Нобелевская премия за Ересь Джона Белла

Интересная наука физика устроена ныне так, что даже при награждении учёных самой престижной премией все стараются не объяснять самое главное. А в чём, собственно, удивительная суть достижения?

Нобелевскую премию по физике за 2022 год решено присудить трём учёным-экспериментаторам — Алену Аспе (1947 г.р.), Джону Клаузеру (1942 г.р.) и Антону Цайлингеру (1945 г.р.) — «За опыты со сцеленными фотонами, за подтверждение нарушений неравенств Белла и за научное новаторство в квантовой информатике».

Тут сразу же к месту будет уточнить, что отмеченные наградой эксперименты Джон Клаузер проводил 50 лет тому назад (в начале 1970-х), а Ален Аспе 40 лет тому назад (в начале 1980-х). Так что для получения бесспорно заслуженного Нобеля от учёных требуется не только великое терпение, но и крепкое долголетие.

Стабильно преклонный возраст нобелевских лауреатов, впрочем, это давно уже не новость, а скорее правило. Что вызывает, конечно, сожаление, но никак не удивление. По-настоящему же удивительным в нынешнем награждении следовало бы считать финальный абзац пресс-релиза, объявившего лауреатов-физиков за 2022 год:

Как выразился Председатель Нобелевского комитета по физике Андерс Ирбэк, «Ныне становится всё более ясно, что появился новый тип квантовой технологии. Мы видим, что работы лауреатов со сцепленными состояниями имеют великую важность и сами по себе, даже без фундаментальных вопросов об интерпретации квантовой механики».

Воистину витиеватая последняя фраза фактически выносит за скобки наградного мероприятия именно то, в чём заключаются суть и перец выдающихся экспериментов в основах новой квантовой технологии.

И поскольку все прочие СМИ, сообщающие о нынешних лауреатах-физиках и об их достижениях, в точности следуют рецепту, предписанному Нобелевским комитетом, здесь полезно учинить нечто в корне иное.

И привлечь рассказ не столько об экспериментах лауреатов, сколько о том, что они означают для правильного понимания окружающего нас мира.

Ересь Джона Белла, или Самый поразительный результат в истории физики

( февраль 2018 )

Герой этого материала – выдающийся ученый по имени Джон Стюарт Белл, совершивший поистине великую революцию в физике XX века. Вот только наука этот факт пока что признать официально никак не решится.

Структурно данный текст представляет собой компиляцию из нескольких фрагментов двух научно-популярных биографических книг и одной статьи того же ряда. Первая из книг [1] целиком посвящена Джону Стюарту Беллу, а вторая [2] – Эрвину Шрёдингеру и его идейным наследникам (одним из которых, несомненно, можно считать и Белла).

Но прежде чем переходить к обильному цитированию этих исследований, однако, имеет смысл привести несколько абзацев от еще одного автора, известного философа науки Тима Модлена. Который в своей статье 2014 года [3], озаглавленной «Что сделал Белл», ключевую суть произведенной этим ученым революции излагает примерно такими словами: [Начало цитаты]

В мире идеальном статья, написанная в честь 50-й годовщины монументально важного теоретического результата, была бы посвящена обзору того, как этот результат преобразовал за прошедшие годы нашу картину мира. И уж точно статья не разъясняла бы читателям, в чем же реально заключался данный результат. Но мы, к несчастью, не живем в таком идеальном мире, так что даже сегодня наиболее насущная задача заключается в том, чтобы сделать достижение Белла ясным для всех.

Ибо и поныне, в 50-ю годовщину монументальной статьи Джона Белла от 1964 года, среди ученых все еще широко распространены заблуждения относительно того, что же именно доказал Джон Белл. Непонимание же это, в свою очередь, произрастает из неспособности к восприятию значительно более ранних аргументов от Эйнштейна, Подольского и Розена (ЭПР).

Экспериментальная проверка феномена ЭПР и нарушений неравенства Белла для случайного набора измерений у далеко разнесенных в пространстве квантово-сцепленных объектов – это наиболее поразительный результат за всю историю физики. Теоретикам физической науки пока всё еще только предстоит определиться с тем, что означают данные результаты для нашего фундаментального понимания мира.

Физики-экспериментаторы, от Фридмана и Клаузера до Алена Аспе и далее, заслуживают свою долю почета за обеспечение необходимых экспериментальных условий и за постоянное сужение всех тех лазеек, к которым цепляются самые упертые из скептиков. Однако самое великое достижение на этом направлении принадлежит несомненно Беллу.

Именно он был тем, кто понял глубокую важность феномена квантовой сцепленности. Ныне предсказания Белла сможет без труда вывести даже студент-новичок физического факультета. Но к несчастью, однако, многие физики так и не осознали того, что же доказал Белл. Цель его теоремы – исключить то, что невозможно – они трактуют таким образом, чтобы она была намного более узкой и более ограниченной, нежели есть на самом деле.

