Чтобы выяснить, почему пространство и время относительны для наблюдателя, Эйнштейн присвоил их «изменчивым изгибам» запутанные математические свойства. Эйнштейновское пространство-время – это невидимая и неощутимая сущность. Несомненно, Эйнштейн весьма успешно объяснил принципы движения объектов, особенно в экстремальных условиях – например, при огромной гравитации и на очень высоких скоростях. Но многие люди стали ошибочно полагать, что пространство-время – это реально существующий феномен, не менее материальный, чем швейцарский сыр. На самом же деле речь идет просто о математическом конструкте, который служит конкретной цели – упростить расчеты, связанные с движением. Разумеется, путаница с пространством-временем – далеко не первый случай, в котором математические инструменты ошибочно принимаются за реальные феномены. Квадратный корень из минус одного и знак бесконечности – вот всего два примера незаменимых математических сущностей, которые целиком и полностью абстрактны. Ни у того, ни у другого нет никаких аналогов в наблюдаемой Вселенной.

Такая дихотомия между концептуальной и физической реальностью лишь усугубилась с появлением и развитием квантовой механики. Несмотря на центральную роль наблюдателя в данной теории – эта роль напрямую касается не только пространства и времени, но и глубинных свойств материи как таковой, – некоторые ученые по-прежнему считают наблюдателя помехой или игнорируют как какую-то несущественную мелочь.

В квантовом мире отказываются работать даже усовершенствованные Эйнштейном ньютоновские часы – то есть Солнечная система, которая считается точным, пусть и довольно сложным, хронометром. Сама концепция того, что разрозненные события могут происходить в отдельных несвязанных местах – здесь мы сталкиваемся с излюбленным физическим феноменом «локальности», – не соблюдается на атомном и субатомном уровне. Более того, накапливаются все новые доказательства, позволяющие утверждать, что эта концепция не вполне выполняется и в макромире. В соответствии с теорией Эйнштейна, события, происходящие в пространстве-времени, можно измерять относительно друг друга. Однако квантовая механика уделяет повышенное внимание самим процессам наблюдения и тем самым подрывает основы объективности.

Вероятно, при изучении субатомных частиц исследователь самим процессом наблюдения изменяет наблюдаемое и его свойства. Само присутствие экспериментатора и применяемые им методы неразрывно связаны с тем, что он наблюдает, и, соответственно, с результатами экспериментов. Электрон может проявлять себя и как частица, и как волна. Однако как себя поведет эта частица и, гораздо важнее, где она будет при этом находиться, зависит от самого акта наблюдения.

Такие проблемы оказались достаточно новыми. В рамках традиционной, неквантовой физики логично предполагается наличие внешней, объективной Вселенной. В такой Вселенной мы должны с определенностью устанавливать положение отдельных частиц – так же, как выясняем положение планет. Традиционная физика предполагала, что поведение частиц должно быть полностью предсказуемым, если все внешние условия известны в начале эксперимента. Считается, что можно измерить с практически бесконечной точностью физические свойства объекта любого размера, если для этого существуют адекватные технологии.

Наряду с квантовой неопределенностью в современной физике есть еще один аспект, ставящий под сомнение эйнштейновскую концепцию раздельных (дискретных) сущностей и пространства-времени. Эйнштейн утверждал, что скорость света является постоянной и что события в одном месте не могут одновременно влиять на события в другом месте. В теориях относительности приходится учитывать скорость света при определении того, как информация переходит от одной частицы к другой. Такая зависимость обмена информацией от скорости света была подтверждена уже около века назад, даже если речь идет о распространении действия гравитации. Скорость света в вакууме составляет около 300 000 километров в секунду. Однако последние исследования показывают, что эта цифра может отличаться при передаче некоторых типов информации.

Наука столкнулась с поистине странными явлениями в 1935 году, когда Эйнштейн, Подольский и Розен занялись исследованием любопытной квантовой проблемы, называемой «запутанность частиц». Результаты исследования были опубликованы в знаменитой статье, которая не теряет актуальности до сих пор, а рассмотренное в ней явление часто именуется ЭПР-корреляцией.[11] Авторы статьи отвергли принятую в квантовой теории точку зрения о том, что любая элементарная частица каким-то образом «узнает», как ведет себя в пространстве другая, совершенно отдельная элементарная частица. Все наблюдения такого типа они приписали некоему пока еще не установленному локальному искажению, а не особому явлению, которое Эйнштейн саркастически называл «жутким дальнодействием».

Это замечательное образное выражение стоит в одном ряду с еще некоторыми широко растиражированными изречениями великого физика, одно из которых – «Бог не играет в кости». Эйнштейн вновь с удовольствием подколол сторонников квантовой теории, которая все более уверенно утверждала, что некоторые феномены существуют лишь как вероятности, а не как реальные объекты, имеющие конкретное местоположение. Словосочетание «жуткое дальнодействие» уже много десятилетий можно услышать на физических факультетах.[12] Ирония, заключенная в этой фразе, надолго отвлекла всеобщее внимание от истинных масштабов парадоксальности квантовой теории. Учитывая, что аппаратура для проведения квантовых экспериментов долго оставалась сравнительно грубой, кто решился бы усомниться в правоте Эйнштейна?

Однако Эйнштейн был не прав. В 1964 году ирландский физик Джон Белл предложил эксперимент, который позволил бы проверить, могут ли разрозненные элементарные частицы мгновенно влиять друг на друга на огромном расстоянии. Во-первых, для такого эксперимента необходимо создать два фрагмента материи или света, которые имеют общую волновую функцию (как мы помним, даже твердые частицы обладают энергетически-волновой природой). При работе со светом это не составляет труда – достаточно пропустить свет через специальный кристалл. В результате возникают два фотона света, каждый из которых обладает половиной энергии (и двойной длиной волны) по сравнению с фотоном, вошедшим в кристалл. Таким образом, закон сохранения энергии в данном случае не нарушается. Количество энергии остается одинаковым как на входе, так и на выходе.

Согласно квантовой теории все объекты могут вести себя и как частица, и как волна (это свойство называется «корпускулярно-волновой дуализм»), а поведение объекта на квантовом уровне существует только как вероятность. Это означает, что ни одна из субатомных частиц не занимает определенного места в пространстве и не движется в определенном направлении, пока не произойдет коллапс ее волновой функции. Что нужно, чтобы совершить такой коллапс? Как-либо вмешаться в поведение частицы. Например, достаточно «толкнуть» частицу пучком света, попытавшись ее сфотографировать.

Не оставалось никаких сомнений, что коллапс волновой функции произойдет и при любой попытке наблюдения за частицей каким-либо способом. Так, чтобы определить местоположение электрона, по нему необходимо «выстрелить» фотоном. Но в результате взаимодействия двух этих частиц неизбежно произойдет коллапс волновой функции. В некотором смысле эксперимент оказывается искажен. Однако по мере того, как разрабатывались все более сложные эксперименты (подробнее о них – в следующей главе), становилось понятно, что коллапс волновой функции может произойти уже из-за того, что экспериментатор знает о факте эксперимента.

Текст предоставлен ООО «ЛитРес».