Нелокальность - [57]
Представьте, что пространство разделено на две части: на такую, где сигнал может прийти в течение определенного времени, и такую, где это невозможно. Если вы посылаете сигнал, а предполагаемый получатель находится в первой части, то он должен получить его. Если же получатель находится во второй части, то просто забудьте о сигнале. Физики называют это правилом «микропричинности». Под «причинностью» понимается тот факт, что подача сигналов является хрестоматийным примером причинно-следственной связи. Микропричинность оставляет за кадром, что именно является носителем сигнала: частица, волна или что-то еще. Существует определенное расхождение во мнении, можно ли считать микропричинность основным уроком, почерпнутым из теории относительности, однако альтернативы также делят пространство на зоны, которые свет либо может, либо не может достичь.
Все эти особенности квантовой теории поля отражали интуитивную приверженность физиков локальности. Обе конкурирующие картины мира, дававшие начало теориям, — частицы или волны — были локальными. Частицы — это локализованные кусочки материи, которые взаимодействуют друг с другом только при прямом контакте или через посредство других частиц. Волны в поле передают силы из одного места в другое в результате непрерывного движения без каких-либо сверхъестественных нелокальных прыжков. В самом деле, единственная причина, по которой Майкл Фарадей и Джеймс Клерк Максвелл ввели понятия электрического и магнитного полей, как было отмечено в главе 2, заключалась в стремлении сохранить локальность. Микропричинность или любое другое эквивалентное правило гарантирует, что частицы или волны движутся с конечной скоростью, и, таким образом, обеспечивает изолированность отдельных частей пространства.
Фраза «физики разработали квантовую теорию поля» подразумевает, что они знали, что делают. На деле они спотыкались сплошь и рядом и глубоко сомневались в отношении того, в ту ли сторону идут. Объединяя элементы квантовой механики и теории относительности, физики совершали бракосочетание под дулом пистолета с непредсказуемыми последствиями. И по сей день они пытаются постичь, что именно квантовая теория поля говорит им о мире. Как мы видели в предыдущей главе, обычная квантовая механика не является образцом прозрачности во всех смыслах, однако она по крайней мере довольно проста с точки зрения математики — для проведения вычислений не требуется даже калькулятор. Квантовая теория поля — другое дело. Она заслужила репутацию самого математически сложного предмета в науке. Даже экспертам приходится сражаться с ним изо всех сил. Джо Полчински из Института теоретической физики в Санта-Барбаре говорит, что он дважды прослушал курс теории, получил степень доктора философии[19], но так до конца и не освоился с ним.
Выяснять смысл физики — дело философов, однако жуткая сложность квантовой теории поля отпугивает большинство из них. Одним из тех, кто не испугался, является Ханс Халворсон из Принстонского университета. Больше всего на свете ему нравится продираться сквозь математические дебри. Он из тех, кто самостоятельно рассчитывает свои налоги каждый год да еще сетует, что это слишком просто. «Когда я в аспирантуре начал влезать в квантовую теорию поля, мне было так интересно, — вспоминает он. — Это нескончаемый поток проблем». Любовь к разгребанию алгебраических нагромождений — именно то, что нужно для этого предмета. Если уж на то пошло, перед Халворсоном, в отличие от других философов, стоит противоположная проблема: он борется с понятийным мышлением, краеугольным камнем философии. Однако тот факт, что построение философской базы дается нелегко, лишь подзадоривает его — это вершина, которую он решил покорить. «Я склонен подходить к вещам чересчур математически, — говорит он. — Один математик как-то посоветовал мне: “Оторвись ты от этих формул на минуту”. Математик называется!.. Самое трудное — интерпретировать смысл математики».
Прощайте, частицы
Это означает со всей очевидностью, что наш мир не состоит ни из частиц, ни из полей, по крайней мере в той форме, в которой их обычно представляют: как структуры, олицетворяющие принцип локальности. Физики по-прежнему говорят о «квантовых частицах» и «квантовых полях», но это звучит как «общеизвестный секрет» или «оплачиваемый доброволец». Под определением «квантовый» понимается «подобная частице, но не частица» или «имеющее совершенно непохожие на поле характеристики».
Возьмем для начала подход с точки зрения частиц. В соответствии со старой квантовой механикой положение и скорость частицы неопределённы. Вы не знаете, где она окажется или как быстро будет двигаться. Но по крайней мере она находится где-то. Это правило перестает выполняться, как только вы принимаете во внимание теорию относительности, что приходится делать, если скорости приближаются к скорости света. Логика ведет нас назад к ключевому факту квантовой неопределенности. Скорость и положение частицы не являются независимыми величинами. Если известно рассеяние возможных скоростей, то можно рассчитать рассеяние возможных положений, опираясь на принцип неопределенности Гейзенберга, и наоборот. Теория относительности нарушает это преобразование, требуя, чтобы принцип неопределенности был независимым от наблюдателя. Теперь при преобразовании скорости в положение оказывается, что разные позиции больше не являются взаимоисключающими. Одну и ту же частицу можно обнаружить одновременно в двух местах или найти частицу в одном месте, а ее энергию где-то еще. Объединение квантовой механики с теорией относительности нарушает локальность в том аспекте, который был для Эйнштейна принципиальным: оно нарушает положение о том, что все вещи имеют свое место.
