Тайна вещества становится глубже

 

Квантовая теория основывается на идее о том, что свет может существовать как частица и волна одновременно. Но так или это на самом деле или это всего лишь самый простой способ для нашего классического мозга объяснить происходящее?

 

Для Нильса Бора, величайшего датского пионера квантовой физики, «главной тайной» этой новой физики была причина, по которой фотоны в одних случаях ведут себя как волны, а в других – как частицы. Он назвал этот принцип комплементарностью: квантовые объекты, например фотоны, просто имеют дополняющие друг друга свойства – быть волной и быть частицей, – которые могут наблюдаться только поодиночке. А что определяет, какое обличье примет объект? Мы. Посмотрите на частицу, и вы увидите частицу. Посмотрите на волну, и вы увидите именно ее (см. рис. 7.2).

 

Рис. 7.2. Корпускулярно-волновой дуализм – главная тайна квантовой механики.

 

Идея зависимости физической реальности от каприза наблюдателя серьезно беспокоила Эйнштейна. «Зависит ли тогда существование Луны от наблюдателей? – однажды спросил он. – Ни одно разумное определение реальности не может допустить такое», – буркнул Эйнштейн в 1935 году. Ему была ближе альтернативная идея лежащего в основе скрытого уровня реальности, пока еще недоступного и содержащего скрытые воздействия, «сообщающие» фотону о характере эксперимента, который будет над ним проведен, и изменяющие соответствующим образом его поведение.

Это нечто большее, чем просто дикая теория заговора. Представьте взрыв, выбрасывающий два осколка в противоположных направлениях. Так как он подчиняется закону сохранения импульса, масса и скорость осколков взаимосвязаны. Но если бы вы ничего не знали о сохранении импульса, то легко могли бы подумать, что измерение свойств одного осколка определяет свойства другого, тогда как они просто были расположены в точке взрыва. Была ли подобная скрытая реальность ответственна за происходящее в квантовом мире?

В 1978 году Джону Арчибальду Уилеру, одному из ведущих физиков-теоретиков XX века, неожиданно пришла в голову очень странная идея проверки этой теории. Целью было ответить на вопрос о том, что именно диктовало фотону линию поведения, используя усовершенствованную версию опыта с двумя щелями. Фотонам предоставляется выбор, по какому из двух путей пройти в устройстве, известном как интерферометр. На другом конце интерферометра эти пути либо объединятся, либо нет. Если бы фотоны измерялись без этого объединения – в «открытом» интерферометре, – то это было бы эквивалентно расположению детектора у одной из щелей. В этом случае наблюдатель ожидал бы увидеть отдельные частицы, идущие либо по одному, либо по другому пути, которые при прочих равных условиях распределялись бы между этими путями в соотношении 50:50 (см. рис. 7.3).

 

Рис. 7.3. В зависимости от своих настроек интерферометр может предоставить «доказательства» того, что свет – это или частица, или волна, или ничего из этого.

 

В других случаях фотоны могут измеряться после воссоединения – это «закрытый» вариант интерферометра. Тогда то, что вы ожидаете, зависит от длины обоих путей. Если их длина абсолютно одинакова, гребни волн придут в одно и то же время к одному из детекторов и там интерферируют конструктивно: на этот детектор придется 100% ударов, и ни одного – на другой. Однако, изменяя длину одного пути, вы можете вывести волновые фронты из синхронизации и сменить интерференцию на первом детекторе с полностью конструктивной на абсолютно деструктивную, и при такой интерференции на него не придется ни одного удара. В опыте с двумя щелями это эквивалентно сканированию на экране, где происходит интерференция, от яркой полосы к темной.

 

Оба пути

 

Цель Уилера заключалась в том, чтобы при проведении опыта отложить выбор варианта измерения фотона – открытого или закрытого исполнения – до его вхождения в интерферометр. В этом случае фотон не будет «знать», на один путь ему нужно выходить или на два, то есть нужно вести себя как частица или как волна.

