Эйнштейн ненавидел «жуткие действия на расстоянии», но, к его большому огорчению, квантовая механика остается такой же жуткой, как и всегда.
Ключевые выводы
- Теория гравитации Ньютона утверждала, что гравитация действует на расстоянии и мгновенно.
- Эйнштейн показал, что это не так. Его общая теория относительности изгнала таинственное действие Ньютона на расстоянии, заставив гравитацию двигаться со скоростью света и действовать локально в искривленном пространстве.
- К ужасу Эйнштейна, квантовая физика может похвастаться очень «жутким действием на расстоянии» (его термин), которое он не смог изгнать. Текущие эксперименты подтвердили, что природа еще страшнее, чем предполагал Эйнштейн.
В ноябре 1915 года Альберт Эйнштейн представил свою общую теорию относительности сбитой с толку прусской академии наук в Берлине, теорию, которая произвела революцию в нашем представлении о Вселенной.
Теория Эйнштейна переформулировала идею гравитации совершенно по-новому, в корне отличаясь от принятой в то время теории, созданной Исааком Ньютоном в 1686 году. планет и комет вокруг Солнца к приливам и сжатию Земли. (Земля представляет собой сплюснутый сфероид, то есть слегка сплюснутый на полюсах.) Инженеры-ракетчики до сих пор используют теорию Ньютона для расчета своих путей достижения других миров Солнечной системы. Теория начинает давать сбои только тогда, когда гравитационные силы чрезвычайно сильны, вдали от нашей повседневной жизни. Но его предпосылка, как обнаружил Эйнштейн, хотя и является прекрасным приближением, глубоко ошибочна.
Изгнание нечистой силы из ньютоновской гравитации
В основе ньютоновской теории лежит понятие «действия на расстоянии», предположение, что любые два массивных объекта будут гравитационно притягиваться друг к другу мгновенно и без какого-либо прямого воздействия друг на друга. Итак, солнце притягивает Землю и вас, не касаясь ни того, ни другого. (Кстати, вы дергаете и их обоих.) И это происходит с бесконечной скоростью (отсюда и мгновенность). Когда люди спрашивали Ньютона, как что-то может воздействовать на что-то другое, не касаясь его, его ответ стал классическим: «Но до сих пор я не мог открыть причину этих свойств гравитации из явлений, и я не выдвигаю никаких гипотез». Очень разумно Ньютон решил не строить предположения, учитывая, что у него не было данных, которые могли бы помочь ему в любом случае.
Эйнштейн не хотел этого. Согласно его специальной теории относительности 1905 года, ничто не может двигаться быстрее скорости света, даже гравитация. Таким образом, возмущение гравитационной силы должно было бы распространяться не более чем со скоростью света и никогда не быть мгновенным. Кроме того, связав гравитационное притяжение с искривлением пространства, Эйнштейн также избавился от загадочного действия на расстоянии. Пространство было растянутым, и гравитация была реакцией на движение в этом растянутом пространстве, как у ребенка, у которого нет другого выбора, кроме как спуститься с горки.
Ни Ньютон, ни Эйнштейн, ни кто-либо еще в этом отношении не знает, почему материя притягивает материю. Но общая теория относительности Эйнштейна изгнала призрачное действие Ньютона на расстоянии, превратив гравитацию в локальное и причинное взаимодействие. Все было хорошо, пока в игру не вступила квантовая механика.
Возвращение «жутких действий на расстоянии»
Примерно в то же время, когда Эйнштейн избавлялся от призрака гравитации, квантовая механика была на подъеме. Среди многих странных явлений понятие квантовой суперпозиции действительно бросает вызов нашему воображению. В нашей повседневной жизни, когда ты в одном месте, ты там. Период. Не так для квантовых систем. Электрон, например, находится не в одном месте, а во многих местах одновременно. Эта «пространственная суперпозиция» совершенно необходима для описания квантовых систем. Довольно странно, что уравнения описывают эту суперпозицию положений даже не как электрон как таковой, а как вероятность найти электрон здесь или там после измерения его положения. (Для экспертов вероятность равна квадрату амплитуд этих квантовых волн.) Итак, квантовая механика касается возможности чего-то найти здесь или там, а не того, где что-то находится все время. Пока нет измерения, понятие о том, где что-то находится, не имеет смысла!
Эта неопределенность сводила Эйнштейна с ума. Это было прямо противоположно тому, что он обнаружил в своей теории гравитации, а именно, что гравитация действует локально, определяя кривизну пространства в каждой точке, а также причинно, всегда со скоростью света. Эйнштейн считал, что природа должна быть разумной, поддающейся рациональному объяснению и предсказуемой. Квантовая механика должна была быть ошибочной или, по крайней мере, неполной.
В 1935 году, через два десятилетия после своей статьи по общей теории относительности, Эйнштейн вместе с Борисом Подольским и Натаном Розеном написал статью, в которой пытался разоблачить безумие квантовой механики, назвав ее «призрачным действием на расстоянии». (Заинтересованный читатель может узнать больше здесь.) Он провел остаток своей жизни, безуспешно пытаясь изгнать квантового демона.
Когда кто-то смотрит на квантовые системы с двумя частицами, скажем, двумя электронами в суперпозиции, так что теперь уравнения описывают их обоих вместе, они находятся в запутанном состоянии, которое, кажется, бросает вызов всему, во что верил Эйнштейн. д. Если вы измерите свойство одного электрона, скажем, его вращение, вы сможете сказать, каково вращение другого электрона, даже не удосужившись его измерить. Что еще более странно, эта способность отличать одно от другого сохраняется на сколь угодно больших расстояниях и кажется мгновенной. Другими словами, квантовое привидение не поддается ни пространству, ни времени.
Эксперименты подтвердили, что запутанность может сохраняться на астрономически больших расстояниях. Как будто запутанное состояние существует в сфере, где пространственные расстояния и временные интервалы просто не имеют значения. Правда, такие запутанные состояния очень хрупки и могут быть легко разрушены различного рода вмешательствами. Тем не менее, мало кто будет отрицать их существование на данный момент. Они могут не иметь ничего общего с народными объяснениями синхронизма или дежа вю, но они учат нас тому, что в природе есть много таинственных аспектов, которые остаются за пределами нашего понимания. Прости, Эйнштейн, но квантовая механика жуткая.