Причинность в квантовой физике

     «С классической точки зрения естественно считать, что у всего происходящего в нашем мире непременно есть причина. Эта причина может быть скрытой, неизвестной, но она обязательно должна быть; именно это соображение и лежит в основе попыток создать более детальную теорию явлений микромира. А вот с точки зрения общепринятой, ортодоксальной квантовой механики теория скрытых параметров невозможна хотя бы потому, что не имеет своего предмета – «за кулисами» квантовых феноменов попросту, по представлениям квантовой механики, ничего нет.
     Следует вспомнить, что среди противников квантового индетерминизма (но не самой квантовой механики!) были выдающиеся физики, внёсшие огромный вклад в развитие квантовой теории: Луи де Бройль, Эрвин Шрёдингер, Альберт Эйнштейн. Наиболее активным критиком ортодоксальной интерпретации был Эйнштейн – он был убеждён, что не следует отказываться от попыток построения причинной теории микроявлений, поскольку причинность – это не только основа мира, но и идея, которая должна находить воплощение во всякой полноценной физической теории.
     Вопрос о причинности в квантовой физике и ряд других принципиальных вопросов был предметом долгой и оживлённой дискуссии между Бором и Эйнштейном, начавшейся в 20-х годах и продолжавшейся (правда, с разной интенсивностью) до самой смерти создателя теории относительности. Её кульминация приходится на 1935 год, когда Эйнштейн вместе со своими сотрудниками, Борисом Подольским и Натаном Розеном опубликовал статью под названием «Является ли кватовомеханическое описание полным?»
     К тому времени Эйнштейн, по видимому, оставил надежду доказать физическую противоречивость квантовой теории, и поэтому цель статьи заключалась в том, чтобы показать лишь неполноту квантовой механики, обратить внимание физиков на то, что за её феноменами скрываются какие-то элементы физической реальности, которые определяют поведение микрообъектов, но как бы выпадают из поля зрения самой теории лишь в силу какого-то упущения.
    Рассмотрим, например, два  гамма-кванта, возникающих в результате аннигиляции позитрона и электрона. Направление их полёта заранее неизвестно, и с точки зрения ортодоксальной квантовой механики становиться физически объективно определённым, только после того, как один из этих квантов будет зарегистрирован каким-либо прибором. Таким образом, неопределённость импульса не есть лишь следствие нашего незнания того, что объективно существует, - этот импульс действительно не имеет определённой величины, или, говоря иными словами, элемент физической реальности, соответствующий импульсу, отсутствует.
     Измерим теперь импульс одной из частиц. Но после этой операции окажется возможным предсказать и результат измерения импульса второго гамма кванта: в микрофизике выполняется закон сохранения импульса, аналогичный классическому. И это значит, что импульс второй частицы перестал быть (по крайней мере для нас) неопределённым. Однако импульс второй частицы тоже считается объективно неопределённым до измерения проведённого с первой частицей; таким образом, получается, что измерение импульса первой частицы как бы повлиял на физическое состояние второй частицы, причём с бесконечно большой скоростью и совершенно независимо от расстояния между частицами. (Этот парадокс принято называть парадоксом Эйнштейна – Подольского – Розена (ЭПР)).
     Совершенно ясно, что, допустив возможность такого влияния, мы вводим в физику нечто вроде телепатии: в самом деле, как одна частица может знать, что происходит с другой? Ведь они разлетаются в противоположные стороны со скоростью света, быстрее которого ничто в мире не может перемещаться, даже сами электромагнитные волны.
      Итак, остаётся вроде бы один выход – предположить, что импульс второй частицы (как, впрочем, и первой) существует до его измерения; неопределённость импульса – лишь мера нашего незнания. Таким образом, квантовая механика не может предсказать исход отдельных событий потому, что какие-то элементы физической реальности не находят в ней адекватного описания. В этом смысле она не полна, и поэтому следует желать построения более полной, более причинной теории.
     Ответ Бора появился вскоре после публикации статьи Эйнштейна и его соавторов. Основная идея ответа состоит в последовательном проведении квантовой логики: до тех пор пока мы действительно не измерим импульс второго фотона, его значение по-прежнему следует считать неопределённым. Согласно Бору, импульс частицы (как многие другие характеристики) не есть некоторое индивидуальное свойство объекта, а лишь результат его взаимодействия с прибором, измеряющим импульс, то есть у нас нет никаких возможностей убедиться в определённости импульса частицы как до, так и помимо его непосредственного измерения, даже несмотря на то, что результат такого измерения известен.
     Ответ Бора следует признать логически непротиворечивым, однако он не удовлетворил Эйнштейна, для которого именно квантовая логика была одним из основных объектов критики. В последующих работах обе спорящие стороны лишь повторили с некоторыми вариациями свои выводы, так и не признав себя побеждёнными. Но значит ли это, что спор окончился вничью?
     Значит ли всё сказанное, что современный этап развития квантовой механики можно считать завершённым? Скорее всего нет, хотя теперь ясно, что от создателей нового варианта причинной квантовой теории потребуется ещё большее мужество, чем ранее, тем более что молчаливое большинство современных теоретиков, видимо, и не считает создание такой теории актуальной задачей.
     Однако приведём цитату из книги Поля Дирака «Пути физики»: «…я не исключаю возможности, что в конце концов может оказаться правильной точка зрения Эйнштейна, потому что современный этап развития квантовой механики нельзя рассматривать как окончательный. В этой теории существует немало нерешённых проблем… Современная квантовая механика – величайшее достижение, но вряд ли она будет существовать вечно. Мне кажется весьма вероятным, что когда-нибудь в будущем появиться улучшенная квантовая механика, в которой будет содержаться возврат к причинности и которая оправдает точку зрения Эйнштейна. Но такой возврат к причинности может стать возможным лишь ценой отказа от какой-нибудь другой фундаментальной идеи, которую сейчас мы безоговорочно принимаем. Если мы собираемся возродить причинность, то нам придётся заплатить за это, и сейчас мы можем лишь гадать, какая идея должна быть принесена в жертву».
     Вспоминая известные слова Бора («Эта теория недостаточна безумна, чтобы быть верной»), можно сказать, что теория, альтернативная квантовой, должна быть не менее безумной, чем сама квантовая механика». (А.Борисов «Безумный квантовый мир» Химия и Жизнь №3/1986 стр.21-24)

   Предположив, что частицы при движении окружены магнитным полем, проходящим через них, и рассмотрев с этой точки зрения парадокс ЭПР можно обнаружить, что парадокс исчезает. Импульсы обоих гамма квантов возникают в момент их образования, и ни как не зависят от приборов измерения. (Взаимодействие электрона и позитрона было рассмотрено выше).
     Само предположение, что частицы при движении окружены магнитным полем, и что это поле и является волнами де Бройля, не такое уж и безумное. Более того решаются многие проблемы – возвращается причинность в микромире, исчезает вероятность и неопределённость, значительно упрощаются расчёты явлений, возвращается наглядность событий микромира. В этом случае происходит отказ только от ортодоксальной квантовой интерпретации явлений в микромире, которые и так спорны, хотя и считаются общепринятыми. Но следует помнить, что это предположение тесно связано с другим предположением – что гравитационная масса – это потенциальная энергия. А там жертв среди общепринятых объяснений фактов гораздо больше, и принять их гораздо трудней.