Парадокс Эйнштейна-Подольского-Розена: о чем спорили ученые

Эйнштейн и Бор Фото: Paul Ehrenfest commons.wikimedia.org

В 1935 году в американском научном журнале Physical Review была опубликована статья Альберта Эйнштейна (Albert Einstein), соавторами которой выступили сотрудники Института перспективных исследований (Принстон, США) Борис Подольский (Boris Podolsky) и Натан Розен (Nathan Rosen). Работа называлась «Можно ли считать квантово-механическое описание физической реальности полным?». Английский физик Поль Дирак (Paul Dirac), ознакомившись с ней, в отчаянии написал, что теперь ученым нужно все придумывать заново, потому что квантовая физика не работает. Парадокс ЭПР, действительно, должен был уничтожить квантовую физику. Однако этого не произошло.

Когда научная картина мира обновляется так стремительно, как она изменилась с появлением квантовой физики, всегда находятся защитники старого мира и адепты нового. Начало XX века было временем столкновения «двух равно уважаемых семей». Одну из них возглавлял Альберт Эйнштейн. Автор теории относительности не мог примириться с «абсурдностью» и бездоказательностью квантовой физики. Необходимость полагаться на случайность заставляла физика выискивать противоречия в «модной» доктрине квантов. Другое семейство базировалось в Копенгагене, и его глава Нильс Бор ко времени стычки носил пояс чемпиона мира по квантовой физике.

Взгляды Бора господствовали в те времена – копенгагенская интерпретация была практически толковым словарем квантовиков всего мира. В своей книге «Физика и философия» Гейзенберг вспоминал дискуссии с Бором: «[они] приводили меня почти в отчаяние. И когда я после таких обсуждений отправлялся на прогулку в соседний парк, передо мной снова и снова возникал вопрос: действительно ли природа может быть столь абсурдной, какой она предстает перед нами в этих атомных экспериментах?» Бор настаивал не только на адекватности квантовой теории, но и на ее окончательности. Эйнштейн же стремился доказать обратное. Вероятно, это обсуждалось на встречах с двумя его учениками – Подольским и Розеном. Статья, написанная в марте 1935 года, была отправлена в Physical Review именно Подольским. Он, по большей части, ее и написал, Розену принадлежали вычисления, а Эйнштейн их курировал. О работе ходили слухи еще до официальной публикации – New York Times за несколько недель до выхода научного журнала озаглавила обзор новостей фразой «Эйнштейн нападает на квантовую теорию». Именно так и было.

Та самая статья в The New York Times

Описанный в статье парадокс основывался на мысленном эксперименте. В микромире, с которым и работает квантовая физика, существует фундаментальный предел точности результатов измерения, он выражается принципом неопределенности Гейзенберга: нельзя измерить положение и импульс частицы одновременно.

Представьте, что вы наблюдаете за двумя частицами на краю галактики. Они некоторое время «работали» дуэтом, а теперь решили начать сольную карьеру – разлетелись в разные стороны. Но частицы все еще находятся в запутанном состоянии. И, предположим, у нас есть очень много времени и наблюдатели на разных концах Вселенной. Эксперимент предполагает, что мы работаем только с одной частицей, вторая остается нетронутой, то есть, на языке квантовой физики, невозмущенной. Так как частицы запутаны, закон сохранения энергии позволяет нам, определив импульс первой частицы, точно узнать и импульс второй. И поскольку расстояние между ними тоже известно, а с нашей подопытной частицей мы все опыты уже провели, мы узнаем и положение второй. Точность этих изменений превышает допустимую неопределенностью Гейзенберга. Эйнштейн, Подольский и Розен, оперируя квантовую физику критериями реальности, вывели, что квантово-механическое описание мира неполно, поскольку частица не может иметь одновременно импульс и координату. Кроме того, Эйнштейн, открывший теорию относительности, не мог представить, что одно событие в одной стороне галактики может быть передано в другую ее часть мгновенно – со скоростью, превышающей даже скорость света.

Эрвин Шредингер (Erwin Schrödinger) тут же одобрил парадокс, а позднее вывел из него другой – об известном всем коте. Швейцарский физик Вольфганг Паули (Wolfgang Pauli), поддерживавший Бора, написал Гейзенбергу, что это катастрофа. Другой сторонник Бора, Леон Розенфельд (Leon Rosenfeld), вспоминал, что нападение ЭПР было «как гром среди ясного неба». Казалось бы, Нильс Бор проиграл. Но, к счастью, этот боксерский поединок двух гениев не закончился нокаутом. Бор долго и обстоятельно изучал парадокс ЭПР, занимаясь только им в течение нескольких недель. И через несколько месяцев, в июле 1935 года в том же журнале Physical Review вышла статья с таким же названием – «Можно ли считать квантово-механическое описание физической реальности полным?», но под авторством Бора. Он так и не нашел в размышлениях Эйнштейна существенных недостатков, но неполноту квантовой физики не признал. Фактически, полемика перешла в область философии – ученые по-разному трактовали понятие реальности.

Облако атомов удерживается над чипом электромагнитными полями. Парадокс ЭПР наблюдался между пространственно разделенными областями A и B. Фото: University of Basel, Department of Physics, phys.org

В течение 15 лет после публикации статьи о нем парадокс ЭПР обсуждался в научной среде всякий раз, когда квантовая физика ставилась под сомнение. И все же, выиграв сражение, Эйнштейн не выиграл войну. В XXI веке квантовая физика безраздельно правит в научной среде, а Нильс Бор остается ее отцом-основателем. В 2018 году физики из Базельского университета наблюдали парадокс ЭПР в квантовой системе из сотен атомов рубидия. Они создали конденсат, который разделили на две части, и, измеряя спин в одном регионе, предсказывали состояние частиц в другом. Потенциально эти эксперименты могут развить идеи о квантовой телепортации. А кто был прав – Бор или Эйнштейн (а может, и оба сразу), мы сможем узнать только через десятки или сотни лет.