Возрожденное время. От кризиса в физике к будущему вселенной

Третья и наиболее проблематичная особенность квантовой механики заключается в том, что для выражения теории необходимы понятия измерения, наблюдения или информации. Они должны расцениваться как первичные понятия; они не могут быть объяснены в терминах фундаментальных квантовых процессов. Квантовая механика не столько теория, сколько метод для кодирования того, как экспериментаторы опрашивают микроскопические системы. Ни измерительные инструменты, которые мы используем для взаимодействия с квантовой системой, ни часы, которые мы используем для измерения времени, не могут быть описаны на языке квантовой механики — ни мы, как наблюдатели, не можем так описываться. Это наводит на мысль, что для создания имеющей силу космологической теории мы должны будем отказаться от квантовой механики и заменить ее теорией, которая может быть распространена на всю вселенную, включая нас самих как наблюдателей, а также наши измерительные инструменты и часы[106].

Когда мы ищем такую теорию, мы должны держать в уме, что в квантовую физику интегрированы три путеводных нити по поводу природы того, что обнаружил эксперимент: несовместимые вопросы, запутывание и нелокальность.

Любая система будет иметь список свойств, таких как положение и импульс[107] для частиц или цвет и высота каблука для ботинок. С каждым свойством связан вопрос, который может быть задан: Где сейчас находится частица? Какого цвета его туфли? Роль эксперимента заключается в допросе системы, чтобы получить ответы на указанные вопросы. Если вы хотите полностью описать классическую систему, вы отвечаете на все вопросы, и это дает вам все свойства. Но в квантовой физике определение того, что вам нужно задать один вопрос, может перевести другие вопросы в такие, на которые невозможно ответить.

Например, вы можете спросить, что за положение занимает частица, или вы можете спросить, каков импульс частицы, но вы не можете задать оба эти вопроса одновременно. Это то, что Нильс Бор назвал дополнительностью, и это также то, что физики имеют в виду, когда мы говорим о некоммутирующих переменных. Если имеется квантовая мода, тогда цвет ботинок и высота каблука могут быть несовместимыми свойствами. Это сильно отличается от классической физики, где вы не должны выбирать, какие свойства измерять, а какие не принимать во внимание. Ключевой вопрос состоит в том, должен ли выбор экспериментатора влиять на реальность изучаемой им системы.

Запутывание также есть чисто квантовое явление, в соответствии с которым пары квантовых систем могут совместно обладать свойствами, хотя каждая система остается индивидуально неопределенной. Это означает, вы можете задать вопрос о взаимоотношении между парой, который имеет определенный ответ, тогда как ответ на любой родственный вопрос по поводу индивидуальной системы отсутствует. Рассмотрим пару квантовых ботинок. У них может иметься свойство, именуемое противоположность, в соответствии с которым любой вопрос, заданный по поводу обоих ботинок, даст противоположные ответы. Если вы спросите о ботинках, какого они цвета, и по левому будет ответ «белого», то по правому ботинку будет ответ «черного» и наоборот. Если вы спросите о высоте каблука, то если левый каблук высокий, правый каблук будет низкий и наоборот. Если вы спросите только о высоте каблука левого ботинка, ответ будет или «высокий» или «низкий» с 50-процентной вероятностью. Фактически, если пара квантовых ботинок имеет свойство противоположность, то любой вопрос, адресованный одному из ботинок в отдельности, будет вызывать хаотические ответы, а любой вопрос, адресованный обоим ботинкам, будет вызывать противоположные ответы.

В классической физике любое свойство пары частиц может быть редуцировано к описанию свойств каждой. Запутывание показывает, что это неверно для квантовых систем. Для нашего обсуждения важно то, что через запутывание вы можете создать новые свойства природы. Если вы запутываете две квантовые системы такого вида, что они никогда ранее не взаимодействовали друг с другом, путем приготовления их со свойством вроде противоположности, вы создаете свойство, которое ранее никогда не существовало в природе.

Запутанные пары создаются путем сведения вместе двух субатомных частиц и организации из взаимодействия. Один раз запутавшись, они остаются запутанными, даже если они разделяются и удаляются на огромное расстояние друг от друга. Пока ни одна из них не взаимодействует с другой системой, они продолжают совместно обладать свойствами запутанности, такими как противоположность. Это вызывает третью и самое поразительную путеводную нить по поводу природы на квантовом уровне, нелокальность.