Квантовая Страна Чудес. Бог не играет в кости?
"Алиса в Зазеркалье", Л. Кэролл
«Я, должно быть, похож на страуса, который все время прячет голову в песок относительности, чтобы не смотреть в лицо гадким квантам." (Эйнштейн)
«Бог не играет в кости» (Эйнштейн)
«Альберт, перестань же ты, наконец, указывать Богу, что ему делать!» (ответ Бора).
«Бог не только играет в кости, но еще и бросает их туда, где никто не сможет их увидеть» (Хокинг).
В 1935 году Эйнштейн вместе с Борисом Подольским и Натаном Розеном написал статью «Можно ли считать квантово-механическое описание физической реальности полным?», в которой описал мысленный эксперимент, который впоследствии был назван парадоксом Эйнштейна-Подольского-Розена (ЭПР-парадокс).
Согласно принципу неопределённости Гейзенберга, невозможно одновременно измерить координату частицы и её импульс. Предполагая, что причиной неопределённости является то, что производя измерение одной величины, вносятся принципиально неустранимые возмущения в её движение и искажение значения другой величины, можно предложить гипотетический способ, которым данный принцип можно обойти.
Если взять две одинаковые частицы, образовавшиеся в результате распада третьей частицы, то в этом случае их импульсы должны быть связаны. Это даёт возможность измерить импульс одной частицы и по закону сохранения импульса рассчитать импульс второй, не внося в её движение никаких возмущений. Поэтому, измерив координату второй частицы, можно получить для этой частицы значения двух неизмеримых одновременно величин, что по законам квантовой механики невозможно. Исходя из этого можно заключить, что соотношение неопределённостей не является абсолютным, а законы квантовой механики являются неполными и должны быть в будущем уточнены.
Вброс оказался удачным: через 15 лет американский специалист по копенгагенской интерпретации Дэвид Бом, тесно сотрудничавший с Эйнштейном в Принстоне, придумал принципиально осуществимую версию эксперимента с использованием фотонов. В 1952 году в последней главе своей книги "Квантовая теория" Бом отмечает, что если искать доказательства концепции, изложенной в ЭПР-парадоксе, то это должно привести к поискам более полной теории, выраженной, например, в виде теории скрытых параметров.
В ЭПР-парадоксе, по его мнению, мысленно нарушался принцип неопределённости Гейзенберга: при наличии двух частиц, имеющих общее происхождение, можно измерить состояние одной частицы и по нему предсказать состояние другой, над которой измерение ещё не производилось. Анализируя в том же году подобные теоретически взаимозависимые системы, Шрёдингер назвал их «спутанными». Сам Шрёдингер считал частицы запутанными, только пока они физически взаимодействовали друг с другом. При удалении за пределы возможных взаимодействий запутанность исчезала. Т. е. значение термина у Шрёдингера отличается от того, которое подразумевается в настоящее время.
Эйнштейн не рассматривал ЭПР-парадокс как описание какого-либо действительного физического феномена. Это была именно мысленная конструкция, созданная для демонстрации противоречий принципа неопределённости. В 1947 году в письме Максу Борну он назвал подобную связь между запутанными частицами «жутким дальнодействием»
В результате вся научная дискуссия по этому вопросу перешла в стадию, когда все остаются при своем мнении, но не имеют веских аргументов, и только экспериментальная проверка могла показать, кто же был прав. Но, ко всеобщему счастью, в то время ещё никто не знал, как провести такой эксперимент. Срыв покровов был отложен на неопределённое время.
Прошло еще 15 лет, и Джон Стюарт Белл формулирует четкий критерий в форме неравенства, позволяющий опытным путем проверить наличие скрытых параметров у квантовых объектов (Теория скрытых параметров, или Теорема Белла). Основная идея заключается в следующем: в квантовой механике система спутанных частиц описывается так, что, вопреки постулатам теории относительности о предельной скорости света, между ними сохраняется мгновенная взаимосвязь сквозь время и пространство. В неравенстве Белла, хитро покрутив установки, можно было выяснить, действительно такая мгновенная взаимосвязь имеет место или же систему можно описать с позиций только одного лишь близкодействия - то есть в предположении, что частицы после разлёта могут влиять друг на друга исключительно с досветовым запозданием. Красота неравенства Белла в том, что оно строго математически позволяет отсечь любой класс основанных на близкодействии теорий - если опыт покажет те положения, которые предсказываются квантмехом.
