Эксперимент отложенного выбора

 

Следует ясно понимать это уникальное свойство принципа дополнительности: то, какой атрибут раскрывает квантовая волночастица, зависит от выбираемого нами способа ее наблюдения. Лучше всего важность сознательного выбора в формировании проявленной реальности демонстрирует эксперимент отложенного выбора, предложенный физиком Джоном Уиллером.

На рис. 20 показан прибор, в котором луч света разделяется на два луча равной интенсивности — отраженный и проходящий — с помощью полупрозрачного зеркала М1. Затем оба луча отражаются двумя обычными зеркалами А и В и достигают точки пересечения Р справа.

Для обнаружения волнового аспекта волночастицы мы используем феномен интерференции волн и помещаем в точке Р второе полупрозрачное зеркало М2 (рис. 20, внизу слева). Теперь зеркало М 2 заставляет обе волны, создаваемые лучом, который разделяется зеркалом М1 созидательно интерферировать по одну сторону Р (если поместить туда счетчик фотонов, то он будет щелкать) и разрушительно интерферировать по другую сторону (где счетчик никогда не щелкает). Заметьте, что при обнаружении волнового модуса фотонов мы должны признавать, что каждый фотон разделяется в зеркале M 1 и движется обоими путями А и В, а иначе как может быть интерференция?

Поэтому когда зеркало M 1 разделяет луч, каждый фотон потенциально готов двигаться обоими путями. Если теперь мы решаем обнаруживать корпускулярный модус волночастиц фотонов, мы убираем зеркало М 2 из точки Р (чтобы предотвратить рекомбинацию и интерференцию) и помещаем за точкой пересечения Р счетчики, как показано на рис. 20 внизу справа. Тот или другой счетчик будет щелкать, определяя локализованный путь волночастицы — отраженный путь А или проходящий путь В — и демонстрируя корпускулярный аспект.

 

Рис. 20. Эксперимент отложенного выбора. ВНИЗУ СЛЕВА: экспериментальная обстановка для видения волновой природы фотонов. Один из детекторов никогда не обнаруживает никаких фотонов, свидетельствуя о погашении вследствие интерференции волн. Фотон должен был разделиться и проходить по двум путям одновременно. ВНИЗУ СПРАВА: обстановка для видения корпускулярной природы фотонов. Оба детектора щелкают, но попеременно, показывая, по какому пути движется фотон

 

Самая хитрая часть эксперимента состоит в следующем: в эксперименте отложенного выбора экспериментатор решает, помещать или нет полупрозрачное зеркало в точку Р — измерять или нет волновой аспект, — в самый последний момент, в самую последнюю пикосекунду (10-12 с) (это было реально осуществлено в лаборатории). По существу это означает, что фотоны уже прошли точку разделения (если думать о них как о классических объектах). Даже в таком случае помещение зеркала в точку Р всегда показывает волновой аспект, а не помещение показывает корпускулярный аспект. Двигался ли каждый фотон по одному пути или по двум? По-видимому, фотоны мгновенно и ретроактивно реагируют даже на наш отложенный выбор. Фотон проходит по одному пути или по обоим в точном соответствии с нашим выбором. Каким образом он знает о нем? Предшествует ли во времени следствие нашего выбора своей причине? По словам Джона Уиллера: «Природа на квантовом уровне — это не машина, идущая своим неумолимым путем. Вместо этого ответ, который мы получаем, зависит от того, какой вопрос мы ставим, какой эксперимент мы устраиваем, какой регистрирующий прибор мы выбираем. Мы неизбежно вовлекаемся в вызывание того, что оказывается происходящим».

Не существует никакого проявленного фотона до того, как мы его видим, и потому то, как мы его видим, определяет его атрибуты. До нашего наблюдения фотон разделяется на два волновых пакета (один пакет для каждого из путей), но эти пакеты — только пакеты возможностей для фотона; в M 1 нет никакой действительности в пространстве-времени, никакого принятия решения. Предшествует ли следствие своей причине, тем самым нарушая закон причинности? Несомненно, да — если думать о фотоне как о классической частице, всегда проявленной в пространстве-времени. Однако фотон — не классическая частица.

С точки зрения квантовой физики, при помещении второго зеркала в точке Р в нашем эксперименте отложенного выбора оба разделенных пакета потенциально соединяются и интерферируют; тут нет никакой проблемы. Если бы в точке Р было зеркало, и мы убирали его в последнюю возможную пикосекунду, обнаруживая фотон, скажем, на пути А, то казалось бы, что фотон ретроактивно реагирует на наш отложенный выбор, двигаясь только по одному пути. Следовательно, в этом случае казалось бы, что следствие предшествует причине. Этот результат не нарушает закон причинности. Как же так?

