Спин Бома и квантовые измерения

У многих физиков, бывавших в Принстоне в 1940-х или начале 1950-х годов, есть воспоминания, связанные с Эйнштейном. Одни, возможно, видели его идущим по городу со своими ассистентами. Другие посещали некоторые из его лекций, которые он читал, как правило, на немецком языке. Кому-то посчастливилось пообщаться с ним лично. Они сохранили яркие воспоминания об этих драгоценных моментах, которыми, несомненно, неоднократно делились со своими друзьями и родственниками.

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}.

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.

Работы Бома и Белла были посвящены интерпретации квантовой механики, а не ее применению. Более практический вопрос касался расширения квантовой теории поля с целью включения в нее остальных сил помимо электромагнетизма. Целью было обобщить квантовую электродинамику в такую теорию, которая смогла бы описать и другие взаимодействия, такие как ядерные силы и гравитация.

Основной теоретический прорыв в этой области произошел примерно в то же время, что и визит Ромера к Эйнштейну. В начале 1954 года физик Чжэньнин Янг и математик Роберт Миллс опубликовали статью, в которой калибровочная теория поля, предложенная Вейлем, помимо вращательной симметрии дополнялась новой группой симметрии. Напомним, что исходная калибровочная теория, описывающая электромагнетизм, в некотором смысле напоминает вентилятор или флюгер, который может указывать в любом направлении. Таким образом, она обладает вращательной симметрией.

Группу таких симметрии, или группу поворотов окружности, математики обозначают U(1). Ключевым свойством группы U(1) является то, что она абелева. Это означает, что порядок операций на этой группе не имеет значения. Если вы повернете вентилятор на четверть круга по часовой стрелке и затем на треть круга против часовой стрелки, то он окажется в том же положении, что и в случае, если вы измените очередность поворотов.

Работа Янга и Миллса обобщила метод Вейля на случай неабелевых групп симметрии. В качестве простого примера можно привести повороты в трехмерном пространстве, которые могут быть представлены группой SU(2). Возьмите яйцо, аккуратно поставьте на нем точку и поверните его на четверть круга по часовой стрелке вокруг его длинной оси, а затем поверните на треть круга против часовой стрелки вокруг его короткой оси. В отличие от двумерного вращения окружности, если вы измените порядок вращения, метка на яйце перейдет в совсем другую точку. Иными словами, для неабелевых групп, таких как SU(2), порядок операций имеет значение.

Важное свойство калибровочной теории Янга — Миллса (которое позже будет доказано в работах нобелевских лауреатов, голландских физиков Герарда 'т Хоофта и Мартинуса Велтмана) заключается в том, что, как и квантовая электродинамика, она перенормируема. Это означает, что она приводит к конечным ответам. Как оказалось, ее свойства идеально подходят для моделирования слабых и сильных ядерных взаимодействий наряду с электромагнетизмом. Конечно, Эйнштейна не заинтересовало бы объединение взаимодействий, которое содержало бы вероятностные аспекты, такое как квантовая теория поля.

Когда Гейзенберг гостил у Эйнштейна осенью 1954 года во время поездки с лекциями по США, Эйнштейн выказал как раз подобное отсутствие интереса. За кофе и тортом Гейзенберг пытался в последний раз убедить основателя теории относительности в правильности вероятностных представлений о природе. Он надеялся заинтересовать Эйнштейна и упомянул, что начал разрабатывать собственную единую теорию поля на основе принципов квантовой механики. Чтобы встреча прошла как можно более гладко, разговоров о политике они избегали. Тем не менее Эйнштейн не был впечатлен. Упрекая Гейзенберга, он повторял свою старую максиму: «Но вы же не можете всерьез поверить, что Бог играет в кости»^{212}.