Это было почти за тридцать лет до того, как эксперимент реально был проведен. Но результат стоило ждать. Каждый раз, измеряя в последний момент фотон закрытым интерферометром, исследователи видели интерференцию волн. Когда же они выбирали для измерения открытый интерферометр, то наблюдали частицы. Но потом все стало еще более странно. В декабре 2011 года другая группа исследователей предложила расширение мысленного эксперимента Уилера. Новизна их подхода заключалась в том, что решение о способе измерения фотона – как частицы или как волны – должно быть само по себе квантово-механическим, то есть не определенное «да» или «нет», а промежуточное нечеткое «да»-и-«нет».

Достичь этого можно следующим способом: вы используете свет для контроля детектора, предназначенного его анализировать. Сперва вы подготавливаете контрольный фотон, находящийся в квантовой суперпозиции двух состояний. Одно из этих состояний переключает интерферометр в открытое состояние, измеряющее частицу, а другое – в закрытое, измеряющее волну. Важно отметить, что состояние контрольного фотона измеряется только после того, как завершается измерение экспериментального «системного» фотона. Вам известно, что системный фотон проходит через интерферометр, одновременно открытый и закрытый; вы не знаете, поведение волны или частицы вы получите при измерениях. Так что вы измеряете?

 

Оттенки серого

 

Результаты этого эксперимента были неутешительными: то, что вы видите, в итоге зависит от контрольного фотона. Если вы будете наблюдать только за измерениями системных фотонов, вообще не проверяя соответствующие измерения контрольных, – так и не узнав, измерение какого типа вы провели, – то увидите распределение ударов по двум детекторам, что не характеризует ни частицу, ни волну, но все же является некоторой их неоднозначной смесью. Если частицу представить черной, а волну – белой, то это будет оттенком серого.

Проделайте то же самое, но в этот раз отслеживайте измерения контрольных фотонов, игнорируя системные, – результат будет выглядеть так, будто вы надели волшебные очки. Теперь серое четко разделяется на черное и белое. Вы можете собрать данные системных фотонов: прошедшие через открытый интерферометр однозначно являются частицами, а те, что измерялись закрытым интерферометром, выглядят как волны. «Цвета» фотонов будут полностью идентичны тому типу измерения, который, судя по контрольным фотонам, вы в итоге провели.

Теперь же странность набирает новые обороты. Квантовая механика позволяет поместить контрольный фотон в сочетание двух состояний не только в равных, но и в различающихся пропорциях. Это эквивалентно исполнению интерферометра, которое, скажем, 70% времени открыто, а 30% – закрыто. Если мы измерим группу фотонов в такой конфигурации и посмотрим на результаты перед тем, как надеть наши волшебные очки, то снова увидим признак неоднозначности – но теперь его оттенок серого сместился ближе к черному цвету частицы, а не белому волны. Надев очки, однако, мы увидим системные фотоны, 70% из которых хоть и внешне, но вполне явно вели себя как частицы, тогда как оставшиеся 30% действовали как волны.

Но что это означает для нашего понимания реальности? В некотором смысле результаты встают на сторону Бора, укрепляя его позицию в споре о квантовой реальности. Существует тесная корреляция между состоянием контрольного фотона, представляющим характер измерения, и системного, представляющего состояние реальности. Сделайте больше измерений частиц – и вы получите что-то, больше похожее на частицу, и наоборот. Как и в ранних экспериментах, теория скрытой реальности, к которой склонялся Эйнштейн, не может объяснить результаты.

Показатели более поздних экспериментов полностью это подтверждают. Мы так вцепились в понятия «частица» и «волна» только потому, что они соответствуют привычным нам обликам вещества, которые оно принимает в знакомом классическом мире. Но попытка описать подлинно квантовую реальность этими или другими «черно-белыми» понятиями – затея, заведомо обреченная на провал.

 

 

Так может ли все-таки квантовая таинственность скрывать упорядоченную реальность?