Поначалу, в ранние годы, результат Белла часто излагали как «исключение детерминизма» или как «исключение скрытых переменных». Теперь же то и дело данные результаты излагают как «исключение реализма», или по меньшей мере как попытку поставить под вопрос верность данной концепции. Но все это ошибочное изложение.

В своей статье я еще раз прослеживаю всю эту историю и логическую структуру выдвигаемых аргументов – дабы прояснить надлежащий итоговый вывод.

Теорема Белла – вместе со всеми подтверждающими её экспериментальными результатами – действительно доказывает нам невозможность. Но только доказана тут не невозможность детерминизма, скрытых переменных или реализма, а доказана невозможность локальности. Причем доказывается это в совершенно ясном и прозрачном смысле.

Белл доказал – а теоретическая физика по сию пору это так и не переварила – что тот мир, в котором довелось жить всем нам, именно наш мир и является не-локальным…

[Конец цитаты]

Если прояснить общепринятый среди ученых термин «не-локальность» более доходчивыми и доступными даже для ребенка словами, то означает это довольно простую для понимания вещь. Вселенная наша, оказывается, устроена столь удивительным образом, что события, происходящие в данной конкретной точке пространства, могут мгновенно влиять на события, происходящие как угодно далеко – хоть в противоположной точке космоса…

И это есть неоспоримый, многократно и достоверно доказанный факт науки – строго обоснованный в теории и убедительно подтвержденный экспериментально. Единственная – и очень серьезная – проблема заключается в том, что за полстолетия, прошедшие с момента появления теоремы Белла, наука ни на шаг не продвинулась в понимании того, каким же образом устроена эта самая «не-локальность».

Или иными словами, для ученых остается абсолютно неясной физика и геометрия этих мгновенных взаимодействий «всего со всем» в единой вселенной. Более того, очень многие профессионалы науки даже задумываться об этих вещах не желают…

Несколько прояснить столь странную ситуацию в научных сферах и помогают фрагменты из двух анонсированных выше книг.

# #

Первая из цитируемых книг – это наиболее свежая по времени биография одного из отцов квантовой механики, опубликованная в 2013 году весьма плодовитым американским популяризатором науки Джоном Гриббином, «Эрвин Шрёдингер и квантовая революция» [2]. Нас здесь, однако, интересует описание событий, происходивших, в основном, уже после ухода главного героя из науки и жизни. То есть фрагменты Главы 14: «Научное наследие Шрёдингера».

[Начало цитаты]

Скрытая реальность и ошибка математика

Дэвид Бом (1917–1992) был американским физиком, который сначала, на рубеже 1940-50-х годов, написал книгу с классической презентацией Копенгагенской интерпретации квантовой механики. Вскоре после чего, однако, в результате своего тщательного анализа и пересмотра прежних взглядов, Бом решил, что это чепуха – и разработал альтернативное понимание квантового мира.

Книга его, «Квантовая теория», была опубликована в 1951, как раз в тот период, когда Бом попал в неприятности, став одной из жертв печально известного Комитета по расследованиям антиамериканской деятельности. Ранее, в 1942 году (когда США и СССР были союзниками во второй мировой войне), Бом некоторое время состоял членом американской коммунистической партии, и хотя никаких обвинений в «анти-американском» поведении ему официально не предъявили, общая атмосфера паранойи в тот период была такова, что ученого сместили с занимаемого поста в Принстонском университете, а последующие преследования и запрет на профессию вынудили его эмигрировать из страны. Поначалу он работал в Бразилии, затем несколько лет в Израиле, потом в Университете Бристоля, в Англии, и наконец в 1961 уже насовсем закрепился в Бёркбекском колледже Лондонского университета. [4]

Что же касается дискомфорта от Копенгагенской интерпретации, вылившегося в итоге в общее её неприятие, то причиной тому стали дискуссии Бома с Эйнштейном, происходившие в Принстоне вскоре после публикации его книги. Еще до того, как покинуть США, и несмотря на проблемы в личной жизни, Бом написал тогда две статьи, опубликованные в начале 1952 года, которые очертили его альтернативное понимание квантовой механики.

По сути дела, это была более тщательно проработанная версия идеи о «пилотной волне», впервые предложенной Луи де Бройлем еще в 1927 году. Но тогда её совершенно несправедливо проигнорировали – в том же самом духе, в каком Нильс Бор и его соратники закатывали паровым катком вообще любую оппозицию Копенгагенской интерпретации.

Метод парового катка оказался настолько эффективен, что Бом на самом деле был просто не в курсе о модели пилотной волны де Бройля, когда разрабатывал свою собственную вариацию той же темы. Его идея, по сути дела, заключалась в том, что такие объекты как электроны – это реальные частицы, поведение которых направляет волна, подчиняющаяся волновому уравнению Шредингера. Говоря очень грубо, здесь можно провести аналогию с серфером, оседлавшим волну в океане.

