Нелокальность - Страница 58

Максвелл считал, что особенности конкретной ситуации — комбинация батарей, катушек и магнитов, соединенных вместе, — должны определять значение потенциала в каждой точке пространства. Однако неожиданно для себя предсказал, что возмущения потенциала должны переноситься с одного конца Вселенной на другой мгновенно. Открещиваясь от этой явной нелокальности, его ближайшие последователи вроде Генриха Герца объявили саму идею потенциала «глупостью» и торжественно обещали, довольно-таки эмоционально, «покончить» с ней. Они переписали уравнения Максвелла так, чтобы искоренить электрический потенциал как фундаментальный аспект природы. Уравнения, которые мы ныне называем максвелловскими, на самом деле не его.

Как бы эти уравнения в реальности ни назывались, они говорят о том, что все электромагнитные явления порождаются электрическим и магнитным полями, которые имеют определенную (и измеримую) силу везде в пространстве в соответствии с принципом локальности. Потенциал — это производная величина: она характеризует количество энергии, которое силовое поле может сообщить заряженным частицам. Математически потенциал — полезная, но опциональная концепция. Если вы действительно хотите вывести из себя того электрика, то говорите об электричестве, не употребляя слова «вольт». А если потенциал на самом деле не существует, неважно, можно ли его измерить или предсказать. Тот факт, что можно безнаказанно повышать или понижать его значение, не имеет фундаментального значения, а возмущения, способные распространяться мгновенно, — чистая выдумка.

•

Итак, физики Викторианской эпохи сочли, что акт теоретического убийства с их стороны примирил калибровочную инвариантность с локальностью. В середине XX в., однако, такие теоретики, как Поль Дирак, осознали, что присвоение главенства силовому полю не устраняет загадку. Силовое поле может выглядеть локальным, но при более глубоком исследовании у него выявляются определенные нелокальные свойства. Сила поля в определенном месте не может свободно принимать любое значение, ему доступно только ограниченное меню, определяемое значениями в других местах пространства. Эти значения взаимозависимы, или, в соответствии с профессиональным жаргоном, взаимно «связаны». Если поле и похоже на жидкокристаллический телевизор, то на неисправный, где пиксели короткозамкнуты друг с другом так, что отдельный пиксель может включаться только при включении определенной комбинации других пикселей. Такой телевизор может воспроизводить лишь ограниченный набор изображений, например матчи Суперкубка, но не сериал «Аббатство Даунтон».

Примером такой связи является ориентация, или поляризация, световых волн. Свет может быть поляризован в двух направлениях. Именно поэтому в современных 3D-фильмах используется поляризованный свет: проектор создает два изображения на экране, каждое из которых имеет свою поляризацию, а 3D-очки позволяют каждому глазу видеть только свое изображение. Однако в этом есть нечто таинственное. Почему не бывает трех направлений поляризации? В конце концов, пространство имеет три измерения, т.е. три возможных направления движения. Некоторые типы волн, например сейсмические волны в земной коре, колеблются во всех трех направлениях. Почему свет не может этого? Из-за связи. Она соединяет разные точки поля, ограничивая диапазон их движения подобно связанным движениям исполнительниц канкана, которые выбрасывают ноги вперед, но никогда вбок. Математически связь определяется как свойства индивидуальных точек в пространстве, которые лишены автономии. Смысл локальности в отсутствии таких связей. Предполагается, что разные области поля независимы — способны влиять друг на друга, посылая возмущения через пространство, но не жестко взаимосвязаны в силу логической необходимости.

Чтобы подчеркнуть проблемность старого оптимистического представления о калибровочной инвариантности, в 1959 г. Дэвид Бом с Якиром Аароновым, тогда еще студентом, предложили квантовую версию эксперимента Фарадея. Индикаторами на этот раз служили электроны, а не зажженные свечи. Эксперимент оказался технически сложным, и физики не могли осуществить его до 1985 г., однако аналогичное тестирование магнетизма было проще, и его выполнили в течение года после предложения Бома и Ааронова. Результат: частицы ведут себя иначе внутри высоковольтной камеры. Волновая картина, которую они создают, смещается. Она смещается даже несмотря на то, что внутри камеры электрическое силовое поле равно нулю, — по классическим правилам электромагнетизма такого происходить не должно.

Для большинства физиков это прозвучало как гром среди ясного неба, и мало кто поверил в такое. Однако постепенно они признали, что локальные структуры не соответствуют реалиям электромагнетизма. Электрический потенциал — это слишком много: заданная разность потенциала может складываться из бесконечного множества абсолютных уровней потенциала, создавая более широкий набор возможностей, чем существует в природе. Электрическое поле — это слишком мало: оно недостаточно насыщено, чтобы уловить смещение волновой картины электрона, точно так же как экран компьютера не может должным образом передать насыщенность цветов картин Шагала. Теоретики нуждались в подходящей структуре. Когда локальные возможности исчерпаны, третий горшок каши, предположительно, должен быть нелокальным.

•

Философам потребовалось еще больше времени, чтобы переварить эти изменения. В числе первых был Ричард Хили из Аризонского университета. Если многие связывают свою любовь к науке с детскими впечатлениями — влиянием кого-то из родителей или учителя, открывшего им глаза на чудеса Вселенной, — то, по словам Хили, у него не было такого примера. «Меня окружали люди, которые знали множество вещей, но ничего не понимали в науке, — вспоминает он. — Я рос в такой обстановке». Школа лишь укрепила его стремление поступать наоборот. «Физика в средней школе заставляла меня страдать, — говорит Хили. — Я ненавидел ее и знал, что эти парни что-то утаивают от меня. Мне хотелось знать больше, а этому не учили в средней школе». Его карьера тоже строилась на наблюдении за тем, что делают другие, и выборе чего-то иного. Поскольку философы в 1990-х гг. в массе своей отрицали калибровочную инвариантность, он, естественно, склонился на ее сторону. «В те времена я чувствовал себя очень одиноко», — признался он коллегам.