У попередній статті ми почали розмову про квантову теорію. Продовжуючи цю тему, запропонуємо можливу версію упередження Альберта Ейнштейна до нової теорії. Щоб розібратися в цьому питанні, торкнемося наукового світогляду Ейнштейна. І тут важливо, що він розумів під реальністю, точніше, об’єктивною реальністю.

Почнемо з релігійності Ейнштейна, про яку досі висловлюються різні думки. Наприклад, на питання про його віру (1929 рік) він відповів: «... я вірю в Бога Спінози, який виявляє себе в гармонії всього, що нас оточує, але не в Бога, який піклується про долю та дії людей». (Барух Спіноза (1632–1677), відомий голландський вчений, філософ XVII століття). «Якщо є в мені щось, що можна назвати релігійним, то це безмежне захоплення структурою Всесвіту наскільки наука може дати нам про неї уявлення».

Отже, під Богом Ейнштейн розумів сукупність загальних законів, що відображають детермінізм у явищах природи. Детермінізм означає, що всі події відбуваються з дотриманням причинності. Простіше кажучи, склянка спочатку падає, а потім розбивається, а не навпаки (спочатку розбивається, а потім падає – наслідок передує причині).

Виходячи з таких уявлень, спробуємо зрозуміти відому фразу Ейнштейна «Бог не грає в кості». Під Богом зазвичай розуміють всемогутнього творця, який керує світом за встановленими ним законами. Коли творці сучасної квантової теорії закладали основою законів мікросвіту не детерміновані закони, а ймовірності, вони автоматично позбавляли Бога його всемогутності. Чому? Тому, що в такому разі вони вводили в опис природи невизначеність, неточність, невпевненість Бога у своїх силах (своїх законах). До того ж, ймовірність у цій теорії виникала неприродно, її вводили за допомогою додаткових гіпотез, таких як співвідношення невизначеності В. Гейзенберга (про це поговоримо нижче) та подібні до нього.

По суті, невизначеність дозволяла підганяти, коригувати закони під потрібні, такі, що відповідають досліду. Якщо природа не підпорядковується єдиним, загальним законам, то у світі можливий хаос, і світом керує випадок. При цьому не може існувати детермінованої, всеосяжної науки, що описує природу і передбачає її можливу майбутню поведінку.

Для Бога Ейнштейна не мало бути таємниць, сумнівів у власному творінні. Якісь компроміси, проміжні, часткові рішення Ейнштейна не задовольняли і були для нього неприйнятними. Для вченого можлива ієрархія описів, обумовлена точністю, але не випадковістю, невизначеністю стану основних цеглинок світобудови. Ідея хаосу, як основа неприйнятна для вченого. І ще: теорія повинна мати внутрішню красу.

Сама концепція точної науки передбачає впорядкованість подій, порядок у послідовності причин та наслідків. Тут немає місця випадку, є всеосяжні загальні закони. Якщо не вірити в загальний порядок, то майбутнє є непередбачуваним і на нього немає жодних сподівань.

Навіть віра у звичайного всемогутнього Бога-особистість передбачає розумне, гідне, правильне керування всіма явищами у світі, а значить і в мікросвіті.

Своїми уявними дослідами Ейнштейн хотів обґрунтувати думку, що ймовірнісний фундамент теорії неминуче призведе до суперечності з загальними законами фізики, наприклад, із законом збереження енергії.

Тож у чому причина цього інтуїтивного неприйняття Ейнштейном сучасної квантової теорії? Спробуємо дати можливі аргументи на користь інтуїції великого вченого.

Перш за все, Ейнштейн, як видно з його філософських міркувань, прагнув до такого погляду на повноту теорії, яка б не тільки безумовно слідувала досліду, але й виправдовувала здоровий глузд. Останній, по суті є наслідком звичайного, тобто перевіреного всім довгим людським існуванням, досліду.

Коли дослід вказав на обмеженість поняття одночасності, у нього знайшлася мужність шукати інший шлях, своє помірковане, загальне пояснення, засноване на нових принципах механіки. Він прийняв парадоксальний постулат про сталість і скінченість максимально можливої швидкості – швидкості світла . Чому парадоксальний?

Нехай, наприклад, ми спостерігаємо за ракетою, що летить від нас зі швидкістю с. І нехай з ракети зробили постріл у напрямку її руху, і швидкість снаряда відносно ракети рівна v. З якою швидкістю відносно нас полетить такий снаряд? За відомим законом складання швидкостей Галілея, с + v, але с + v > с. Отже виявилося, що дослід при великих швидкостях суперечить такому висновку (закону складання швидкостей Галілея).

У цих умовах Ейнштейн знайшов пояснення здоровому глузду і основним постулатам, які він заклав в основу нової механіки (спеціальної теорії відносності).

У квантовій механіці все виявилося набагато складніше. Один з ідеологів сучасної (копенгагенської) інтерпретації квантової теорії Нільс Бор також діяв таким чином. Щоправда, для обґрунтування своїх уявлень, йому довелося залучити абсолютно незвичні, такі, що суперечать здоровому глузду, гіпотези. Йдеться про співвідношення невизначеності та принцип доповнюваності. У результаті все вилилося в ймовірнісну основу теорії мікросвіту.

Не торкаючись до часу подробиць, відзначимо, що це положення допускали такі абсолютно незрозумілі явища, як телепортація (миттєве переміщення тіл на великі відстані, що суперечило скінченості швидкості поширення будь-якого збудження в теорії відносності) чи проходження через силовий бар’єр (непроникну для матеріальних тіл стінку).

