Если в классической физике поле – непрерывно распределённый в пространстве объект, то в квантовой теории поля все элементарные частицы являются квантами соответствующих полей. Наделив поля квантовой природой, квантовая теория совместила несовместимое для классической физики. Все элементарные частицы в один миг стали квантами соответствующих полей. На смену несопоставимым объектам в классической физике – полям и частицам – пришли единые физические объекты в виде полей в четырёхмерном пространстве-времени. Элементарное взаимодействие при этом рассматривается как взаимодействие полей в определённой точке пространства или мгновенное превращение в этой точке одних частиц в другие. Вселенная стала состоять не из мельчайших частиц, а из множества различных полей: глюонного, кваркового, электронного, электромагнитного и так далее.
Гипотеза корпускулярно-волнового дуализма наталкивается на определённые трудности при объяснении поведения частиц в экспериментах с двумя щелями. Существуют и другие сложности у теоретической физики при представлении частицы одновременно частицей и волной. Всё это даёт почву усомниться в реальности корпускулярно-волнового дуализма.
«Физика должна быть больше, чем набор формул, которые предсказывают, что мы будем наблюдать в эксперименте; она должна давать картину того, какова реальность на самом деле», – утверждает американский физик-теоретик Ли Смолин[8]. Квантование полей в современной физике – математический приём, не имеющий ничего общего с реальностью. Несоответствие между реально происходящим событием и его математической моделью прекрасно демонстрирует математическое представление колебательного движения струны.
Движение струны музыкального инструмента в математическом описании сводится к решению дифференциального уравнения в частных производных. Это уравнение можно решить несколькими способами. Решение уравнения методом разделения переменных (методом Фурье) представляет колебание струны в виде колеблющегося бесконечного числа различных струн (математических волн), каждая из которых имеет свою частоту колебаний.
Разумеется, что представление колебания реальной струны в виде бесконечного числа колеблющихся виртуальных струн ничего общего с реальным физическим процессом не имеет. Тем не менее метод Фурье имеет огромное практическое значение.
Этот приём позволяет решать на практике многочисленные задачи, которые сложно решить другим путём. Например, передача видеоизображения на компьютер немыслима без преобразований Фурье. Использование вычислений, представляющих сигнал в виде простых синусоидальных волн, позволяет аудио- и видеофайлам сжиматься до размеров, необходимых для передачи информации. В электротехнике мнимые гармонические составляющие исследуемого периодического сигнала многим кажутся более реальными, чем сам исследуемый сигнал.
Противоречивость корпускулярно-волнового дуализма усматривается в самой сути движения квантовых объектов. В соответствии с принципом неопределённости Гейзенберга существует теоретический предел точности одновременного измерения положения частицы в пространстве и её скорости (импульса). Исходя из принципа неопределённости, чем конкретнее частица проявляет свойства частицы, тем неопределённее становятся её волновые свойства и наоборот.
Наглядной демонстрацией принципа неопределённости может служить струна, колеблющаяся с высокой скоростью. Такая струна внешне выглядит в виде размазанного следа. Чтобы узнать, в каком конкретно месте находится струна в данный момент времени, нужно зафиксировать её положение. Но тогда мы ничего не сможем сказать о временной характеристике – частоте колебаний. Для определения частоты колебаний струны необходимо некоторое время наблюдать за её движением. Но тогда становится для нас неопределённым положение струны. Будь наше восприятие безинерционным, мы бы смогли наблюдать вместо размазанного следа реальную картину движения колеблющейся струны.
Предположим, что у нас имеется абсолютно безинерционный и абсолютно чувствительный прибор для наблюдения за движением элементарной частицы, например свободного нейтрона, который имеет реальную величину массы покоя. Будем ли мы наблюдать одновременно нейтронное поле и неотделимую от поля материальную частицу, или же какую-то другую картину?
Можно предположить, что движение частицы будет сопровождаться попеременным появлением нейтронного поля и частицы, и это будет выглядеть как взаимопревращения энергии поля и энергии классической массы. Редукция фон Неймана (коллапс волновой функции) не противоречит такому предположению и, возможно, отражает реальный физический процесс мгновенного превращения волны в реальную частицу. Но мгновенное превращение волны в частицу (редукция) требует мгновенного действия, превышающего скорость света, что противоречит теории Эйнштейна.
По мнению физиков, при коллапсе волновой функции принцип причинности (влияние событий друг на друга) не нарушается, информация не передаётся. Однако многие современные учёные уверены, что ОТО не работает в квантовом мире и для квантовых объектов неприменима.
Противоречит теории относительности и квантовая телепортация, где свойства одной из двух запутанных частиц могут передаваться другой запутанной частице с бесконечной скоростью на сколь угодно большое расстояние.
Если предположить, что квантовая телепортация осуществляется не за счёт переноса свойств частицы с бесконечной скоростью, а за счёт обмена информацией с гипотетическим информационным полем Вселенной, с которым непрерывно взаимодействуют материальные объекты, проблема со сверхсветовой скоростью исчезает.
Аналог телепортации можно наблюдать и на макроуровне, рассматривая взрыв снаряда. Если до взрыва снаряд был неподвижен, суммарный импульс его осколков равен нулю. После взрыва у разорвавшегося на два осколка снаряда, измерив импульс одного из осколков, можно мгновенно определить величину импульса второго осколка, независимо от расстояния, на которое он улетел.
Квантовая теория утверждает, что в вакууме, в соответствии с принципом неопределённости происходит постоянное рождение и исчезновение виртуальных частиц. При этом скорость виртуальных частиц, из-за её бесконечной величины не имеет физического смысла. Попытка вычислить массу виртуальной частицы в математике приводит к мнимому значению массы.
Виртуальные частицы в квантовой теории имеют основополагающее значение. Все взаимодействия частиц и их превращения в другие частицы квантовая теория рассматривает как процессы, сопровождающиеся рождением и поглощением виртуальных частиц свободными реальными частицами.
На фоне виртуальных процессов, а они занимают центральное место в квантовой теории, предположение о том, что движение можно представить как постоянные взаимопревращения энергии поля и энергии механической массы, не столь уж фантастично. Такой взгляд на движение физических тел не противоречит ни общепринятому корпускулярно-волновому дуализму, ни квантовой теории в целом.
В последнее время возрождается интерес к теории де Бройля-Бома, известной также как теория волны-пилота. Теорию волны-пилота впервые предложил в 20-х годах прошлого века Луи де Бройль. Но он вынужден был отказаться от своей гипотезы в пользу копенгагенской интерпретации квантовой механики. В отличие от копенгагенской интерпретации, где частица и волна могут быть (а могут и не быть) одной сущностью, в теории де Бройля сама частица формирует пилотную волну, и они сосуществуют одновременно.
Американский физик и философ Дэвид Бом в 50-х годах заново открыл и развил теорию. В опубликованной в 1952 году статье он предположил, что частицы существуют всегда, но не только в момент их наблюдения. А их поведение определяет новая, ранее неизвестная сила – пилотная волна. Предлагаемая Бомом интерпретация воспроизводит значительную часть поведения квантового мира, сохраняя принцип реализма. Она позволяет отказаться от волнового дуализма и коллапса волновой функции, однако связана с исключительной нелокальностью при описании движения частиц.