Часто игнорируемая, словно забытая падчерица, разработанная более полувека назад квантовая механика наконец может разделить одну сцену со своими более уважаемыми старшими родственниками. Если она выдержит испытание временем, то, возможно, сможет укрепить идею, что во Вселенной все невероятно взаимосвязано на громадных расстояниях.

В 1952 году физик Дэвид Бом предположил, что квантовый мир только кажется таинственным, потому что мы далеко не все знаем о лежащей в его основе реальности. За квантовой таинственностью, говорил он, реальность упорядочена, и все частицы обладают определенными положениями и следуют по определенным траекториям.

Множество недавно проведенных экспериментов продемонстрировало, что такой скрытой реальности не существует. Однако они исключили всего лишь особый класс теорий, в которых скрытая реальность любой частицы локальна и не подвергается влиянию чего-то далекого. Идеи Бома включают в себя нелокальную скрытую реальность, в которой все зависит от всего. В его Вселенной события, происходящие в далекой галактике, в тот же момент воздействуют на нас и наоборот, каким бы незначительным ни был эффект. Бомовская механика все еще остается предметом жарких споров, но после подтверждения недавними опытами ее предсказаний люди могут начать говорить о ней немного более серьезно.

 

Конец неопределенности

 

Принцип неопределенности Гейзенберга предполагает, что мы не можем знать о системе все, что необходимо. Но квантовая запутанность – за счет соединения состояний далеких объектов, означающего, что если мы определяем одно, то в тот же момент определим другое, – кажется, дает нам обходной прием. Являются ли все же эти два элемента квантовой теории принципиально несовместимыми?

 

Популярный в наши дни вариант принципа неопределенности Гейзенберга был сформулирован в 1988 году двумя датскими физиками – Гансом Маасеном и Джосом Уффинком – с использованием понятий теории информации, разработанной американским математиком Клодом Шенноном и другими в годы, следующие после Второй мировой войны.

Шеннон показал, как величина, которую он назвал энтропией по аналогии с мерой термодинамического беспорядка, дает надежный индикатор непредсказуемости информации, а следовательно, и неопределенности в целом. Например, результат самого последнего из серии подбрасывания монеты имеет максимальную энтропию Шеннона, поскольку он ничего не говорит о результате следующего броска. С другой стороны, выраженная на естественном языке информация, например на английском, имеет низкую энтропию, поскольку набор слов дает нам ключ к тому, что последует.

Переведя это представление в квантовый мир, Маасен и Уффинк показали, что энтропию Шеннона, связанную с любой измеримой квантовой величиной, невозможно уменьшить до нуля и что чем больше вы сжимаете энтропию одной величины, тем быстрее возрастает энтропия другой. Информация, которую квантовая система дает одной рукой, она тут же отбирает другой.

Квантовая запутанность может оказывать весьма странное воздействие на неопределенность. Предположим, что наблюдатель Боб создает пару частиц, например фотонов света, квантовые состояния которых каким-то образом запутаны. Боб отправляет один из этих запутанных фотонов второму наблюдателю, Алисе, и держит другой, близкий к нему, в банке квантовой памяти – скажем, куске оптического волокна подходящей длины. Затем Алиса случайным образом измеряет одну из пар дополняющих друг друга величин, связанных с фотоном: в данном случае поляризаций в двух разных направлениях. Ее измерение будет управляться обычными законами квантовой неопределенности и может быть точным только до определенных пределов. По Маасену и Уффинку, его энтропия будет ненулевой. Алиса говорит Бобу, какую величину она измерила, но не полученное ею значение.

Теперь наступает самый важный момент. Задача Боба – максимально точно определить результат измерения Алисы, настолько точно, насколько это возможно. Это довольно просто – ему всего лишь нужно оградить собственный банк квантовой памяти. Если два фотона полностью запутаны, ему всего лишь нужно знать, какую величину измерила Алиса, и измерить ее у своего фотона, что даст ему полную информацию о значении величины – даже больше, чем Алиса может знать о ней. За серию измерений он даже может сжать связанную с величиной энтропию до нуля.