Ейнштейн допускав і використовував у своїх роботах міркування ймовірності (наприклад, при розгляді броунівського руху чи розробки статистики, відомої як Бозе-Ейнштейнівської). Але прийняти ймовірність як першооснову він не міг. Тим більше, що неформального, зрозумілого пояснення введеним постулатам, досі не з’явилося, проте математичний апарат теорії чудово працював, тобто відповідав досліду.

Внаслідок багаторічної суперечки великі фізики так і не змогли досягти згоди. Спробуємо з’ясувати можливу причину.

Розглянемо відомий парадоксальний дослід з двома щілинами, пов’язаний з дивною поведінкою електрона, який, як це давно встановлено, є частинкою. Якщо у досліді спостерігали його траєкторію (у досліді встановлювали щілину, якою проходив електрон, положення щілини визначало його координату), він поводився як звичайна частинка. Якщо ж цієї інформації про координату в досліді не мали, то поведінка електрона була такою, ніби обидві щілини впливають на можливу траєкторію і роблять свій внесок у ймовірність його положення (координату в певний момент часу).

Вигадали якісь інформаційні хвилі, пов’язані зі щілинами, які накладаючись за законами звичайної інтерференції, як у хвильовій оптиці, впливають на координату. Звідки електрону ставало відомо, що за ним не спостерігають? У цьому, власне, загадка, яка досі не розгадана. Рецепт знаходження парадоксального розподілу відомий, а ось в чому причина такої поведінки природи?

Важливим в аргументації Ейнштейна було визначення об’єктивної реальності, яке припускало вимірюваний параметр реальним за умови 100 % його реалізації на досліді (тобто, з ймовірністю одиниця). Іншими словами, ніяка невизначеність в процесі вимірювання не допускається. Висновки з теорії (непрямі виміри), на основі таких (безпосередніх, прямих) вимірів, можна вважати достовірними.

Заперечення опонентів Ейнштейна якраз і пов’язані з якимось новим розумінням об’єктивної реальності. Це вже не повна достовірність, а лише часткова, яку дозволяє отримати експеримент. І ось для обґрунтування своїх висновків і вносили до теорії нові фундаментальні положення, про які згадувалося вище.

Для пояснення вводили співвідношення невизначеностей та гіпотезу про хвильову природу матерії де Бройля (що пов’язує імпульс матеріального тіла з певною довжиною хвилі). По суті, загадку переносили на два нові положення, такі ж незрозумілі. Тут можна нагадати думку видатного фізика ХХ століття, лауреата нобелівської премії Річарда Фейнмана (1920–1990). Він, маючи власний підхід до побудови квантової теорії (підхід, заснований на інтегралах за траєкторіями), говорив, що у нас є рецепт, який правильно описує явища природи, але ми не розуміємо, чому все відбувається саме так.

У разі, коли відома траєкторія об’єкта (щілина, де пройшла частинка), розподіл координат типовий для частинок. В іншому випадку, розподіл відповідає накладенню якихось полів, що впливають на рух частинки (ці поля інтерферують). Здавалося б, наявність додаткової щілини якось збурює сам процес спостереження. Але чому поведінка різна у різних випадках? Цю складність «зняв», точніше врахував досить загальний принцип доповнюваності, що стверджував (знову чисто формально, без жодних пояснень), наче у будь-якому досліді реалізується лише одна з двох якісно різних картин розподілу. Цей зміст і вкладається у термін доповнюваності. І знову: чому так? Відповіді наразі немає.

При подальшому розвитку теорії розробили динаміку мікрочастинки (аналог другого закону Ньютона – рівняння Шредінгера). Але от перехід від однієї картини до іншої виходив неприродним. Для його обґрунтування якраз і були потрібні міркування ймовірності і те саме поле з інформаційним (ймовірнісним) змістом.

Рівняння Шредінгера описувало поведінку хвильової функції – амплітуди того ж інформаційного поля. Для переходу до іншої картини недостатньо було одного рівняння. Залучали спеціальну операцію, яку називали по-різному: чи редукція, чи колапс хвильової функції. Все це виглядало дуже надуманим, але теорія якось працювала та давала результат.

Творці загальноприйнятої інтерпретації квантової теорії всі труднощі та парадокси «пояснювали» випадком, ймовірністю. Випадок керував природою. То справді був акт розпачу, вимушений крок у побудові теорії природи.

Чи міг такий учений як Ейнштейн, з його почуттям краси, гармонії природи, погодитися з безладдям у основі світу. Його Бог – природа, який встановлював порядок у природі, що підпорядковується невеликій кількості загальних законів, а тут все руйнувалося. Як прийняти невизначеність, прийняти зв’язок частинки з якоюсь хвилею ймовірності і лише для того, щоб пристосувати теорію до досліду?

Слід зазначити, частка «провини» належала і самому Ейнштейнові. Порцію енергії світлової хвилі за його гіпотезою переносила частинка. За допомогою таких частинок він пояснив явище фотоефекту (вибивання електронів із металу фотонами, саме за це він, до речі, отримав нобелівську премію). Його ідея індукованого випромінювання (теж квантованого) призвела до створення квантових генераторів (лазерів).

Слід зазначити, що пізніше фотоефект знайшов суто хвильове пояснення (щоправда, із залученням квантових міркувань). Все заплутувалося дедалі більш. Невипадково парадоксальну поведінку мікрооб’єктів називають квантовим заплутуванням.

Хочеться вірити, що пояснення квантової поведінки мікрочастинок рано чи пізно буде знайдено. Одним із аргументів на користь такого міркування якраз і є непохитна віра одного з найвидатніших вчених фізиків Альберта Ейнштейна.

О.М. Пальті, ст. наук. співробітник з фізики ВТНП

За темою: