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

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?

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?

Короткий ответ – нет. В любой ситуации, когда и Алиса, и Боб могут независимо выбирать тип измерений частицы, дополнительная информация не помогает сделать их прогнозы насчет результатов проводимых экспериментов хоть сколько-то более точными, чем если бы они использовали квантовую теорию. Таинственная непредсказуемость никак не связана с неполной информацией.

В глубине души Вселенная – спонтанная структура. На фундаментальном уровне нет причин, которые могли бы объяснить, почему квантовая частица обладает именно такими свойствами: нет скрытого влияния, жесткой причинно-следственной связи или какой-то недостающей информации. Вещи такие, какие они есть. И других объяснений нет (см. рис. 7.4).