Науката
преди всичко е интересна със своята непредсказуемост. Сред физиците, а и не
само, е известна историята за това, че в средата на XIX век професор Филип фон Жоли
разубеждавал младия Макс Планк да се занимава с теоретична физика, твърдейки,
че тази наука е близко до завършването и че в нея са останали само незначителни
проблеми. Планк, за щастие, не го послушал и станал основоположникът на
квантовата механика, една от най-успешните теории в историята на физиката.
Болшинството технически достижения на XX век справедливо се свързват с квантовата механика. Атомната
енергия и лазерите, теорията за елементарните частици и физика на твърдите тела,
успехите в наноелектрониката и теорията за свръхпроводимостта, са немислими без
квантовата механика. Тези, предизвикващи възхищение успехи доведоха до почти
всеобщата вяра в справедливостта на основните принципи на квантовата механика.
Съмнения, изглежда, тук са неуместни. Но семинара „Квантова теория безнаблюдател“ в университета на немския град Билефелд 22-26 април 2013 година
свидетелстват за това, че всичко не е чак толкова еднозначно. Семинара се
проведе в рамките на програмите на научни изследвания на Европейскотосъобщество „Фундаментални проблеми на квантовата физика“. Програмата включваше
четири основни теми: 1) квантова теория без наблюдател, 2) ефективно описание на
сложните системи, 3) квантова теория и теория на относителността, 4) от теория
към експеримент.
За
обосновка на необходимостта от подобна програма се казва, че сега много учени
са съгласни с известното изказване на Айнщайн от 1926 година: „Квантовата
механика, несъмнено, впечатлява. Но вътрешният глас ми говори, че това не е,
все пак, нещо реално. Теорията говори много, но тя не ни приближава към тайната
на Създателя. Аз, във всеки случай съм уверен, че Той не играе на зарове“.
Съдейки по състава на участниците в програмата, учените, съгласни с Айнщайн,
бяха действително немалко. В програмата MP1006 вземат участие учени от 22 европейски страни и Израел,
а също и от отделни университети на САЩ, Австралия, Индия, Мексико и Южна
Африка.
В
качеството на мотивация за необходимостта от създаване на квантова теория без
наблюдател се цитира едно от изказванията на ирландския физик Джон Бел
(1928–1990): „Формулировката на квантовата механика, която намирате в книгите,
предполага разделение на света на наблюдателя и наблюдаваното, но не ви се
казва, къде минава това разделение – от коя страна на очилата, например, или от
коя страна на моя оптичен нерв...По този начин, ние имаме теория, която е
фундаментално неясна“. Този проблем не е нов. Той е възникнал, след като съвсем
младия Гейзенберг през 1925 година предлага да не се описва това, което се
случва, а това, което се наблюдава. По
спомените на самия Гейзенберг, в една беседа, след негово изказване през 1926
година в Берлинския университет, Айнщайн казал, че „ от принципиална гледна
точка, желанието да се построи теория само на наблюдаваните величини е
съвършено нелепо. Защото в
действителност всичко стои иначе. Само теорията решава, какво именно може да се
наблюдава. Виждате ли, наблюдението, най-общо казано, е една много сложна
система“. След
63 години, през 1989 година, в статията „Против измерението“, Бел пише:
„Айнщайн казваше, че теорията определя кое може да бъде „наблюдавано“. Аз
мисля, че той беше прав: „наблюдение“ – това е крайно сложен процес за
теоретично описание. Затова такова понятие не трябва да има във формулировката
на една фундаментална теория“. По този начин, съгласно мнението не само на Бел,
но и на достатъчно голям брой учени, които са съгласни с него, в най-успешната
теория на XX век има
такива понятия, които НЕ ТРЯБВА ДА ИМА при формулировка на фундаментална
теория. Струва ли си да се обръща внимание на това? Отговорът на този въпрос,
очевидно, е свързан с отговора на въпроса за целите на научното изследване.
Ортодоксалната
квантова механика се е отказала от това, че Айнщайн е считал за „висша цел на
цялата физика: пълното описание на реалното ъсътояние на произволна система
(съществуваща независимо от акта на наблюдение или съществуването на
наблюдател)...“ Този отказ е следствие от това, че Гейзенберг, Бор и др. Са
загубили надежда за възможността от реалистично описание на някои явления,
такива например като: ефекта Щерн-Герлах. Щерн и Герлах, през 1922 година
открили, че измерваните значения в проекцията на магнитния момент на атомите
имат дискретни значения. През 1949 година Бор пише, че „както ясно показаха Айнщайн
и Еренфест (през 1922 година), наличието на такъв ефект поставя непреодолими
трудности пред всеки опит да си представим нагледно поведението на атома в
магнитното поле“. А след 32 години Бор
пише: „Заради явления от подобен род сред физиците възникна скепсис за
относителната възможност по създаване на непротиворечиво пространствено-времево
описание на процесите, протичащи на атомни и субатомни нива...Освен това, някои
започнаха да твърдят, че атомите и субатомните частици нямат определени
параметри, освен тези, които наблюдаваме. Не съществува, например, определено
значение на параметъра по който би било възможно да се различат частиците,
близки до анализатова Щерн-Герлах, до отклонението на тяхната траектория
нагоре или надолу. В действителност, реално не съществуват дори и частици“.