Загвоздка с этой идеей в том, что пилотная волна должна «знать» обо всем, что может повлиять на траектории частиц (а это, в принципе, все во Вселенной) – дабы направлять каждую частицу по своему назначению. На это, как принято выражаться, влияют так называемые «скрытые переменные». Если бы мы знали, что представляют собой эти скрытые переменные, то мы могли бы использовать их для вычисления квантового поведения электронов и других частиц, не прибегая к коллапсу волновой функции или к статистической интерпретации. Как сформулировал это оксфордский физик Дэвид Дойч (1953 г.р.),

«Говоря на языке обычном, не-локальная теория скрытых переменных означает такую теорию, в которой влияния распространяются через пространство и время так, что они не проходят через пространство в промежутке: [иными словами] они распространяются мгновенно»… [5]

Помимо уже упомянутого фактора с раздавившим всех Копенгагенским катком, была и еще одна причина того, почему большинство физиков в 1950-е годы не воспринимало всерьез теорию скрытых переменных. В 1932 году математический гений венгерского происхождения, Джон фон Нейман, опубликовал книгу [6], в которой, среди прочих вещей, он как бы «доказал», что теории со скрытыми переменными работать не способны.

Современники фон Неймана относились к его научному превосходству с таким благоговением, что на протяжении целого поколения это доказательство практически никем не подвергалось сомнению. И при этом оно широко, но без вникания в собственно суть рассуждений, цитировалось словно евангелие в книгах других авторитетов, таких как работа Макса Борна «Натуральная философия причины и случая», опубликованная в 1949 году. Борн восхвалял «блестящую книгу» фон Неймана, которая доказала, что в теорию «невозможно ввести никакие скрытые параметры, с помощью которых недетерминированное описание системы удалось бы преобразовать к детерминированному виду».

Одним из тех, кто был глубоко впечатлен всем этим делом, как только прочитал книгу Борна сразу после её первой публикации, оказался и некий молодой человек по имени Джон Белл (1928-1990), студент последнего курса в Университете Белфаста, Северная Ирландия. Но поскольку Белл не читал по-немецки, а книги фон Неймана в ту пору на английском еще не было, ему пришлось принять на веру заверения Борна, представившего фон Неймана как несомненное светило, явно знающее, о чем оно говорит.

[ … Завершая студенческую учебу в университете, Белл] получил диплом в области экспериментальной физики в 1948, а затем еще один диплом по математической физике в 1949, в тот год, когда он прочитал книгу Борна. Когда же Белл, став уже аспирантом, впервые всерьез столкнулся с квантовой механикой и с её общепринятой интерпретацией, то возмущению его не было предела. «Я не осмеливался думать, что это было неверно», – вспоминал он впоследствии, – «но я уже знал, что это [Копенгагенская интерпретация] гнилое». [7]

После университета Белл до 1960 года работал в AERE, британском Научно-исследовательском центре по атомной энергии, а затем переехал в ЦЕРН, женевский центр ядерных исследований, где и оставался до конца своей научной карьеры. Статьи Дэвида Бома о теории скрытых переменных Белл прочитал вскоре после их публикации, и они произвели на него впечатление. Так что уже тогда у него имелись сильные сомнения относительно «доказательства» фон Неймана. Позднее он напишет так [8]:

«В 1952 году я увидел, как делается невозможное. Это было в статьях Дэвида Бома. В явном виде Бом показал, каким образом в нерелятивистскую волновую механику действительно можно ввести параметры, с помощью которых недетерминированное описание удается преобразовать в детерминированное.»

Когда же у Белла появился говорящий по-немецки коллега, который перевел для него соответствующую часть из фон-неймановой книги, то он сразу же увидел, где именно у фон Неймана было сделано не то. Однако всерьез углубиться в вытекающие из этого следствия у Белла не появлялось возможности вплоть до 1963-64 годов, когда он, получив в ЦЕРНе годичный отпуск для научной работы, провел его в SLAC, Стэнфордском центре линейного ускорителя, и в других научных центрах США.

[Теперь стало возможным убедительно продемонстрировать, где именно] фон Нейман допустил грубейшую ошибку. Его «доказательство» совершенно не работало, потому что он сделал нелепое, на самом деле, допущение, эквивалентное утверждению того, что если средний рост в группе детей составляет 1,2 метра, то тогда и у каждого из детей рост равен 1,2 метра…

Если на ваш взгляд это утверждение звучит глупо, то вы в хорошей компании: Белл думал точно так же. Много лет спустя, в 1988, в одном из интервью он сказал так [9]:

«Это доказательство фон Неймана, если вы действительно за него возьметесь, разваливается прямо у вас в руках! Нет там в нем ничего. Оно не просто слабое, оно глупое. Если вы посмотрите на допущения, которые там сделаны, то это не выдерживает никакой критики. Это работа математика, где он делает предположения, имеющие определенную математическую симметрию. Но когда вы переводите их на язык физики, это просто чепуха. Можете так меня и цитировать: данное доказательство фон Неймана – оно не просто неверное, но и дурацкое».

