих локализованных объектов, связанных внешне только пространством и временем. Что-то более глубокое, более таинственное связывает воедино ткань мироздания. Мы только-только достигли того момента в развитии физики, когда можно начать размышлять о том, что бы это могло быть».

В то же время именно потому, что так много стоит на кону, другие ученые говорят мне, что нелокальность не может быть правдой, что те или иные нелокальные явления наверняка окажутся ошибкой толкования и что сваливать их все в одну кучу – это неправильно. Физики достигли больших успехов, используя пространственное мышление, и не откажутся от него так просто. Один скептик, Билл Унру, преподаватель физики в Университете Британской Колумбии, думает примерно так же, как думал Эйнштейн: «Если мне нужно знать все о Вселенной, чтобы знать хоть что-нибудь, если мы воспринимаем нелокальность серьезно, если то, что происходит здесь, зависит от того, что происходит со звездами, то физика становится практически невозможной. Что делает физику возможной, так это то, что мир допускает разделение на части. Если нам действительно нужно смотреть на звезды, чтобы увидеть будущее, то я не понимаю, как можно продолжать заниматься физикой».

Помимо того что ей присуще очарование, нелокальность также является идеальным объектом для научных споров. Разногласия между такими людьми, как Модлин и Унру, исключительно интеллектуальны. Отсутствие экономических интересов не позволяет заподозрить скрытые мотивы. Здесь нет лоббистов из Exxon Mobil[3], бродящих по коридорам. Оппоненты не имеют явной личной неприязни, многие из них являются друзьями. Математика довольно проста, экспериментально полученные данные неоспоримы. И все же споры тянутся поколениями. В наши дни ученые повторяют аргументы, которые звучали еще в спорах Эйнштейна и его противников в 1920–1930-х гг. Почему так происходит? И что делать всем остальным, когда эксперты не могут прийти к согласию?