Пример за неравенството на Бел, предложен
от самия Бел
Частица
със спин 1/2, например електрон, в градиента на магнитното поле се отклонява
нагоре или надолу. Когато пътя в ниската траектория е закрит, минават само електроните
с положителна проекция на спина по избрано направление на градиента на
магнитното поле. Може да се напише очевидното неравенство: вероятността, че
електрона ще мине при вертикална ориентация (0°) и намя да премине след
завъртане на 45° плюс вероятността, че юе премине при 45° и няма да премине
при 90°, е непо-малка от вероятността да премине при 0° и да не премине
при 90°. Това
може да се запише с формулата P0+P45– + P45+P90– ≥ P0+P90–.
Неравенството е съвършено очевидно. Всеки електрон, преминал при 0° и
непреминал при 90°, трябва да увеличи първата вероятност, ако той не може
да премине при 45°, или втората вероятност, ако той може да премине при 45°.
Съгласно основите на квантовата механика, акта на измерване променя
състоянието. След измерването на проекции при ориентация 0° вече са невъзможни измервания
в същото състояние при ориентация 45°. За
АПР-двойките, измервания при различна ориентация са възможни при изпълнение на
изиксванията за локалност: измерването на една от частиците на АПР-двойката не
може мигновенно да повлияе на състоянието на втората частица. При изпълнение на
това изискване, вероятността, че частица А няма да премине при ориентация 45°,
е равна на вероятността, че спомагателната частица B ще премине през тази
ориентация: P45– = P45+B. От тук се получава и неравенството на Бел:
P0+P45+B + P45+P90+B ≥ P0+P90+B, което може да бъде проверено. Но
по-важен от експерименталната проверка е факта, че квантовата механика
предсказва това нарушение: P0+P45+B + P45+P90+B = 0,1464,
а P0+P90+B = 0,2500, съгласно нейните предсказания. Причината за
такова предсказание може да бъде само нарушение принципа на локалността: акта
при измерване на частица B мигновено влияе на резултата при измерване на
частица АА, независимо от разстоянията между тях.
Въпросът
за съществуването на параметри до наблюдението, е бил главен предмет на спора
между основополжника на квантовата теория Гейзенберг, Бор и др., от една
страна, и Айнщайн, Шрьодингер и др. – от друга страна. През 1951 година
Шрьодингер пише, че „Бор, Гейзенберг и техните последователи...имат предвид, че
обекта не съществува независимо от наблюдаващия субект“. Той изразява своето
несъгласие с това, че „дълбокото философско размишление относно отношенията
обект и субект и за истинското значение на разликите между тях, зависи от
количествените резултати на физическите или химическите измерения“. Айнщайн
изразил своето несъгласие, в частност, с известното изказване: „На мен ми се
иска да мисля, че Луната съществува, даже когато не я гледам“. Най-известният
епизод в този спор на гигантите е появата на статия през 1935 година от
Айнщайн, Подолски и Розен (АПР).
АПР
имали стремеж да докажат, както през 1981 година пише Бел, „че теоретиците,
създали квантовата механика, необмислено са прибързали да се откажат от
реалността на микроскопическия свят“. Но сега, статията АПР е известна на
болшинството не с това доказателство, а с АПР-корелацията, която самите АПР
считали за невъзможна, а много съвременни автори считат за реално съществуваща.
Това е и големият парадокс в историята на АПР – корелацията. АПР-корелацията и
неравенството на Бел с най-голяма достоверност доказали, че предположението за
съществуване на параметри до измерването, противпоречи на ортодоксалната
квантова механика. Поради нелокалността на АПР- корелацията следва, че
описанието на акта на измерване не може да бъде пълен, без включването в него
на съзнанието на наблюдателя.
Нелокалността
е следствие от това, че има различни названия: скокът на Дирак, колапса или
редукцията на вълновата функция, „квантовия скок от възможности към
действителност“ (по Гейзенберг), но смисъла е един – мигновенно, нелокално,
необратимо превръщане на суперпозицията в собствено състояние при измерването.
Тази особена роля на акта на измерване се определя от това, че, както пише
Дирак през 1930 година, „измерването винаги предизвиква скок на системата в
собственото състояние на тази динамическа променлива, която се е измервала“.
Този скок не може да бъде следствие от въздействие на прибор на квантовата
система, така както неравенството на Бел се извежда именно от това
предположение. Въздействието може да бъде всякакво друго, което е необходимо за
описване на резултатите от измерването. Единственото условия при извеждане на
неравенството на Бел е локалността на въздействие: изменения на условията на
експеримента не могат мигновенно да повлияят на резултата от измерването в
пространствено отделената област. Нелокалното въздействие на прибора има реална
нелокалност, означаваща възможност да се промени миналото, което е логически
невъзможно. Затова нарушението на неравенството на Бел, предсказано от
квантовата механика, може да бъде само следствие от нелокалността на нашето
съзнание.