Необходимо понимать более тонкий способ рассмотрения второго эксперимента по обнаружению корпускулярного аспекта фотонов; как поясняет Гейзенберг: «Если теперь результат эксперимента свидетельствует о нахождении фотона, скажем, в отраженной части [волнового] пакета [путь А], то вероятность обнаружения фотона в другой части луча немедленно становится равной нулю. Тогда эксперимент с положением отраженного пакета оказывает своего рода действие... в отдаленной точке, занимаемой проходящим пакетом, и наблюдатель видит [что] это действие распространяется со скоростью, превышающей скорость света. Однако очевидно также, что этот вид действия никогда не может быть использован для передачи сигнала, так что он... не противоречит постулатам теории относительности».

Это действие на расстоянии составляет важный аспект коллапса («схлопывания») волнового пакета. Для обозначения такого действия используется специальный термин нелокалъностъ — действие, передаваемое без сигналов, которые распространяются в пространстве. Сигналы, которые распространяются в пространстве за конечное время, вследствие установленного

Эйнштейном предела скорости, называются локальными сигналами. Поэтому коллапс квантовой волны не локален.

Отметьте, что утверждение Гейзенберга справедливо и при наличии, и при отсутствии отложенного выбора. С квантовой точки зрения важно то, что мы выбираем тот или иной исход, который и проявляется; когда во времени мы выбираем этот исход, не имеет значения. Волна разделяется всякий раз, когда есть два доступных пути, но разделение происходит только в потенции. Когда, позднее, мы наблюдаем фотон на одном пути, потому что выбираем такой исход (удаляя зеркало из точки Р), вызываемое нами «схлопывание» волны на одном пути оказывает на волну на другом пути нелокальное влияние, которое сводит на нет возможность видения фотона на этом другом пути. Подобное нелокальное влияние может показаться ретроактивным (т. е. передающимся назад во времени), однако мы влияем только на потенциальные возможности; здесь нет никакого нарушения закона причинности, поскольку, как говорит Гейзенберг, мы не можем передавать сигнал с помощью такого рода устройства[1].

В своем поиске смысла и структуры реальности мы сталкиваемся с той же загадкой, с которой столкнулся Винни-Пух:

— Привет, Пух, —сказал Пятачок, — что это ты делаешь?

— Охочусь, - сказал Пух.

— Охотишься? На кого?

— Кое-кого выслеживаю, — ответил Винни-Пух очень таинственно.

— Кого выслеживаешь? — спросил Пятачок, подходя ближе.

— Именно об этом я сам себя спрашиваю. В этом весь вопрос — кого?

— И как ты думаешь, что ты ответишь на этот вопрос?

— Придется подождать, пока я его догоню, — сказал Винни-Пух.

— Взгляни-ка сюда. — Он показал на землю прямо перед собой. — Что ты тут видишь?

— Следы, — сказал Пятачок. — Отпечатки лап! — Он даже слегка взвизгнул от волнения.

— Ой, Пух! Ты думаешь, это... это страшный Бука?

— Может быть, — сказал Пух. — Иногда как будто он, а иногда как будто и не он. По следам разве угадаешь?..

— ...Минуту, — сказал Винни-Пух, подняв лапу. Он сел и задумался так глубоко, как только мог. Потом он примерил свою лапу к одному из Следов... а потом дважды почесал за ухом и встал. — Да, — сказал Винни-Пух. — Теперь я понял. Я был глупым простофилей, — сказал он.

— И я самый бестолковый медвежонок на свете!

— Что ты! Ты самый лучший медвежонок на свете! — утешил его Кристофер Робин.

Действительно, несколько озадачивает то, что согласно новой физике, следы «буки», которые оставляют электрон и другие субмикроскопические частицы в наших конденсационных камерах, — это просто расширение нас самих.

Классическая наука неизменно видела в мире только разделенность. Два века назад английский поэт-романтик Уильям Блейк писал:

Храни нас Бог от единообразного видения и ньютоновского сна.

Квантовая физика — это ответ на молитву Блейка. Современный ученый, усвоивший урок принципа дополнительности, не настолько глуп, чтобы «зацикливаться» на (кажущейся) разделенности.

Квантовые измерения выводят наше сознание на сцену так называемого объективного мира. В эксперименте отложенного выбора нет никакого парадокса, если мы отказываемся от представления о том, что неизменный и независимый мир существует, даже когда мы его не наблюдаем. В конечном счете все сводится к тому, что вы, наблюдатель, хотите видеть. Это напоминает мне об одной дзэнской истории.

Два монаха спорили о движении флага на ветру Один говорил: «Флаг движется». Другой возражал: «Нет, это ветер движется». Третий монах, проходивший мимо спорщиков, высказал замечание, которое бы одобрил Уиллер: «Флаг не движется. Ветер не движется. Движется ваш ум».