Гельголанд. Красивая и странная квантовая физика

На малых масштабах мы имеем этот странный легкий мир, где переменные относительны, а будущее не определяется настоящим. Этот призрачный квантовый мир и есть наш мир.

IV

Сеть отношений, из которых соткана реальность.

Где обсуждается, как вещи общаются между собой

1. Запутанность

В предыдущей главе я говорил о главном аспекте квантовой механики: свойства вещей относительны и существуют по отношению к другим вещам и реализуются во взаимодействиях. Здесь я описываю явление, которое лучше всего демонстрирует эту взаимозависимость вещей. Это тонкое, завораживающее явление, для многих предмет мечтаний – квантовая «запутанность».

Очень странное явление, еще сильнее отдаляющее нас от старого мира. Как отметил Шредингер, это самая настоящая характерная особенность квантовой механики. Но это также и общее явление, из которого сплетается сама конструкция реальности. Именно в нем проявляются самые невероятные аспекты реальности, выявленные благодаря квантовой механике.

Называется оно словом «запутанность» – так переводится английский термин «entanglement». Запутанность – это ситуация, в которой оказываются две сущности, тем или иным образом спутавшиеся друг с другом, в буквальном или переносном смысле. Связь, переплетение, соучастие, сплетение, хитросплетение, романтические отношения…

В квантовой физике запутанностью называют явление, при котором два взаимно удаленных объекта, например ранее встречавшиеся частицы, сохраняют своеобразную странную связь, как если бы могли продолжать разговаривать друг с другом. Подобно двум влюбленным в разлуке, угадывающим мысли друг друга. Образно выражаясь, остаются соединенными. Это хорошо подтвержденное в лабораторных условиях явление. Китайским ученым недавно удалось удержать во взаимно запутанном состоянии два фотона на расстоянии нескольких тысяч километров друг от друга⁶².

Посмотрим, о чем же идет речь.

Прежде всего, два запутанных фотона обладают связанными свойствами – если один красный, то и другой тоже красный, если один голубой, то и другой голубой. Пока что ничего странного. Если разделить пару перчаток и одну перчатку из них отправить в Вену, а другую – в Пекин, то прибывшая в Вену перчатка будет того же самого цвета, что прибывшая в Пекин. Они взаимосвязаны.

Странности возникают, когда пара фотонов, один из которых отправился в Вену, а другой – в Пекин, находятся в состоянии квантовой суперпозиции. Например, это может быть суперпозиция состояния, в котором оба фотона красные, и состояния, в котором оба фотона голубые. В момент наблюдения каждый из фотонов может оказаться как красным, так и голубым, но если один оказывается красным, то второй – удаленный от него – тоже окажется того же цвета.

Поразительно тут вот что: если любой из двух фотонов может оказаться как красным, так и голубым, как получается, что они оба всегда одного цвета? По теории, пока на него не взглянут, ни один из двух фотонов не является определенно ни красным, ни голубым. Цвет определяется случайным образом и только в момент, когда мы смотрим на фотон. Но если так, то каким образом цвет, случайным образом проявившийся в Вене, совпадает с цветом, случайным же образом проявившимся в Пекине? Если подбросить монетку в Вене и в Пекине, то результаты будут совершенно независимыми и никак не скоррелированными – не бывает так, чтобы всякий раз, когда в Вене выпадает орел, в Пекине тоже выпадает орел.

По-видимому, возможных объяснения всего два. Одно состоит в том, что сигнал с информацией о цвете фотона очень быстро приходит от одного фотона к другому, то есть стоит одному фотону решить стать голубым или красным, как он тут же сообщает об этом своему удаленному собрату. Второе, более разумное, объяснение состоит в том, что цвет на самом деле определен уже в момент разделения фотонов – как в случае с перчатками – даже если мы об этом не знали (Эйнштейн представлял себе что-то подобное).

Проблема в том, что ни одно из двух объяснений не годится. Первое предполагает слишком быстрый обмен информацией на очень большом расстоянии, а это противоречит всему, что мы знаем про устройство пространства-времени, которое не допускает слишком быстрого распространения сигналов. На самом деле можно доказать, что взаимно запутанные объекты нельзя использовать для передачи сигналов. Следовательно, эти корреляции не могут быть связаны с быстрой передачей сигналов.