«Не есть ли господство случая в микромире тоже только обманчивое зрелище, подобное тому, какое открылось под микроскопом шотландскому ботанику ровно за сто лет до открытия принципа относительности? Не лежит ли в недрах микромира под квантово-механическим уровнем движения элементарных частиц более глубокий и более тонкий уровень бытия материи? И не происходят ли там, в этой еще не изведанной глубине, однозначно причинные события, которые и определяют собой вероятностные законы микромира? Ах, если бы удалось хотя бы с помощью самых общих предположений спуститься до этого субквантово-механического уровня! Тогда, по мысли де Бройля и Давида Бома, физики снова увидели бы, как механизм случая, механизм статистических закономерностей заводится старой испытанной классической причинностью. (Совсем как в броуновском движении.)

Неужели никакого субквантово-механического уровня бытия материи не существует? Нет, он, несомненно, существует. Он не может не существовать, хотя пока в распоряжении экспериментаторов нет никаких лабораторных сведений о нем. Он не может не существовать по одному тому, что в мире элементарных частиц уже прощупываются явления, перед которыми становится в тупик квантовая физика. Уже возникла нужда в более общей и более глубокой теории, которая объяснила бы, почему существуют именно такие элементарные частицы материи, с которыми мы сегодня имеем дело, а не другие. Эта новая рождающаяся в наши дни элементарная механика обнимет механику квантовую, как свой случай. Процесс познания не имеет конца. Кто же усомнится в этом?»

Одна из главных загадок квантовой науки — физический смысл пси-функции, это так называемая волновая функция, которая описывает «размазанную в пространстве вероятность» локализации или, проще говоря, точного нахождения микрочастицы, например того же электрона. А главный загадочный вопрос здесь звучит очень даже странно: «Где же находится электрон, когда никто его не ищет или даже просто не думает о его местоположении?» Вот с ответа на этот вопрос и началась историческая полемика Эйнштейна и Бора. Эйнштейн считал, что электрон, как и любая нормальная микрочастица, в любой момент времени имеет свою точку пространства. А вот указать ее, действительно, точно нельзя в силу неполноты квантовой теории, предсказывающей все только вероятностно. Позиция Бора была принципиально иной. Он считал, что пока мы не интересуемся дислокацией микрочастицы, она в буквальном смысле растворена в координатном пространстве. И скажем, вероятностная лужица того же электрона намного превышает его эффективный диаметр.

Получается, что квантовые объекты ведут себя как самые настоящие микроскопические призраки, расплываясь в пространстве полупрозрачным ореолом, пока кто-либо не произнесет магического слова, подставив конкретные данные в пси-функцию! То есть только тогда мы сможем предсказать определенную траекторию в конкретной точке. Проверить это очень просто, надо только подставить мишень, и в момент попадания частица тут же локализуется, оставив точку, скажем, на фотопластинке. Этот опыт физики проводили уже множество раз, и формулы квантовой механики их ни разу не подвели. В каждом учебнике по квантовой механике подобное поведение микрообъектов разбирается на примере уже хрестоматийного двухщелевого эксперимента. Суть его проста: поскольку каждая частица имеет еще и волновую природу, то поток таких частиц, направленный на диафрагму с двумя щелями, напоминает череду волн, набегающих на плотину с двумя каналами, расположенными неподалеку друг от друга. От плотины через протоки разбегаются новые волны двумя перекрывающимися конусами. В тех местах, где колебания волн складываются, они накатываются на берег с удвоенной силой, а там, где впадина и горб волны гасят друг друга, поверхность спокойна. Подобный эксперимент со световыми волнами нарисует на берегу-экране картину сложения волн в виде чередующихся темных и светлых полос.

С какими только частицами не проводили подобные эксперименты физики! И результат всегда был один и тот же.

Пока все, в принципе, понятно. Но давайте предельно упростим наш опыт и выстрелим по мишени-диафрагме одной микрочастицей. Это уже довольно тонкий эксперимент, но вполне выполнимый. И здесь мы опять увидим интерференционную картину. Получается, что один электрон пролетал одновременно через два отверстия и наложился сам на себя.

Схема двухщелевого эксперимента: А — источник микрочастиц; Н1 и Н2 — отверстия (щели); ВС — экран; X, Y — точки наложения волн.

Ну а теперь давайте поставим возле одной из щелей некий детектор, который будет определять, через какую щель на самом деле проходит микрочастица. Включаем детектор — и он однозначно показывает, что частица проходит только через одну щель. Но самое интересное — интерференционная картина отсутствует! Разумеется, первые подозрения касаются самого детектора, который самим фактом «узнавания» воздействует на микрочастицу. Да, смысл в подобном замечании, конечно, есть, однако даже если разместить всего один детектор на одной из щелей и частица не будет искажаться на второй щели, интерференционная картина все равно пропадает! Откуда же электрон предугадал, что его продетектируют на второй щели? В учебниках по квантовой физике это объясняется так: та компонента (часть) волновой функции, которая подверглась детекции, изменила поведение микрообъекта, превратив его из волны в частицу, пролетевшую через вторую щель. Поведение любой квантовой частицы описывается формулой как сумма возможных состояний. Упрощенно это можно записать так:

Состояние частицы {F} = правая функция состояния в щели {H1} + левая функция состояния в щели {Н2},

— то есть полностью поведение микрочастицы определяется как сумма всех его возможных состояний, входящих в знаменитую пси-функцию. При измерении, то есть при воздействии на микрообъект, а именно на одно из формальных слагаемых волновой функции, частица тут же локализуется в пространстве. Получается, что, детектируя частицу в ее волновой форме, мы можем измерять любую ее часть, пролетающую через одну из щелей! «Истинно колдовское исчисление!» — воскликнул в свое время великий Эйнштейн.

Вообще говоря, локализацию микрочастиц физики называют редукцией волновой функции. Со всем этим и связан ЭПР-парадокс. При этом ход рассуждения группы Эйнштейна был следующий: пусть одновременное измерение у природных квантовых систем импульса и координаты в принципе невозможно по законам квантового мира. Тогда давайте попробуем создать особую искусственную квантовую систему! Для этого возьмем две микрочастицы и особой процедурой запутаем их состояния, так что их свойства окажутся взаимосвязаны. Разлетаясь, такие частицы поделят импульс в некоторой пропорции. Теперь проведем измерение координат у одной и импульса у другой частицы. Так мы легко получим координату первой частицы прямым измерением и ее импульс по импульсу второй частицы из закона сохранения импульса.

Статья об ЭПР-парадоксе стала продолжением интеллектуального противостояния великих физиков. Эйнштейн полагал, что импульс как объективная характеристика всегда присущ микрообъектам совершенно независимо от того, наблюдаем мы квантовые системы или нет. Бор же считал, что без процедуры измерения говорить об импульсе микрообъекта совершенно бессмысленно.