Михаил Заречный - Квантовая физика, время, сознание, реальность

Как известно, любая частица, обладающая ненулевым спином, в том числе фотон, характеризуется поляризацией, т. е. проекцией спина на направление движения. Фотоны могут обладать двумя состояниями поляризации, отвечающими двум возможным проекциям спина — вдоль и против направления движения. Вид поляризации света определяет плоскость колебаний электрического поля электромагнитных волн, и существуют так называемые анализаторы (специальные кристаллы), способные пропускать кванты только с определённой поляризацией. Поскольку различные состояния поляризации находятся в состоянии суперпозиции, то с помощью такого кристалла можно выделять те или иные её компоненты. Если подобный кристалл поставить по ходу одного из лучей, и вращать его относительно оси луча, то интерференционная картина будет меняться из-за изменения соотношения между компонентами суперпозиции. Итак, Ричард Мандел пространственно разнёс два пучка на достаточно большое расстояние, и начал менять помощью анализатора соотношение между компонентами суперпозиции на одном из них (нижнем на рис. 4). В силу его манипуляций с анализатором интерференционная картина на этом пучке менялась. Второй пучок он вообще не трогал! Но интерференционная картина, наблюдаемая на этом втором пучке, точь-в-точь повторяла интерференционную картину на пучке, с которым экспериментировал Мандел. И картина эта менялась мгновенно, в то же самое время, когда менялась картина на первом пучке. И это притом, что никаких "объективных" причин для изменения картины на первом пучке просто не было! Ведь человек в этом случае никак не взаимодействовал с объектом наблюдения, и никакого материального носителя взаимодействия между пучками не было!

Выходит, квантовый объект каким-то невероятным образом узнавал, что происходит с другим объектом, удалённым от него на значительное расстояние (сейчас проведены эксперименты с расстоянием между парами фотонов 10 км). Это явление обычно называют квантовыми корреляциями. Квантовые корреляции — неотъемлемое свойство сцеплённых (перепутанных) состояний. Напомним, что сцеплённые состояния частиц означают наличие связи каких-то характеристик этих частиц после их взаимодействия, и эта связь куда более жёсткая, чем следует из классических представлений. Если частицы когда-то провзаимодействовали, то в замкнутых системах связь между ними будет сохраняться всегда, и она будет мгновенной, на каком бы расстоянии друг от друга они не находились. Если с помощью анализатора или другого устройства мы определяем состояние (напр., поляризацию) одной частицы из пары, то состояние второй частицы тоже становится определённым! И вести себя эта частица будет теперь иначе, чем до измерения, проведённого с первой частицей! Это утверждение справедливо всегда для замкнутых систем, а в случае открытых систем связь между частицами будет сохраняться до тех пор, пока суперпозиция состояний не превратится под влиянием окружения в смесь.

Это похоже на то, как если бы сталкивались два шара, чёрный и белый, при этом область их столкновения не наблюдаема, и мы не знаем, какой куда полетит. Для квантовых частиц не будет так, как подсказывает здравый смысл: каждый шар изначально белый или чёрный, мы только не знаем его цвет. Вылетевшие шары будут вести себя как "серые", т. е. в каждом из них будет присутствовать суперпозиция белого и чёрного, и это проявляется в эксперименте. Но так будет происходить только до тех пор, пока мы не определим цвет одного из шаров. Если мы определили его цвет как чёрный, то другой немедленно перестаёт вести себя как серый, и начинает проявлять себя в эксперименте как белый, на каком бы расстоянии он не находился!

Теперь представим, что возле одного из пучков находится Вася, который проводит эксперименты, а возле другого — Петя, который не знает о существовании Васи. Для Пети изменение результатов эксперимента на его пучке выглядит как чудо, чудо в самом мракобесном понимании! Ведь Петя ничего не делает со своим пучком, все условия эксперимента остаются постоянными, а интерференционная картина по совершенно непонятным причинам меняется! То он видит "белые" шары, то "серые", то "чёрные". А никаких причин для изменения картины Петя не найдёт, как бы он не старался. Для него это выглядит так, как будто есть следствие, но нет причины.

Похожую схему установки можно использовать и для "мгновенной" передачи информации между Васей и Петей, для этого лишь необходимо, чтобы они согласовали свои действия. Собственно говоря, никакой "передачи" информации не происходит, информация просто распределена между подсистемами, а Вася и Петя в ходе подобного эксперимента имеют доступ к единому нелокальному объекту. Само собой, для мгновенного обмена информацией необходимо сначала где-то создать запутанные пары фотонов, и как-то переслать им. На сегодняшний день, использование оптоволоконных технологий позволяет сохранить запутанность фотонов на расстояниях до нескольких сотен километров, это пока создаёт предел для реализации устройств мгновенной квантовой связи. Но это чисто технический вопрос, рано или поздно он будет решён, и уже сейчас интенсивно обсуждаются вопросы создания глобальных систем квантовой связи. Можно помечтать и о создании "квантовых консервов" — устройств, в которых когерентность состояний тех или иных объектов не разрушается достаточно долго, и которые можно будет просто брать с собой.

Часто спрашивают: не противоречит ли возможность мгновенной передачи информации теории относительности? Нет, не противоречит. Теория относительности говорит о пределе в виде скорости света на скорость движения материальных объектов, и скорость передачи взаимодействия между ними. Это совершенно справедливо для локальных (классических) объектов. В случае же пар фотонов в запутанном состоянии нет никакого взаимодействия между ними, нет никакой передачи информации между ними, они просто остаются единым объектом, как бы далеко друг от друга не находились. Это грань реальности, которая выходит за рамки теории относительности.

Давайте теперь вообразим, что Вася находится возле нас, а Петя, вместе со своей установкой — возле звезды, расстояние до которой миллион световых лет. То есть Петя поставил свои эксперименты миллион лет назад, а до Васи только сейчас долетел свет из расщеплённого пучка, и он начал свои эксперименты с ним. Что же будет? Будет то же самое: эксперименты Пети изменят результаты экспериментов Васи, который, может быть, уже давным-давно умер, и даже успел опубликовать их результаты. Ведь определение Петей состояния фотонов определяет свойства Васиных фотонов, и результаты у того меняются, вне зависимости от расстояния между ними.