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

В каждой лаборатории был алмаз, содержащий электрон, который обладал особым свойством – спином. Члены команды ударяли по алмазам микроволновыми импульсами, создаваемыми случайным образом, что заставляло каждый из них испускать фотон, запутанный со спином электрона. Эти фотоны затем отправляли в следующий пункт, точку C между Алисой и Бобом, где третий детектор отмечал время их прибытия.

Если бы фотоны пришли от Алисы и Боба точно в одно и то же время, то передали бы свою запутанность спинам в обоих алмазах, и электроны были бы запутаны вдоль прямой, соединяющей две лаборатории, – это как раз то, что нам нужно для проверки неравенств Белла. К тому же спины электронов постоянно отслеживали, а уровень качества детекторов позволял закрыть лазейку обнаружения.

Но недостаток эксперимента заключается в том, что два фотона очень редко приходят в точку C одновременно – лишь несколько совпадений приходов в час. Команда провела 245 измерений, так что ожидание было долгим. Результат был однозначным: в лабораториях были обнаружены спины с намного более высокой корреляцией, чем позволил бы локальный реализм. Таинственный мир квантовой механики – это наш мир (см. рис. 2.4).

Рис. 2.4. Первый свободный от лазеек эксперимент, проведенный для доказательства квантовой таинственности.

Остается одна лазейка, за которую могут зацепиться локальные реалисты, но исключить ее не смогут никакие эксперименты в принципе. Что если между случайными микроволновыми генераторами и детекторами имеется нечто вроде связи? Тогда возможно, что Алиса и Боб считают себя свободными в выборе настроек своего оборудования, но скрытые параметры интерферируют с их выбором и сводят на нет проверку неравенств Белла.

Команда Хансона отмечает, что это возможно, но также предполагает, что не в данном случае. В других опытах предлагается создание случайных чисел на основе фотонов, прилетающих от далеких квазаров, что приводит к промежуткам в миллиарды световых лет.

Ничего из перечисленного в конечном счете не помогает. Предположим, что Вселенная каким-то образом полностью предопределена и порхание каждого фотона неизменно, словно высечено на камне c незапамятных времен. В этом случае ни у кого никогда не было бы выбора, так что это не то, о чем экспериментаторам реально стоит волноваться: если Вселенная предопределена, полное отсутствие свободы означает, что у нас есть заботы поважнее.

Что бы Эйнштейн подумал об этих результатах? К сожалению, он умер до того, как Белл представил свои неравенства, так что мы не узнаем, изменило ли бы дальнейшее развитие событий его мнение, но возможно, Эйнштейн бы восхитился теми действиями, которые совершили люди, чтобы доказать его неправоту.

Эта свободная от лазеек проверка квантовой таинственности вводит нас в философскую дилемму. Неужели у нас нет свободной воли и что-то предопределяет, какие измерения мы проведем? Это не лучший вариант. Реальны ли свойства квантовых частиц и, следовательно, реально ли вообще все или существует только как результат нашего восприятия? Такая точка зрения более популярна, но вряд ли мы далеко с ней продвинемся.

Или действительно существует воздействие, распространяющееся быстрее света? В 2008 году швейцарский физик Николас Гизин и его коллеги из Женевского университета (Швейцария) показали, что при соблюдении реальности и свободы скорость переноса квантовых состояний между запутанными фотонами, удерживаемыми в двух деревнях на расстоянии в 18 километров, будет более чем в 10 миллионов раз выше скорости света.

Согласно законам квантовой механики корпускулярно-волновой дуализм и квантовая суперпозиция распространяются не только на микроскопический мир электронов и атомов, но также и на макроскопические объекты.

Граница между квантовым и классическим повседневным мирами размывалась годами. В 1999 году Антон Цайлингер и его коллеги из Венского университета (Австрия) показали, что фуллерены – молекулы из 60 атомов – ведут себя как волны, когда проходят через дифракционные решетки. А в 2003 году той же группой был проведен трюк с тетрафенилпорфирином – большой молекулой, связанной с хлорофиллом, установившей новый рекорд самого тяжелого объекта, продемонстрировавшего корпускулярно-волновой дуализм.

Квантовые эффекты ворвались также в область объектов, различимых невооруженным глазом. В 2010 году исследователи заставили одновременно и колебаться, и не колебаться сверхохлажденную металлическую полоску длиной 0,06 мм, приведя ее в квантовую суперпозицию состояний. В настоящее время рекорд принадлежит облаку из 10 000 ионов рубидия. Есть ли предел того, насколько большим может быть объект и при этом обладать квантовыми эффектами? Ничего в квантовой механике не говорит о существовании этого предела, но чем больше атомов имеет объект, тем более вероятно, что они взаимодействуют друг с другом и своим окружением, разрушая хрупкие квантовые эффекты.

Одной из основных целей, виднеющихся на горизонте, является суперпозиция объектов на масштабах в миллион атомов, говорит Влатко Ведрал, квантовый физик из Оксфордского университета: «Вот тут происходит нечто магическое. Это масштаб, на котором начинается жизнь». На его взгляд, ключевым экспериментом стала бы стрельба живыми организмами, например вирусами по двум щелям при контролируемых условиях, поскольку согласно одной из интерпретаций квантовой механики живые системы приводят к коллапсу квантовых суперпозиций. «Держу пари, что вирус также является полностью квантово-механическим, – говорит он. – Выделите мне достаточное финансирование, и, вероятно, я смогу заставить проинтерферировать все, что пожелаете».

После лобового столкновения с квантовой таинственностью возникает соблазн привести печально известную цитату лауреата Нобелевской премии, физика Ричарда Фейнмана (1918–1988): «Квантовую механику никто не понимает». Увы, это действительно довольно близко к истине, ведь, как классические существа, мы не готовы видеть основополагающую квантовую реальность. К ее пониманию можно прийти дорогой ценой – например, приняв существование параллельных вселенных.

В 1911 году в Брюсселе (Бельгия) прошла первая международная конференция по физике. Темами для обсуждения стали взаимодействие со странной новой квантовой теорией и возможность ее примирения с нашим повседневным опытом.