АПР-парадокс
В
статията от 1981 година „«Чорапите на Бертлман и същността на реалността» Бел
пише: „Философът от улицата, който не е шокиран от квантовата механика,
АПР-корелацията едва ли ще го удиви. Той може да посочи множество примери за
подобна корелация в ежедневния живот. Например, случая с чорапите на Бертлман. Доктор
Бертлман обичал да обува чорапи с различни цветове. Какъв ще бъде техния цвят в
определен ден не било възможно да се предскаже. Но когато ние виждаме, че един
от чорапите е розов, ние можем да бъдем уверени че втория чорап няма да бъде
розов“. Тук е описано това, което във философията се нарича въздействие на
обекта върху субекта: при наблщдение се изменя състоянието на съзнанието на
наблюдателя. В това няма нищо странно. Но в квантовата механика, както
отбелязва Шрьодингер, „причинната връзка между субект и обект се счита за
взаимна“. И „въздействието, което субекта оказва на обекта“, се проявява в
АПР-корелация. Когато наблюдателят А, Алиса, вижда, че нейния електрон се е
отклоник на върха в градиента на магнитното поле, тя не само ще узнае, че
втория електрон на АПР-двойката се намира в състояние на спин долу, но тя дори
твори това състояние. Вторият наблюдател, Боб, може експериментално да
потвърди, че неговия електрон действително се намира в състоянието, избрано от
Алиса. Това е и проявата на АПР-корелация. Шрьодингер охарактеризирал
АПР-корелацията като обърканост на нашите знания (entanglement of our
knowledge). Тези знания по парадоксален начин влияят на резултата на
наблюдението. Изводът от това влияние може да бъде избегнат, само ако се
предположи, че електроните до измерването имат определени значения на
параметрите, които определят резултата от наблюдението. Но в този случай
квантовата механика трябва да бъде заменена с теория за скритите параметри, в
която трябва да бъде справедливо неравенството на Бел.
Гейзенберг и другите създатели на квантовата
механика не са си задавали въпроса, от коя страна на очилата минава разделението между
наблюдателя и наблюдаваното. За тях, мислители в традициите на европейската
философия, това разделение може да бъде само следствие от картезианското
разделение на мислещи същности и разтегнати същности.
В твърдението на Гейзенберг „Класическата физика се е
основавала на предположението или, може да се каже, на илюзията, че е
възможно света да бъде описан, или поне част от света, не говоря за нас
самите“ се подчертава, че квантовата механика се е отказала от полярността на
това разделение, когато разтегнатите същности мислят независимо от мислещите същности.
Но, отказвайки се от илюзиите, Гейзенберг не е казал,
как да описваме света, говорейки за нас самите. Това, извинете, е главната
причина, защо желанието да се строи теория само на наблюдаваните величини е
нещо съвършенно нелепо. Затова задачата по създаване на квантова теория без
наблюдател, т.е. без нас самите, винаги е била актуална. Най-известните опити
за нейното решение са „многовселенната“ интерпретация, предложена от Еверет
през 1957 година, и интерпретацията на Бом през 1952 година, която вдъхновила
Бел за създаването на знаменитото неравенство на Бел.
Но
за болшинството физици тази задача е била и си остава непонятна. В една от
своите последни работи Бел пише за една статия от 1988 година, която „особено
се отличава със своя здрав смисъл“. Той отхвърля твърдението на фон Нейман,
Паули, Вигнер, че описанието на „измерването“
не може да бъде пълно без включване в него съзнанието на наблюдателя“.
Подобно отношение към квантовата механика от позицията на здравия смисъл е
характерно за болшинството физици. Във всички, или почти във всички учебници и
книги, акта на измерване (наблюдението) се разглежда като процес на
взаимодействие на квантовата система не с наблюдателя, а с бездушния
измервателен прибор. Заблудата за възможността да се замени съзнанието на
наблюдателя с измервателен прибор е особено силна сред физиците на съветската
школа.
Нашият
водещ учен, лауреата на Нобелова награда академик В.Л. Гинзбург признава в
предисловието на статията „Концепцията за съзнанието в контекста на квантовата
механика“, публикувана в списание „Успехи на физическите науки“ през 2005
година, че, той като материалист не разбира „защо т.н. редукция на вълновата
функция по някакъв начин да е свързана със съзнанието на наблюдателя“. Квантова
механика са учили (и учат) така, че много не знаят не само за проблема със
„съзнанието на наблюдателя“, но дори и за редукцията на вълновата функция.
Авторът на статията „Две методологически революции във физиката – ключ към
разбирането на основанията в квантовата механика“, публикувана през 2010 година
в списание „Въпроси на философията“, признава: „Сам аз чух за нея чак след
завършването на МФТИ и защитата на дисертация по кантова механика“. Затова
самия факт по постановката на задачата за създаване на квантова теория без
наблюдател трябва да предизвика интереса на нашите учени. Този факт
свидетелства за нрастващото разбиране на значението на разботата на Джон Бел,
сборника на който е бил публикуван за първи път през 1987 година и няколко пъти
е бил преиздаван, за последно през 2011 година.