Однако тот факт, что фон Нейман был неправ, вовсе не обязательно означает, что прав был Бом. Поэтому Белл решил вернуться к корням давних дебатов о не-локальности, начиная с мысленного эксперимента ЭПР (Эйнштейна-Подольского-Розена) – дабы уяснить, является ли не-локальность фундаментальной особенностью всех теорий со скрытыми переменными или же нет.

Так был сделан первый шаг к наиболее глубоким переменам в нашем понимании квантового мира со времен революции 1926-27 годов…

[Конец цитаты]

Одна из любопытных особенностей процитированной подглавки из книги Гриббина заключается в том, что она называется «Скрытая реальность и ошибка математика». Но если про ошибку фон Неймана в ней сказано вполне достаточно, то вот про «скрытую реальность» там почему-то нет ни единого слова. А есть только исключительно про скрытые математические переменные.

В книгах Дэвида Бома, естественно, можно в достатке найти рассуждений про скрытую «неделимую и не-локальную физическую реальность», пока недоступную для наших наблюдений. Однако в текст книги Гриббина эти вещи почему-то не попали… Но продолжим цитирование Главы 14.

[Начало цитаты]

Проверочный тест Белла и эксперимент Аспе

Начал Белл с той версии эксперимента ЭПР, что была разработана Дэвидом Бомом и его коллегой Якиром Аароновым (1932 г.р.) в тот период, когда Бом работал в Израиле в конце 1950-х годов.

Несколько упрощая картину, имеется некоторый квантовый процесс, порождающий два квантово сцепленных электрона, которые разлетаются в разных направлениях и при этом имеют суммарный спин нуль. Так что если один электрон имеет спин «вверх», то у другого спин «вниз», или наоборот. Имеется также дополнительная степень разнообразия, поскольку спин можно измерять в любом направлении (например, горизонтально или вертикально, или под любым промежуточным углом). Если спин одного электрона измерен с любой конкретной ориентацией, то тогда из соотношений ЭПР мы знаем, что спин другого электрона, сцепленного с первым, должен иметь противоположное значение для этой конкретной ориентации.

Но вот откуда другой электрон это знает? Наивный вариант ответа сводят к тому, что электроны заранее, еще до начала своего путешествия, имеют хорошо определенные и при этом противоположные состояния спинов. Однако более аккуратно поставленный эксперимент позволяет исключить эту возможность, выбирая ориентацию детекторов случайно. Если спин одного электрона измеряют с одной ориентацией детектора, а спин другого электрона измеряют с другой ориентацией, то ситуацию уже не объяснить столь просто.

Соотношение между спинами, измеренными случайно ориентированными детекторами, может быть хорошо предсказано квантовой механикой с помощью отработанных статистических методов, вот только предсказания эти не соответствуют «здравому смыслу». Когда Белл рассчитал соответствующие числа для корреляций, он обнаружил отчетливую разницу между предсказанием квантовой механики и предсказанием любой теории, опирающейся на идею локальной реальности (будь она со скрытыми переменными или без). Он выразил это в терминах соотношения, получившего название неравенство Белла, которое говорит, что если концепция локальной реальности справедлива, то тогда один набор чисел, определяемых в эксперименте, должен быть меньше, чем другой набор чисел, также определяемых экспериментом.

Суть тут несколько похожа на заявление «здравого смысла» о том, что в окружающем нас повседневном мире количество рыжих мужчин очевидно должно быть меньше, чем общее количество мужчин и женщин. Однако, если математика квантовой механики верна, а условие локальности реальности не выполняется, то тогда неравенство Белла нарушается – а в терминах рыжих, соответственно, это выглядело бы так, что число рыжих мужчин (учтенных как бы для вселенной в целом) при подсчете оказалось больше, чем число всех мужчин и женщин нашей планеты, вместе взятых…

Белл прекрасно понимал, что в отличие от ситуации, первоначально описанной Эйнштейном, Подольским и Розеном в 1935, его собственную гипотезу вполне реально можно было протестировать экспериментом. А это переносило все дебаты вокруг ЭПР из мира отвлеченной философии непосредственно в физическую лабораторию. В своей статье [10], описывающей данные результаты, он сказал так:

«Требуется совсем немного воображения, чтобы представить себе такие измерения, которые реально можно проделать».

Данную статью и её экстраординарное заявление, однако, мало кто заметил, потому что опубликована она была далеко не в самом престижном журнале Physics.