Играющий в кости Бог.
Представление о непредсказуемости поведения микрочастиц шло вразрез со всем опытом и эстетическими пристрастиями физиков. Идеалом считался детерминизм - сведение любого явления к однозначным законам механического движения. Многие ожидали, что в глубине микромира найдется более фундаментальный уровень реальности, а квантовую механику сравнивали со статистическим подходом к описанию газа, который применяется лишь из-за того, что трудно отследить движения всех молекул, а не потому, что те сами «не знают», где находятся. Эту «гипотезу скрытых параметров» активнее всех защищал Альберт Эйнштейн. Его позиция вошла в историю под броским слоганом: «Бог не играет в кости».
А эзотерики и экстрасенсы тем временем воспряли духом, ведь появился реальный шанс поставить их учения на научный фундамент квантовой теории).
Наконец, только в 1970-х годах (а раньше некогда было, создавали атомное и ядерное оружие) несколько групп физиков ставят эксперименты по проверке соблюдения неравенств Белла, получая противоречивые результаты. Лишь в 1982- 1985 годах Алан Аспект в Париже, значительно увеличив точность, окончательно доказывает, что Эйнштейн был неправ. А спустя 20 лет сразу несколько коммерческих фирм создали технологии сверхсекретных каналов связи, основанные на парадоксальных свойствах квантовых частиц, которые Эйнштейн считал опровержением копенгагенской интерпретации квантовой механики.
Итак, неравенства Белла были экспериментально нарушены, ЭПР-парадокс однозначно подтвердил правильность квантовой механики. Принцип неопределённости Гейзенберга нельзя нарушить, в условиях ЭПР-парадокса внесение возмущения в импульс и координату одной частицы непременно влияет на любую другую, как бы далеко та ни находилась. Это ни много ни мало «кошмарное дальнодействие» (Эйнштейн), «телепатия», но факт. И тут над постулатами ОТО и всеми классическими представлениями нависла реальная угроза, которую многие в упор не замечают, а большинство и не догадывается о существовании таковой. Квантовая механика, похоже, окончательно стала нелокальной теорией.
Принцип локальности/близкодействия утверждает, что на объект влияет только его непосредственное окружение. Квантовая механика предсказывает посредством неравенств Белла прямое нарушение этого принципа. "Юнгианский мир" - мир синхронистичности. Психокинез - термин, которым в парапсихологии принято обозначать способность человека одним только усилием мысли оказывать воздействие на физические объекты. "Новая бильярдная модель" - гипотеза о самопроизвольном перемещении шаров на бильярдном столе как итог их взаимодействия, служит моделью макромир
Свойство нелокальности квантовой теории вызывает существование корреляций между состояниями запутанных подсистем исходной системы, на каких бы расстояниях друг от друга они ни находились (квантовая сцепленность/запутанность). Поэтому, гипотетически, появляется возможность мгновенного определения квантового состояния в одном месте на любом расстоянии путём измерения запутанного с ним состояния в другом месте и, соответственно, его передача с бесконечной скоростью - квантовая телепортация и квантовая криптография. Само собой, некоторые физики и множество эзотериков и Гуру высказывают гипотезы, в которых на основе квантовой сцепленности обосновываются такие явления парапсихологии, как психокинез, телекинез, телепортация (не путать с квантовой телепортацией) и путешествия во времени.
Хоть связанные кванты и коррелируют мгновенно, но передать полезную информацию таким волшебным образом всё-таки невозможно (эзотерики и фанаты научной фантастики плачут кровавыми слезами). На то, чтобы измерить квантовое состояние и сопоставить с измерениями другого связанного кванта, нужно потратить время и воспользоваться вполне обычными средствами связи. Тем не менее, сам факт того, что две частицы, разнесенные на сколь угодно большое расстояние способны, хоть и особым образом, но мгновенно влиять друг на друга, заставил некоторых ученых ощутить когнитивный диссонанс и плохо спать по ночам, а многих вдохновил умерить свой научный догматизм и расширить своё сознание за счет альтернативных и (пока что!) псевдонаучных гипотез. А это уже само по себе неплохое достижение.
Кроме того, данное открытие было взято на вооружение секретными спецслужбами некоторых стран, были созданы системы шифрования, которые широко используются в наши дни. Об этом в следующем посте.