 

Мысленный эксперимент

 

Многим этот мысленный эксперимент напоминает знаменитый эксперимент Эйнштейна – Подольского – Розена (ЭПР-эксперимент) – тоже мысленный, придуманный в 1935 году Эйнштейном и его коллегами – Борисом Подольским и Натаном Розеном. Он тоже пришел к аналогичному выводу: запутанность может устранить всю неопределенность из одного измерения, но не из обоих сразу. В духе своего принципиально скептического отношения к квантовой таинственности Эйнштейн интерпретировал напряжение между двумя принципами как показатель того, что квантовая механика не полна и что скрытая реальность, лежащая за квантовым миром, определяет исход экспериментов.

И хотя спор в настоящее время считается урегулированным, последние работы открывают совершенно новую перспективу. Обычно дискуссии об обоснованности принципа неопределенности и интерпретации ЭПР-эксперимента остаются независимыми. Теперь же появилась возможность занять новую позицию в старом разговоре: не о том, что неопределенность мертва, а что неопределенность и запутанность являются двумя сторонами одной медали.

Когда две частицы совершенно запутаны, начинает осуществлять контроль жуткое действие на расстоянии и принцип неопределенности носит менее жесткий характер, чем предполагалось. Но там, где запутанности нет, неопределенность возвращается к соотношению Маасена – Уффинка. Это позволяет нам сказать, как много мы можем знать для каждой из скользящих шкал промежуточных ситуаций, когда запутанность есть, но она меньше, чем полная. Это весьма актуально для квантовой криптографии – ближайшей к применению в реальном мире квантовой технологии, которая основывается на раздаче полностью запутанных частиц. Соотношение означает, что имеется более простой способ проверки, когда запутанность была нарушена, например, нежелательными перехватчиками – просто контролируя неопределенность измерений.

Касательно дуэли между неопределенностью и запутанностью – она завершилась вничью, при этом два принципа стали частями одной и той же математической схемы. И хотя это и верно в рамках квантовой теории, возможно, мы могли бы сказать, какой из этих принципов сильнее, уменьшив масштаб и рассмотрев структуру математического построения на более общем уровне, чем квантовая теория (см. ниже в параграфе «Проверка реальностью»).

 

 

Проверка реальностью

 

Наше понимание квантового мира в итоге оказывается абсолютно несостоятельным. Если мы примем квантовую теорию на веру, то это подтвердит иллюзорность либо относительности, либо причинности, либо свободной воли, либо даже самой реальности. Но чего именно?

 

Примирение запутанности с «нормальной» физикой – непростая задача. Эйнштейн верил, что между двумя фотонами должно быть еще какое-то необнаруженное влияние. Но какую бы форму ни приняло это влияние – фотона, некоторой другой обмениваемой частицы или, возможно, типа волны, – логично предположить, что оно не будет распространяться быстрее света. Благодаря теории относительности Эйнштейна скорость света всегда рассматривают как фундаментальный предел скорости для любого вида полезной информации, распространяющейся по Вселенной. Наличие этого предела избавляет от любых видов неприятных последствий. Любой канал, по которому осуществляется распространение со сверхсветовой скоростью, также может быть открыт в корыстных целях, например для передачи по нему информации назад во времени. Позвольте нарушение релятивистской причинности – и мы все неожиданно станем победителями лотерей.

Скрытые физические влияния более тривиального формата, подчиняющиеся теории относительности, проверяются сравнительно несложно. Сперва вы отдаляете два запутанных фотона на огромное расстояние. Второй фотон отсылается, скажем, на Международную космическую станцию с указанием проводить измерения строго в определенное время. За мгновение до их проведения вы измеряете первый фотон. Момент измерения правильный, к тому же для любого воздействия времени будет слишком мало – оно не успеет пройти между двумя фотонами даже со скоростью света.