По этой, вероятно, причине, прошло пять лет, прежде чем Белл получил письмо от Джона Клаузера (1942 г.р.), работавшего в Беркли физика, который прочел статью и загорелся идеей провести эксперимент – дабы проверить, нарушается неравенство Белла или нет. Белл с энтузиазмом ответил так:

Принимая во внимание общий успех квантовой механики, мне было бы очень трудно сомневаться в исходе таких экспериментов. Однако, я бы предпочел, чтобы такие эксперименты проводились – дабы критично важные концепции тестировались непосредственно напрямую, а результаты проверок фиксировались документально. Более того, всегда имеется и небольшой шанс получить неожиданные результаты, которые могли бы потрясти мир!

Клаузер и его коллеги сумели устроить свой эксперимент (используя реально фотоны, а не электроны) к 1972 году, и он действительно дал результаты в соответствии с парадоксальными предсказаниями нелокальности квантовой теории и против локальной реальности.

Хотя эти заключения исследователей были воистину волнующими, сами эксперименты нельзя было назвать определяющими. В них применялись пучки фотонов, а не отдельные сцепленные пары частиц. Детекторы же были способны фиксировать лишь долю фотонов в пучках. Все прочие фотоны, прошедшие мимо детекторов, соответственно, могли вести себя иначе, а значит, могли бы приводить и к другим выводам. Так что эксперимент Клаузера сыграл скорее роль вехи, указавшей направление, нежели последнего слова в данной области.

Однако уже сам факт того, что эксперимент вообще удалось провести, был воспринят как триумф, простимулировавший других исследователей на усилия по улучшению и углублению темы. Тем, кто добился здесь наиболее поразительного успеха, стал француз Ален Аспе (1947 г.р.).

Первые три года после получения университетского диплома Аспе проработал волонтером-учителем в Камеруне (один из вариантов альтернативной службы во Франции), так что с глубинами квантовой физики, включая парадокс ЭПР и его следствия, он знакомился в Африке, в свободное от преподавания личное время.

Вернувшись во Францию в 1974, Аспе решил выбрать экспериментальную проверку неравенства Белла в качестве темы для своей кандидатской диссертации в университете Paris–South. Когда же он лично посетил автора теоремы в Женеве, чтобы обсудить этот план, то самым первым вопросом со стороны Белла был такой: «А надежная постоянная должность у вас уже имеется»?

Поскольку же Аспе честно ответил, что никакой должности в науке у него пока и близко нет, и что он лишь аспирант, готовящий диссертацию, Белл отреагировал так: «Ну, тогда вы, должно быть, очень смелый человек»… Имелось в виду, конечно же, что если Аспе не удастся провести свой сложный эксперимент, то в итоге у него имеются сильные шансы оказаться и без диссертации, и без перспектив научной карьеры в области физики.

Но хотя на всю эту затею потребовалось времени больше, чем надеялся поначалу Аспе, в конечном итоге он добился-таки своей цели. Впечатляющие результаты экспериментов [11] Алена Аспе и его соратников были опубликованы в 1981 и 1982 гг., а свою ученую степень PhD он получил в 1983.

В одном из недавних интервью Аспе подвел итог своих исследований так:

[Самое главное из того,] Что показали данные эксперименты, это прежде всего то, что в них действительно нарушаются неравенства Белла. А с другой стороны, они показали и то, что получаемые результаты находятся в очень хорошем согласии с предсказаниями квантовой механики. Так что есть все основания считать квантовую механику по-прежнему очень хорошей теорией.

Примечательно, что каждое последующее улучшение такого рода экспериментов стабильно подтверждает аккуратность этого заявления.

Всё это в совокупности стало вполне определенным подтверждением не-локальности квантовой механики, закрывшим последние основные лазейки для теорий локальной реальности…

[Конец цитаты]

# #

На этом волнующем моменте (очень близком к «индуистским» идеям Шрёдингера о всеобщей сцепленности единого мира) книга Гриббина вдруг резко бросает тему не-локальности нашего мира, всесторонне доказанной неравенством Белла и его экспериментальными проверками. Вместо этого автор переходит к обсуждению разнообразных замечательных идей и событий, которые последовали в области квантовой информатики благодаря революционным экспериментам Аспе.

Темы квантовой криптографии, квантовой телепортации, квантовых компьютеров и так далее – все это, безусловно, весьма интересно и действительно важно. Однако факт мимоходом автором отброшенной (хотя и намного более масштабной) темы о не-локальной природе той физической реальности, в которой обитают люди – это, конечно же, совсем не случайность. А просто честное отражение ситуации в науке – где ученые в абсолютном большинстве своем просто не знают, что им с этим «неудобным» открытием делать…

Джон Стюарт Белл, с другой стороны, был именно тем ученым, кто не только отлично понимал ключевую важность факта не-локальности, но и то, что он наряду с феноменом квантовой сцепленности должен с необходимостью лежать в фундаментальных основах физической науки. Полностью заменив собой откровенно гнилую – по выражению Белла – основу под названием «Копенгагенская интерпретация квантовой механики».

