Окончательное доказательство квантовой таинственности

 

С 30-х годов XX века физики спорили о наличии более глубокого уровня реальности, который мог бы объяснить странности квантового мира, в частности запутанность, серьезно подтачивающую фундамент нашего понимания устройства мира. И в 1964 году ирландский физик Джон Белл показал, насколько серьезно. Он разработал математический способ определения того, на самом ли деле измерение одной квантовой частицы (скажем, фотона света) может сразу же изменить результат измерения другой частицы или же за это ответственно некое не квантовое воздействие.

 

Неравенства Белла включают в себя максимальную корреляцию состояний удаленных друг от друга частиц в опытах при соблюдении трех «разумных» условий: 1) у экспериментаторов есть свобода воли организовывать предметы так, как они хотят; 2) измеряемые свойства частиц реальны и существовали раньше, а не появляются только во время измерения; и 3) никакое воздействие не распространяется быстрее скорости света – мирового предела скорости.

С тех пор множество проведенных экспериментов показало, что квантовая механика регулярно нарушает неравенства Белла, давая корреляцию на гораздо более высоких уровнях, чем при соблюдении их условий. Самым недавним и неопровержимым примером такого рода является эксперимент, который в 2015 году провела группа физиков под руководством Рональда Хансона в Делфтском техническом университете (Нидерланды).

Стоит внимательно изучить, что они сделали и зачем. Чтобы это понять, нам нужно вернуться назад в 30-е годы XX века, когда физики пытались примириться со странными предсказаниями появляющейся науки – квантовой механики. Теория предполагала, что запутанность частиц может выражаться следующим образом: измерение одной частицы внезапно действует на измерение другой, даже если их разделяет огромное расстояние. Следствием было то, что частицы как будто могли сообщаться быстрее любого сигнала, проходящего между ними. Кроме того, теория также подразумевала, что свойства частиц зафиксированы только в тот момент, когда они измеряются, а до этого они существуют в расплывчатом облаке вероятностей.

«Нонсенс», – сказал Эйнштейн. Он и другие руководствовались принципом локального реализма, который в общем смысле гласит, что только находящиеся поблизости объекты могут влиять друг на друга и что Вселенная «реальна», а значит, наши наблюдения не приводят к ее появлению путем замораживания расплывчатых вероятностей. Они утверждали, что квантовая механика является неполной и что «скрытые параметры», действующие на некотором более глубоком уровне реальности, могут объяснить кажущуюся таинственность теории. С другой стороны, физики вроде Нильса Бора настаивали на том, что мы просто должны принять новую квантовую реальность, поскольку она объясняет трудности, которые не вписываются в классические теории света и энергии.

 

Испытайте это

 

Так было до 60-х годов XX века, когда участники дискуссии перешли на сторону Бора благодаря экспериментальным проверкам, которые допускают неравенства Белла.

Типичный тест неравенств Белла начинается с источника, испускающего одновременно два фотона и посылающего их в разные стороны к двум ожидающим детекторам, которые управляются гипотетической парой экспериментаторов, обычно их называют Алисой и Бобом. Они независимо настраивают свои детекторы так, чтобы пройти через них могли только фотоны с определенными свойствами. Если фотоны согласно квантовой механике запутаны, они могут влиять друг на друга и повторяющиеся тесты покажут более сильную связь между результатами измерений Алисы и Боба, чем в рамках локального реализма.

А что если Алиса и Боб передают невидимые сигналы, например через скрытый более глубокий уровень реальности Эйнштейна, позволяющий одному детектору сообщаться с другим? В этом случае нельзя быть уверенными, что частицы на самом деле влияют друг на друга этим внезапным, жутким квантово-механическим способом, так как детекторы могут быть в сговоре, изменяя свои показания. Это называется лазейкой местоположения, и ее можно закрыть, увеличив расстояние между детекторами настолько, чтобы сигналу не хватило времени пройти между ними до окончания измерений. Чтобы подтвердить это, физики проводили разнообразные проверки, включая стрельбу фотонами между двумя из Канарских островов, которые отделяют 143 километра.

Однако если закрыть одну лазейку, то открывается другая. Проверка Белла основывается на построении статистической картины посредством повторяющихся опытов, поэтому она не сработает, если ваше оборудование захватывает недостаточное количество фотонов. Другие эксперименты закрыли эту лазейку обнаружения, но отдаление детекторов друг от друга только усугубило проблему, поскольку повысило вероятность того, что часть фотонов потеряется по дороге. Так что отдаление детекторов друг от друга для закрытия лазейки местоположения расширило другую лазейку, связанную с обнаружением.

Тест команды Хансона был первым экспериментом, устранившим одновременно и лазейку обнаружения, и лазейку местоположения.

 

Запутанные алмазы

 

В этом эксперименте Алиса и Боб сидели в двух лабораториях, которые разделяли 1,3 километра. Свету требуется 4,27 микросекунды, чтобы пройти это расстояние, а измерение занимало только 3,7 микросекунды, так что дальность была достаточной, чтобы закрыть лазейку местоположения.

В каждой лаборатории был алмаз, содержащий электрон, который обладал особым свойством – спином. Члены команды ударяли по алмазам микроволновыми импульсами, создаваемыми случайным образом, что заставляло каждый из них испускать фотон, запутанный со спином электрона. Эти фотоны затем отправляли в следующий пункт, точку C между Алисой и Бобом, где третий детектор отмечал время их прибытия.

Если бы фотоны пришли от Алисы и Боба точно в одно и то же время, то передали бы свою запутанность спинам в обоих алмазах, и электроны были бы запутаны вдоль прямой, соединяющей две лаборатории, – это как раз то, что нам нужно для проверки неравенств Белла. К тому же спины электронов постоянно отслеживали, а уровень качества детекторов позволял закрыть лазейку обнаружения.

Но недостаток эксперимента заключается в том, что два фотона очень редко приходят в точку C одновременно – лишь несколько совпадений приходов в час. Команда провела 245 измерений, так что ожидание было долгим. Результат был однозначным: в лабораториях были обнаружены спины с намного более высокой корреляцией, чем позволил бы локальный реализм. Таинственный мир квантовой механики – это наш мир (см. рис. 2.4).

 

Рис. 2.4. Первый свободный от лазеек эксперимент, проведенный для доказательства квантовой таинственности.

 

Остается одна лазейка, за которую могут зацепиться локальные реалисты, но исключить ее не смогут никакие эксперименты в принципе. Что если между случайными микроволновыми генераторами и детекторами имеется нечто вроде связи? Тогда возможно, что Алиса и Боб считают себя свободными в выборе настроек своего оборудования, но скрытые параметры интерферируют с их выбором и сводят на нет проверку неравенств Белла.

Команда Хансона отмечает, что это возможно, но также предполагает, что не в данном случае. В других опытах предлагается создание случайных чисел на основе фотонов, прилетающих от далеких квазаров, что приводит к промежуткам в миллиарды световых лет.

Ничего из перечисленного в конечном счете не помогает. Предположим, что Вселенная каким-то образом полностью предопределена и порхание каждого фотона неизменно, словно высечено на камне c незапамятных времен. В этом случае ни у кого никогда не было бы выбора, так что это не то, о чем экспериментаторам реально стоит волноваться: если Вселенная предопределена, полное отсутствие свободы означает, что у нас есть заботы поважнее.

Что бы Эйнштейн подумал об этих результатах? К сожалению, он умер до того, как Белл представил свои неравенства, так что мы не узнаем, изменило ли бы дальнейшее развитие событий его мнение, но возможно, Эйнштейн бы восхитился теми действиями, которые совершили люди, чтобы доказать его неправоту.