Николя Жизан - Квантовая случайность. Нелокальность, телепортация и другие квантовые чудеса

Таким образом, положение одного электрона относительно второго хорошо определено, хотя мы и не знаем точно позиции каждого из них. В общем случае запутанные квантовые системы могут находиться в точно определенном состоянии, даже если состояние каждой в отдельности неопределимо. Когда измерения производятся на двух запутанных системах, результаты определяются случаем – но одним и тем же случаем! Квантовая случайность нелокальна.

Запутанность также можно определить как способность квантовых систем выдавать один и тот же результат, если мы измеряем одну и ту же физическую характеристику каждой из них. Мы говорим здесь о применении принципа суперпозиции одновременно к нескольким системам. Например, пара электронов может находиться в состоянии «один здесь, другой там», а может находиться в состоянии «один на метр вправо отсюда, а другой на метр вправо оттуда». Согласно принципу суперпозиции, эти два электрона могут также находиться в суперпозиции состояний «один здесь, а другой там» и «один на метр вправо отсюда, а другой на метр вправо оттуда». Это – запутанное состояние. Но запутанность включает в себя намного больше, чем принцип суперпозиции, ведь именно запутанность вводит в физику нелокальные корреляции. В упомянутом примере ни один из электронов не имеет предопределенного положения, но если измерение положения первого электрона дает результат «здесь», то положение другого немедленно определяется как «там», и нам даже не нужно измерять положение второго электрона.

Как могут два электрона иметь хорошо определенное относительное положение, если ни один из них в отдельности определенного положения не имеет? В мире, к которому мы привыкли, это невозможно. Можно подумать, что квантовая физика просто не способна дать нам полное описание координат электронов и что более полная теория сможет описать электроны как объекты, всегда имеющие хорошо определенное, но скрытое положение. Это интуитивное желание лежит в основе теории о скрытых локальных переменных. Их называют локальными, потому что каждый электрон занимает свое положение независимо от других электронов.

Тем не менее в гипотезе о скрытых положениях полно своих проблем. Ведь положение электрона – не единственная измеримая переменная. Мы можем измерить его скорость, которая тоже неопределима. Конечно же, у электрона есть средняя скорость, но скорость, которую мы получим в результате измерения, зависит от случая и может принимать любое значение из широкого спектра возможных, точно так же, как и позиция в пространстве, которое мы фиксируем в момент измерения положения. И снова запутанность позволяет двум электронам в отдельности не иметь определенной скорости, но при этом оба они могут иметь в точности одну и ту же скорость, и это остается справедливым, даже если электроны разнесены на очень большое расстояние друг от друга.

Но запутанность предлагает и более сильную возможность. Два электрона по отдельности могут не иметь ни определенного положения, ни определенной скорости, но они могут быть запутаны так, что разности между их положениями и между их скоростями будут точно определены. Если есть скрытые положения, то должны быть и скрытые скорости, не правда ли? Но это противоречит принципу неопределенности Гейзенберга – основополагающей части математического описания квантовой теории (справка 8). Вернер Гейзенберг, его учитель Нильс Бор и их друзья выступили категорически против предположения о существовании скрытых положений и скоростей, которые предлагались в качестве скрытых локальных переменных. С другой стороны, Эрвин Шрёдингер, Луи де Бройль и Альберт Эйнштейн поддержали гипотезу о скрытых переменных, ведь она казалась более естественной, чем гипотеза о запутанности, подразумевающей чистую случайность, которая проявляется одновременно в нескольких местах.

В то время и в последующие 30 лет, с 1935 до 1964 года, никто не смог придумать ничего похожего на аргумент Джона Белла, который мы обсудили в главе 2. Как следствие, никакой физический эксперимент не мог разрешить этот спор экспериментальной проверкой, к примеру ответом на вопрос: возможно ли выиграть в игру Белла чаще, чем три раза из четырех? Если бы скрытые локальные переменные существовали, то квантовые системы никогда не смогли бы выиграть. Скрытые локальные переменные (как гены близнецов) сыграли бы роль программ, которые определяли бы локально показания на приборах наших друзей. Но мы уже знаем, что если результаты определяются локально, то Алиса и Боб не могут выиграть чаще, чем три раза из четырех.

В то время как экспериментальная проверка была невозможна, этот вопрос стал предметом жаркого спора. Шрёдингер писал, что если идея запутанности верна, то он сожалеет, что когда-то приложил к ней руку. А чтобы понять как был обеспокоен Бор, достаточно прочесть его ответ на опубликованную в 1935 году работу Эйнштейна, Подольского и Розена (где был сформулирован парадокс ЭПР [36] Rae A.: Quantum Physics. Illusion or Reality? , Cambridge University Press (1986); Ortoli S., Pharabod J. P.: Le cantique des quantiques , La Découverte (1985); Gilder L.: The Age of Entanglement , Alfred A. Knopf (2008). ) и увидеть, что он воспринял спор очень близко к сердцу и готов был защищать причинно-следственную связь до последней капли крови.

Эйнштейн является величайшим из великих ученых потому, что он смог создать локальную теорию гравитации спустя столетия после того, как Ньютон озвучил эту проблему. До открытия общей теории относительности в 1915 году физики описывали гравитацию нелокально, подразумевая, что если кто-то сдвинет с места камень на Луне, то это моментально повлияет на наш вес [37] На домашних весах. Изменится только сила притяжения, с которой Земля и Луна действуют на нас, а масса останется прежней. Следует заметить, что камень нужно забрать с Луны на ракете, чтобы слегка сместить центр массы нашего спутника. на Земле. В принципе таким способом мы могли бы мгновенно передавать информацию на любые расстояния во Вселенной. Но, по теории Эйнштейна, гравитация, как и другие физические явления, известные в 1915 году, распространяется с конечной скоростью от одной точки пространства к другой. То есть, по Эйнштейну, Земля и остальная Вселенная будут проинформированы о том, что мы подвинули на Луне камень, гравитационной волной, которая распространяется со скоростью света. Поэтому вес землянина изменится не сразу, а более чем через секунду, ведь Луна находится приблизительно в 380 000 км от Земли.

Но всего через десять лет после своего выдающегося открытия Эйнштейн – человек, который вернул локальность в физику, – опять наткнулся на нелокальность. И, несмотря на то что квантовая нелокальность очень сильно отличается от нелокальности ньютоновской гравитации, он дрогнул перед новой угрозой той теоретической конструкции, которую он создал. Можно понять его реакцию, и в тех обстоятельствах она была вполне логичной: почему нужно доверять соотношению неопределенностей Гейзенберга, а не привычным детерминизму и локальности?