Но увы, выдающийся ученый Джон Белл, научная звезда которого только-только начала восходить и сиять в 1980-е годы, скоропостижно скончался в 1990-м – к великому несчастью для физики и всего человечества… А вот Копенгагенская интерпретация, напротив, и поныне остается доминирующей основой той квантовой теории, которую по-прежнему дают студентам в базовых учебниках и в университетах.

Приводимые далее фрагменты и цитаты из биографической книги [1] Эндрю Уитакера «Джон Белл и физика двадцатого века» не могут, ясное дело, объяснить, почему все здесь сложилось так криво и неудачно. Однако они – точнее вся эта книга в целом – подробно рассказывают, по крайней мере, не только то, как Белл пришел к мировой славе и букету самых престижных научных наград, но и то, что именно ученый-реформатор при этом говорил, и каков, наконец, главный научный итог совершенного Беллом.

#

После того, как были опубликованы результаты Аспе, известность и авторитет Белла стали быстро нарастать. Во второй половине 1980-х практически каждый год стал приносить ученому престижные премии и важные знаки почета, однако, как ни печально, это были последние годы жизни Белла.

В 1987 году он стал почетным членом Американской академии искусств и наук, а на следующий год в Лондоне был удостоен Медали Дирака за успехи в теоретической физике. В 1988 он был отмечен весьма необычным сочетанием знаков отличия, когда практически одновременно ему присвоили почетные научные степени два ведущих университета обеих Ирландий – сначала его альма-матер, Королевский Университет Белфаста в Северной Ирландии, а затем Тринити колледж Университета Дублина. Затем в 1989 Белл стал лауреатом Премии Хайнеманна по математической физике, вручаемой Американским физическим обществом, и лауреатом Медали Хьюза от Королевского научного общества (национальной академии наук) Великобритании.

Одновременно, как стало известно впоследствии, имя Белла попало и в шорт-лист кандидатов на Нобелевскую премию по физике, однако осенью 1990 Джон Белл скоропостижно скончался в Женеве от кровоизлияния в мозг…

[Начало цитаты]

Одна из последних белловых статей, часто упоминаемая как «полемическая», была озаглавлена «Против ‘Измерения’» и стала по сути финальной, наиболее яростной критикой Беллом того, что в самом широком смысле можно называть «ортодоксальным» подходом к квантовой теории. То есть таким подходом, где единственное, что берется в рассмотрение, это результаты «измерения».

Данная статья была представлена на научной конференции «Исторические, философские и физические вопросы в основах квантовой механики», проходившей в 1989 году в Эриче, Италия. Помимо публикации в сборнике докладов, эта статья была напечатана также в журнале Physics World, так что работа получила в тот время значительное внимание со стороны научного сообщества. [12]

В этой статье, с готовностью признавая, что квантовая теория вполне хороша в качестве FAPP (набравший к тому времени популярность акроним FAPP означает сокращение от FOR ALL PRACTICAL PURPOSES, то есть «Для всех практических целей»), Белл призывает, однако, к созданию такой теории, которая была бы полностью сформулирована строго и математически. Чтобы в ней не было ничего мутного и невнятного, оставляемого на собственное разумение теоретического физика, и чтобы в этой теории «аппараты» ученых не отделялись бы от остального мира в неких черных ящиках – словно они сами не сделаны из атомов и не подчиняются квантовой механике.

Дабы добиться этой цели строгости и определенности, Белл составил целый список слов, которые, как он полагал, никогда не должны использоваться в любой научной формулировке, хотя бы минимально претендующей на физическую точность. Слова для исключения были такие: система, аппарат, окружающая среда, микроскопическое, макроскопическое, обратимый, необратимый, наблюдаемое, информация и измерение.

Первые три слова в данном списке, говорил Белл, подразумевают искусственное разделение мира и намерение ученых игнорировать (или принимать во внимание лишь формально) физические взаимодействия через это разделение. Следующим четырем словам — от «микроскопического» до «необратимого» — никто не может дать точного определения. Что касается «наблюдаемых», Белл напомнил глубокое замечание Эйнштейна, согласно которому сама теория определяет, что в ней является наблюдаемыми величинами; ибо наблюдения — это дело непростое и сильно замыкающееся на теорию в их основе. Комментируя же слово «информация», Белл заострил внимание на том, что прежде чем применять подобный термин, следовало бы четко знать ответы на такие вопросы: «Чья, собственно, информация, имеется в виду? И о чем именно эта информация?»…

Но все это, однако, было лишь разогревом для главной атаки Белла на слово «измерение». Белл посетовал, что отчеты квантовой теории создают впечатление, будто она сосредоточена исключительно на «результатах измерений», а это, по его словам, в высшей степени разочаровывающее представление картины. Изначально, напомнил он, исследователи природы делали упор на идею экспериментов для того, чтобы они помогали им понять окружающий мир. Однако, настаивает Белл, эксперимент был и остается лишь инструментом. Ограничивать квантовую механику исключительно «пустяками лабораторных операций» – это предавать всё научное предприятие в целом.

