Коллектив авторов - Квантовый мир. Невероятная теория в самом сердце мироздания

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.

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?

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.