Квант. Путеводитель для запутавшихся

Интерферометры показывают, что квантовые частицы действительно могут пребывать в суперпозиции в двух местах одновременно. Само собой, хотя я и не упоминал об этом, квантовые частицы могут пребывать и в суперпозициях других состояний, например вращаться в двух направлениях одновременно или обладать одновременно двумя и более различными энергиями или скоростями. Хотя нам легче сказать, что на самом деле в суперпозиции пребывает волновая функция, а не физическая частица, которую она описывает, что-то должно проходить по обоим ответвлениям интерферометра. Физики часто описывают эту ситуацию в противоречивых или небрежных терминах и говорят, что в интерферометре два пучка, которые интерферируют друг с другом. Но что это означает, когда мы описываем всего одну частицу? Правда в том, что никто не может удовлетворительно объяснить это нематематическим языком.

Нам известно лишь, что атом всегда описывается одной волновой функцией, а не двумя отдельными, и эта функция распространяется на оба ответвления. Именно здесь мы и заходим в тупик, представляя волновые функции классическими волнами. Если звуковая волна расщепляется и следует двумя разными маршрутами, которые в конце снова сходятся вместе, на выходе мы будем наблюдать эффект интерференции (незначительно изменяя частоту одной из волн, мы сможем услышать «пульсацию», так как две волны в итоге не будут совпадать по фазе). Однако звуковая волна в этом примере физически расщепляется надвое. Если два ответвления, по которым пойдут звуковые волны, приведут в различные места, звук услышит каждый из двух наблюдателей. В случае с атомом не стоит забывать, что только один наблюдатель увидит конкретный атом, если будет его искать. Строго говоря, мы утверждаем, что атом обладает единственной волновой функцией с двумя частями, которые описывают, как он следует по каждому из ответвлений, как бы далеко друг от друга они ни отстояли. Волновая функция распространяется на все пространство и принимает нулевое значение везде, кроме пространства внутри двух ответвлений. Следовательно, если установлено наблюдение, вся распространенная волновая функция схлопывается в единственную настоящую частицу, проходящую либо по одному из ответвлений, либо по другому.

Нелокальность

Все мы слышали не имеющие надежных свидетельств, но при этом интригующие заявления о том, что идентичные близнецы могут чувствовать эмоциональное состояние друг друга, даже если их разделяют большие расстояния. Утверждается, что близнецы каким-то образом связаны на психическом уровне, который науке еще только предстоит объяснить. Подобным образом пытаются объяснить и как собака чувствует, когда ее хозяин идет домой, и как должны работать черномагические куклы вуду. Стоит подчеркнуть, что я не утверждаю, будто эти примеры имеют хоть какое-то отношение к квантовой механике, и даже не верю, что они действительно происходят. Я упоминаю их исключительно в качестве дурацких примеров феномена под названием нелокальность. Интересно, что существование нелокальности в квантовом мире неопровержимо доказано: она проявляется посредством эффекта, именуемого запутанностью.

Представьте игральные кости. Какова вероятность, что выпадет дубль? Математические расчеты вполне очевидны. Для каждого значения одной кости существует один из шести шансов на то, что значение второй окажется таким же. Следовательно, вероятность двух дублей подряд составляет один к тридцати шести (так как 1/6 × 1/6 = 1/36). Конечно, это не означает, что, если вы бросите кости тридцать шесть раз, два дубля подряд выпадут только однажды; это означает лишь, что «в среднем» вероятность их выпадения именно такова[28]. Путем перемножения дробей мы получаем, что вероятность выбросить дубль десять раз подряд составляет примерно один к шестидесяти миллионам! А это значит, что, если бы каждый гражданин Британии бросил кости десять раз подряд, то статистически десять дублей выпало бы только у одного из них.

Что, если я дам вам кости, которые всегда падают дублями? Может, сначала выпадет дубль-шесть, затем дубль-два и так далее: число выпадает случайно, но при этом кости синхронизированы между собой. Вы по праву удивитесь и попытаетесь понять, в чем тут фокус. Возможно, в них встроен какой-то механизм, который контролирует, как именно они падают, и обе кости заранее запрограммированы приземляться в одной и той же последовательности номеров. Это можно легко проверить, бросив только одну кость, а вторую при этом зажав в кулаке. Теперь они рассинхронизируются и фокус не сработает.

Если же они продолжат выпадать дублями, несмотря на это, то объяснить это можно лишь тем, что они, видимо, каким-то образом восстанавливают синхронность перед каждым броском, обмениваясь дистанционным сигналом. Однако такой обмен сигналами требует важной оговорки: если кости находятся очень далеко друг от друга (скажем, одна из них на Земле, а другая – на Плутоне), их необходимо бросать в соответствии с составленным заранее расписанием, чтобы они не успели передать друг другу никакой сигнал.