Затем Белл переходит к некоторым из своих любимых аргументов. Чтобы проводить научное «измерение», человек должен быть просто живым существом или же он должен иметь ученую степень PhD? А как насчет невнятного разделения на физическую систему и измеряющий её аппарат? Понятно также и то, что слово «измерение» явно предполагает оценку некоторых заранее существующих свойств. Поэтому не должны ли мы, как минимум, говорить здесь об «эксперименте», а не об «измерении»?

Далее Белл переходит к критике тех весьма прямолинейных приложений идеи о коллапсе волновой функции, что характерны для классических книг П.А.М.Дирака и Ландау–Лифшица. Но еще сильнее он критикует более тонкий и сложный, казалось бы, подход к квантовым измерениям в статьях специалиста по статистической механике, Нико ван Кампена, и в широко известном учебнике по квантовой механике, написанном его старым другом по ЦЕРНу, Куртом Готтфридом…

[Далее автор книги с подробностями рассказывает о разных аргументах, выдвинутых и отточенных впоследствии ван Кампеном и Готтфридом в защиту своей позиции, однако мы здесь сразу перейдем к финалу данного эпизода:]

Среди других ответов на статью Белла появилась и довольно неожиданная статья [13] от сэра Рудольфа Пайерлса [авторитетнейший теоретик своего времени, верный соратник Нильса Бора, одно время являвшийся наставником Джона Белла в молодости, но при этом всегда поощрявший его интерес к фундаментальным основам квантовой механики]. Пайерлс давно был известен как убежденный сторонник ортодоксии в интерпретациях квантовой теории – причем до такой степени, что он с неодобрением относился даже к выражению «Копенгагенская интерпретация». Для самого Пайерлса Копенгагенская интерпретация теории была вовсе не интерпретацией – она была частью квантовой теории. Поэтому неудивительно, что и его ответ на статью Белла получили название «В защиту Измерения».

Что же было действительно удивительно и весьма необычно, однако, так это то, что слова защиты от Пайерлса не имели почти никакого отношения к очень хорошо известным идеям Бора и Гейзенберга. Вместо этого он обосновывал свой подход в новых терминах «знания». В контексте же нынешнего обсуждения всех этих проблем, слово «знание» употребляется здесь в том же самом смысле, который вкладывается в термин «информация» (также запрещенный Беллом, как мы помним)…

[…] В те времена, когда были написаны данные статьи, информация (или знание) было темой, весьма побочной для квантовой теории. Но уже всего через несколько лет, однако, эта проблематика обретет исключительную важность. Что же касается самого Белла, то его вряд ли удивила бы позиция Пайерлса и привлеченные им аргументы, поскольку на протяжении 1980-х годов два этих теоретика имели дружескую, но честную и острую переписку по всем подобным вопросам.

[…]

В самой последней важной статье Белла [14] было сделано его финальное четкое заявление о проблемах нестыковки квантовой механики с локальными причинно-следственными связями. В данной статье обсуждается не-локальность реальности, с особой фокусировкой на проблемах того, что может и что не может распространяться со скоростью быстрее световой.

Статья начинается с разбора аргументов Хендрика Казимира, касающихся феномена квантовой сцепленности и того «совпадения», что связывает несвязанные вроде бы события – когда яйцо у него на кухне сварилось, а у него как повара в этот же самый момент зазвонил сигнал таймера. Согласно доводам Казимира, это «странное совпадение» произошло оттого, что он, «шеф-повар», именно так устроил дела на своей кухне. Белл в ответ назвал свою статью по-французски, ‘La Nouvelle Cuisine’ (новая кухня) и посвятил её со всем уважением «великому шеф-повару».

[Далее Уитакер пересказывает суть целого набора известных аргументов Белла, доказывающих, что буквально все – и математический формализм квантовой механики, и выводимый из нее феномен сцепленности, и экспериментальные подтверждения реальности этого феномена в независимости от расстояний – все это убедительно свидетельствует о не-локальности физического мира. А значит, и о необходимости очень серьезного пересмотра фундаментальных основ теоретической физики.]

Закончил же Белл свою статью еще одним возвратом к идеям кухни и приготовления пищи, процитировав (в переводе Казимира) давние суждения Эйнштейна о новой «стряпне» квантовой теории: «По моему же мнению, она по-прежнему содержит в себе все ту же самую несъедобность»…

[Конец цитаты]

Что же касается финала для всей данной компиляции, то ее имеет смысл закончить цитатой из предисловия книги Уитакера «Джон Белл и физика XX века» [1]:

[Начало цитаты]

Через четверть века после его смерти и, соответственно, пол-столетия спустя после его наиболее важной работы, для большинства людей, пусть пока еще и не для всех, становится ясно, что Джон Стюарт Белл был одним из самых важных физиков двадцатого века.