Никто до сих пор не провел тест с Международной космической станцией, но мы неоднократно проделывали подобное на Земле. Каждый раз, когда сообщение о втором измерении возвращалось, таинственное воздействие по-прежнему ощущалось. Второй фотон при этом реагировал на измерения, как если бы он знал, что случилось с первым.

Это вынуждает нас вообразить реальность за пределами пространства и времени – если, конечно, мы не ошибаемся в каких-либо фундаментальных вещах. Нарушения принципа относительности вызывают недовольство, потому что они нарушают наши представления о причинности. Мы, люди, легко соблазняемся идеей причинно-следственного порядка и заглядываем в прошлое, чтобы проследить причину любого события. Более того, мы – решительные детерминисты, беспечно предполагающие, что у каждого явления действительно есть причина. Кажется, что это и правда неплохо работает в нашем крупномасштабном повседневном мире, но, когда дело доходит до мелочей, лежащих в основе квантовой реальности, можем ли мы быть в этом так уверены?

 

Причинные законы

 

Теоретик Часлав Брукнер и его коллеги из Венского университета задались целью ответить на вопрос: подчиняются ли в теории квантовые системы тем же причинным законам, что и все мы? Они начали с классической ситуации, в которой два независимых наблюдателя, Алиса и Боб, проводят измерения фотона. Брукнер и его группа уточнили, что квантовая неопределенность – это принцип, фундаментально ограничивающий количество информации, которую вы можете извлечь из квантовой системы, включая информацию о времени.

Брукнер описывает обнаруженный ими сценарий на следующем примере: Алиса входит в комнату и обнаруживает послание, написанное Бобом. Она его стирает и пишет ответ, затем в комнату заходит Боб, чтобы написать исходное сообщение, на которое только что ответила Алиса. Подобно тому, как квантовая частица может находиться в двух или более местах одновременно, эта частица также может существовать сразу в двух моментах времени. Система может быть одновременно в состояниях «Алиса вошла в комнату до Боба» и «Боб вошел в комнату до Алисы». И мы не можем сказать, опережает ли измерение Алисы измерение Боба или наоборот. Но проверить результаты этих теоретических предположений на практике будет непросто. Учитывая хрупкую природу квантовых состояний, любая попытка измерить квантово-механическую суперпозицию причинно-следственных порядков нарушит ее, приводя к коллапсу в конкретном причинно-следственном порядке.

Вывод напрашивается сам собой: причинно-следственный порядок не является фундаментальным свойством природы. Причинность восстанавливается, только когда параметры эксперимента корректируются так, чтобы заставить частицы вести себя как знакомые нам классические частицы. Если мы принимаем квантовую теорию как самое фундаментальное описание реальности из всех, что у нас есть, это будет означать, что само пространство-время не является фундаментальным и появляется из более глубокой, в настоящее время непостижимой квантовой реальности.

Но может квантовая теория быть проблемой сама по себе? Несмотря на все ее успехи, возможно, вся эта случайность, неопределенность и жуткое действие на расстоянии просто связаны с тем, что квантовая механика неполна. Она, по крайней мере в своей нынешней формулировке, может просто не обладать всей информацией, которая объяснила бы нам, почему все именно так, как оно есть. Можно провести аналогию с законами термодинамики. Они обеспечивают нас абсолютно надежным высокоуровневым описанием того, как все работает – например, что тепло всегда идет от горячего к холодному. Но при этом законы термодинамики ничего не говорят о лежащей в основе этих процессов динамике отдельных атомов, приводящей их в действие.

Для изучения этой вероятности исследователи решили проверить, что бы случилось в классических опытах типа «наблюдатели Алиса и Боб», если бы исходная теория дополнительно давала произвольное количество информации о корреляции между двумя запутанными частицами. Стали бы результаты измерений менее случайными и непредсказуемыми?