Нелокальность. Феномен, меняющий представление о пространстве и времени, и его значение для черных дыр, Большого взрыва и теорий всего - Джордж Массер

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.