Хотя Беллом сделаны весьма ценные вклады в областях ускорителей частиц, в ядерной физике и в физике элементарных частиц, совершенно ясно, что особо выдающаяся доля его славы приходится на работу в области основ квантовой теории. Причем здесь имеются два существенно разных аспекта.

Первое – это важная теорема Белла, иначе именуемая неравенством Белла. Результат, поразивший научное сообщество не только демонстрацией четкого различия между предсказаниями квантовой теории и требованиями локальных причинно-следственных связей, но также показавший и то, что для различения этих двух вещей можно проводить экспериментальные проверки.

Такого рода эксперименты действительно проводятся на протяжении последних 45 лет со все более и более нарастающей научной достоверностью. Или, иными словами, с сокращением в числе и важности тех лазеек, что выискивают сомневающиеся скептики. Причем есть все основания ожидать, что полностью очищенная от таких лазеек проверка возможна в самые ближайшие годы. И все эксперименты определенно говорят за то, что окончательный вердикт будет в пользу квантовой теории (или иначе, отнюдь не в пользу локальной реальности).

Второй аспект, впрочем, является еще более значимым, наверное. Он заключается в том, что в прежние годы, до появления Белла, школа Нильса Бора и его Копенгагенская философия держали всех зажатыми словно клещами, а попытки обсуждать фундаментальные основы теории рассматривалась практически как печать чудака с закидонами. Благодаря же примеру Белла и его достижениям, дискуссия о фундаментальных основах квантовой теории к нынешнему времени уже успела стать уважаемой и высоко ценимой областью научной разработки. Такой областью, которая открывает для исследований существенно новые и широко простирающиеся гипотезы об устройстве физической вселенной.

[Конец цитаты]

# # #

Ссылки и комментарии:

[1] Andrew Whitaker, «John Stewart Bell And Twentieth–Century Physics. Vision and Integrity». Oxford University Press, 2016

[2] John Gribbin, «Erwin Schrödinger and the Quantum Revolution». Wiley, 2013

[3] Tim Maudlin, «What Bell Did», arXiv:1408.1826. Еще одна работа на ту же тему, но с более углубленной физико-математической аргументацией: Jean Bricmont, «What Did Bell Really Prove?» (A talk given at the Conference: Quantum Theory Without Observers III ZIF, Bielefeld, April 2013)

[4] Подробности о злоключениях Бома и общий обзор того, сколь радикальные перемены происходили с физикой в 1950-е годы из-за вмешательства военных, спецслужб и политиков, можно найти в тексте «Бунт ученого, или Немного воображения».

[5] Interview in: Paul Davies and Julian Brown, «The Ghost in the Atom», Cambridge University Press, 1986

[6] John von Neumann, «Mathematische Grundlagen der Quantenmechanik» (Springer, Berlin, 1932); translated as «Mathematical Foundations of Quantum Theory» (Princeton University Press, 1955). Перевод на русский: И. фон Нейман, «Математические основы квантовой механики», М.: Наука, 1964

[7] Jeremy Bernstein,«Quantum Leaps«. Cambridge, Mass.: Belknap Press, 2009

[8] John Bell, «Speakable and Unspeakable in Quantum Mechanics». Cambridge University Press, 1987

[9] Цитата из интервью для журнала Omni magazine, May 1988. (Mann C. and Crease R., pp 84-92)

[10] J. S. Bell. «On the Einstein Podolsky Rosen paradox«, Physics 1, 195–200 (1964)

[11] A. Aspect, P. Grangier, G. Roger, «Experimental test of realistic local theories via Bell’s theorem». Phys. Rev. Lett.47, 460 (1981). A. Aspect, J. Dalibard, G. Roger, «Experimental test of Bell’s inequalities using time-varying analyzers». Phys. Rev. Lett.49, 1804 (1982). A. Aspect, P. Grangier, G. Roger, «Experimental realization of Einstein-Podolsky-Rosen-Bohm gedankenexperiment: a new violation of bell’s inequalities». Phys. Rev. Lett.49, 91 (1982).

[12] John Bell. «Against ‘measurement’«, in Arthur Miller, editor, «Sixty-Two Years of Uncertainty: Historical, Philosophical and Physical Inquiries into the Foundations of Quantum Mechanics« (Plenum, New York, NY, 1990), pp. 17–31; also Physics World 3 (August), 33–40 (1990). QHA, pp. 902–9; FQM, pp. 208–15; SUQM, pp. 213–231.

[13] R. Peierls. «In defence of ‘measurement’«, Physics World 4, 19–20 (1991).

[14] J. S. Bell. «La nouvelle cuisine«, in A. Sarlemijn and P. Kroes, editors, Between Science and Technology (Elsevier, Amsterdam, 1990). QHA, pp. 910–28; FQM, pp. 216–34; SUQM, pp. 232–48.

# #

Основные источники:

The Nobel Prize in Physics 2022. The Royal Swedish Academy of Sciences PRESS RELEASE. 4 October 2022

#