Шон Кэрролл - Вечность. В поисках окончательной теории времени

Теперь давайте представим себе, что вместо Китти мы ищем Дога. И снова существует 50-процентная вероятность получения каждого из двух возможных результатов: ( стол, гостиная ) и ( диван, сад ). Таким образом, если нас не интересует, чем занимается Китти, справедливо говорить, что до того, как мы начинаем поиск, у нас нет ни малейшего представления о том, где нам в итоге посчастливится найти Дога.

Однако вот в чем соль: хотя до начала наблюдения мы не имеем никакого представления о том, где окажется Дог, но если мы решаем проверить, где находится Китти, то как только это измерение сделано, мы получаем точную информацию, где проводит время Дог, несмотря на то что вообще этим не интересовались! Это магия запутывания. Предположим, мы увидели Китти на диване. Это означает, что волновая функция, учитывая ее вид, сколлапсировала в волновую функцию ( диван, сад ). Следовательно, мы можем утверждать (предполагая, что не ошиблись в определении первоначальной волновой функции), что, заглянув в сад, мы обязательно найдем Дога там. Мы сколлапсировали волновую функцию Дога, даже не взглянув на него. Или, если точнее, мы сколлапсировали волновую функцию Вселенной, которая важна для определения местоположения Дога, вообще напрямую с ним не взаимодействуя.

Не знаю, удивил ли вас такой результат. Надеюсь, я достаточно понятно и убедительно рассказал о сути волновых функций, для того чтобы феномен запутанности не показался вам чем-то выдающимся. Так и должно быть; это неотъемлемая часть инструментария квантовой механики, и множество хитроумных экспериментов подтвердили его достоверность в реальном мире. Тем не менее запутанность может привести к следствиям, которые – если воспринимать их буквально – кажутся несовместимыми как минимум с духом теории относительности, если не с буквой закона. Подчеркну еще раз: между квантовой механикой и специальной теорией относительности (общая теория относительности, где в игру вступает гравитация, – это совсем другая история) нет никаких явных несоответствий. Однако некое напряжение между ними существует, и это заставляет людей нервничать. В частности, создается впечатление, что некоторые события происходят со скоростью быстрее скорости света. Но если копнуть поглубже и попытаться понять, что же это за «события» и что означает «происходят», то окажется, что в действительности ничего плохого не происходит: ничто не движется быстрее света, и никакая конкретная информация не передается за пределами чьего-либо светового конуса. И все же это вызывает какое-то подспудное раздражение.

ЭПР-парадокс

Вернемся снова к нашей паре, кошке с собакой, и представим, что они пребывают в описанном выше квантовом состоянии, то есть суперпозиции ( стол, гостиная ) и ( диван, сад ). Но на этот раз вообразим, что если Дог оказывается в саду, он не остается просто сидеть там, а куда-то убегает. Кроме того, он любит приключения и живет в будущем, где полеты на ракете и космическая колония на Марсе – обычное дело. Дог – в том варианте, где его путь начинается в саду, а не в гостиной, – убегает в космопорт, прячется на космическом корабле и летит на Марс, и абсолютно никто его все это время не замечает. Лишь когда он вылезает из корабля и прыгает на руки своему старому другу Билли, который после окончания университета вступил в Космический корпус и отправился с миссией на Красную планету, состояние Дога фактически кто-то наблюдает, коллапсируя, таким образом, волновую функцию.

Другими словами, мы представляем, что волновая функция, описывающая систему кошка/собака, непрерывно эволюционировала согласно уравнению Шрёдингера из

( стол, гостиная ) + ( диван, сад )

в

( стол, гостиная ) + ( диван, Марс ).

Ничего невозможного в этом нет – возможно, звучит это слегка неправдоподобно, но если никто не выполнял наблюдений в течение всего периода эволюции, то в результате мы получаем волновую функцию именно в такой суперпозиции.

Однако следствия такой ситуации весьма удивительны. Когда ничего не подозревающий Билли видит Дога, выпрыгивающего из космического корабля на Марсе, он выполняет измерение и коллапсирует волновую функцию. Если он заранее знает, как выглядит волновая функция – то самое запутанное состояние, описывающее местоположения и кошки и собаки, то он немедленно понимает, что Китти находится на диване, а не под столом. Волновая функция сколлапсировала до возможности ( диван, Марс ). Мы не только узнаем состояние Китти, никак не взаимодействуя с ней, – мы узнаем его моментально, несмотря на то что даже при движении со скоростью света путешествие с Марса на Землю занимает по меньшей мере несколько минут.

Это свойство запутанности – тот факт, что состояние Вселенной, как его описывает квантовая волновая функция, «моментально» меняется в пространстве, хотя специальная теория относительности учит нас, что не существует уникального определения того, что означает «моментально», – выводит из себя множество людей. Определенно, это раздражало Альберта Эйнштейна, который в 1935 году объединился с Борисом Подольским и Натаном Розеном, для того чтобы написать статью и акцентировать внимание на этой странной ситуации, известной сегодня под названием «ЭПР-парадокса». [208]Однако в действительности это вовсе не «парадокс»; он может бросать вызов нашему интуитивному пониманию реальности, но не экспериментальным или теоретическим требованиям.

Важное свойство мгновенного коллапса волновой функции, рассредоточенной на огромные расстояния, заключается в том, что это явление невозможно использовать для передачи какой-либо информации со скоростью, превышающей скорость света. Нам не дает покоя то, что до того, как Билли увидел собаку, Китти здесь, на Земле, не занимала какое-то определенное положение: с вероятностью 50 % мы могли увидеть ее или на диване, а с вероятностью 50 % – под столом. Однако как только Билли увидел Дога, мы со 100-процентной вероятностью наблюдаем кошку на диване. Ну и что? На самом деле мы не знаем, выполнил ли Билли наблюдение; насколько нам известно, если мы поищем Дога, то имеем шанс обнаружить его в гостиной. Для того чтобы внезапное открытие Билли что-то изменило в нашей картине мира, ему пришлось бы прийти и рассказать нам эту историю или хотя бы отправить радиограмму. Так или иначе, он должен связаться с нами с помощью традиционных инструментов, работающих медленнее скорости света.

Запутанность двух находящихся на большом расстоянии друг от друга подсистем кажется нам чем-то непостижимым, потому что она нарушает наше интуитивное понимание «локальности»: объекты должны быть в состоянии влиять напрямую лишь на близлежащие объекты, но не на те, которые находятся на произвольно большом расстоянии. Волновые функции работают не так; существует одна волновая функция, описывающая всю Вселенную разом, и на этом история заканчивается. Наблюдаемый нами мир тем временем все так же соблюдает определенный тип локальности: даже если волновая функция моментально коллапсирует во всем пространстве, мы не в состоянии воспользоваться этим свойством для того, чтобы отправить сигналы со скоростью, превышающей скорость света. Другими словами, вещи, с которыми вы сталкиваетесь в своей жизни и которые влияют на вашу жизнь, по-прежнему должны находиться прямо рядом с вами, а не где-то далеко.