Всё, что движется. Прогулки по беспокойной Вселенной от космических орбит до квантовых полей - Алексей Михайлович Семихатов

В 1970-х гг. вопрос из абстрактно-теоретического начал превращаться в экспериментальный. Первые опытные проверки давались с большими усилиями и приносили не всегда железно убедительные результаты. Вместо электронов обычно используются фотоны, у которых тоже два спиновых состояния (в привычных нам терминах они проявляют себя как поляризация света). Я вынужден игнорировать подробности, потому что они потребовали бы отдельной Экспериментальной прогулки; а в таком случае я могу и дальше смело рассуждать про электроны. Новую главу открыли в начале 1980-х эксперименты под руководством Аспе, где впервые оперативно выполнялись переключения между «ориентациями» измерительных приборов. С современной точки зрения, как это почти всегда бывает, и эти работы можно критиковать за неабсолютную строгость сделанных в них выводов. Тем не менее они опытным путем показали, что верна квантовая механика: комбинации средних действительно нарушают неравенства Белла. С тех пор эксперименты многократно уточнялись различными способами, причем особое внимание уделялось пространственной разделенности приборов, чтобы световой сигнал не успевал дойти от одного до другого за время между измерениями. Относительно недавно начали использовать спутники, и база эксперимента превысила 1000 км. Результат неизменно подтверждается: неравенства Белла нарушаются. (Некоторые оригинальные подробности обсуждаются в добавлениях к этой прогулке.)

Мы не знаем, какие из предварительных условий неравенств Белла нарушаются

Нарушение неравенств Белла, таким образом, – экспериментальный факт. Сами по себе эти неравенства являются математической теоремой, которую можно доказать исходя из определенных предположений. Мы заключаем, что по крайней мере одно из этих предположений неверно. Интрига в том, что мы не знаем какое (или какие) – возможно, «самое безобидное». Неработающий двигатель может не работать по нескольким причинам, включая дурацкие, и диагностика требует дополнительного оборудования или заглядывания внутрь, а именно этой возможности мы лишены в отношении квантового мира. Главную тайну квантовой механики – что же представляет собой квантовый мир? – не так просто раскрыть, потому что у нас нет прямого доступа в этот мир. Пока ничего более революционного не придумано, нам остается логический анализ предположений, из которых следуют неравенства Белла. В не слишком строгой формулировке мы перечислили эти предположения, когда говорили о том, как мог бы действовать механизм, предустанавливающий значения спинов в каждой ЭПР-паре. Кажется, что свобода действий, которую мы ему предоставили, никаких ограничений не содержит, но в действительности они там есть. Например, электроны получают инструкции «если тебя спросят, каков твой спин в направлении c, …», но не инструкции «если тебя спросят, каков твой спин в направлении a, а твоего компаньона – про его спин в направлении b, …». Последний вариант откровенно нарушал бы локальность – требование, чтобы происходящее сейчас и здесь не зависело от происходящего на достаточном удалении. В течение последних 300 лет успехи науки в поиске фундаментальных механизмов явлений неизменно были связаны с установлением локальных причин (фундаментальный ответ на этот вызов – концепция поля; как мы помним, действие на расстоянии беспокоило уже Ньютона). В силу этого на нелокальность не хочется соглашаться «сразу», без давления абсолютно неотвратимых обстоятельств. Если допустить в «скрытом механизме» наличие нелокального воздействия, никаких неравенств Белла доказать нельзя и вся затея теряет смысл – электроны «просто» разговаривают друг с другом на расстоянии; раз мы капитулировали, даже не ввязавшись в бой, нечего и рассчитывать на приобретение хоть какого-то знания.

Условия теоремы/неравенств Белла подверглись тщательнейшему рассмотрению со всех возможных точек зрения; внимание обращалось в том числе и на «неявные» предположения, которые исходно не формулировались отчетливо ввиду их очевидности. Например, предполагается отсутствие сигналов, распространяющихся назад во времени; если бы такая возможность была, то информация об ориентации двух приборов Штерна – Герлаха могла бы передаваться в прошлое, к моменту создания ЭПР-пары, и «скрытый механизм» мог бы это учитывать, снабжая электроны свойствами так, чтобы «подделать» квантово-механическое поведение. Обсуждались и все прочие мыслимые аспекты сопутствующих рассуждений, вплоть до «вселенско-конспирологических» теорий (см. добавления к этой прогулке), не столько для того, чтобы всерьез утверждать, что они имеют место, сколько с целью максимально точно очертить все, от чего зависит выполнение неравенств Белла и что, следовательно, оказывается кандидатом на выбывание – предположением, неважно, насколько «естественным» или «очевидным», которое в природе не выполнено. Пример другого направления мысли – обсуждение возможности, что сами измерительные приборы «некоторое время» пребывают в состоянии, описываемом суммой нескольких слагаемых, и поэтому надо внимательно отнестись к однозначности их показаний; это, в свою очередь, влияет на вычисление средних и т. п. Буквально ни одного камня не осталось неперевернутым.

Нет локальному реализму!

Скорее всего

Основной кандидат «на выбывание» – локальный реализм. Реализм – это убеждение в независимом существовании вещей. Скрытые переменные наделяют квантовые явления набором свойств, существующих вне зависимости от всяких измерений. Локальность – это отсутствие действия на расстоянии. Оба эти понятия можно уточнять разными способами, но в целом картина выглядит так, что не могут быть одновременно выполнены два условия:

1. частицы, запутанные в ЭПР-пару, обладают свойствами до и независимо от наблюдений, в которых они проявляют эти свойства;

2. любая «коммуникация» – передача информации между электронами – ограничена конечной скоростью распространения сигнала в пространстве (скоростью света, разумеется).

Главная тайна квантовой механики, возможно, связана с вопросом «локальность или реализм?» – но может оказаться, что самый правильный вопрос мы еще просто не задали.

Нарушение локального реализма получается довольно тонким в том смысле, что, как мы видели, не позволяет передавать сигналы быстрее света; даже если мы будем настаивать на реализме, признав тем самым необходимую степень нелокальности, все равно получится нелокальность, не угрожающая основным положениям специальной теории относительности[282]. Но тяга ЭПР-пар к нелокальности имеет эффектное проявление, название которого отсылает к распространенному мотиву научной фантастики – телепортации; эффект квантовой телепортации (многократно уже подтвержденный экспериментально) не позволяет отправлять грузы на Проксиму Центавра или хотя бы на Марс быстрее света, но невольно перекликается с метафорой, использованной мной в начале этой прогулки. Я говорил, что состояния квантовых систем – это что-то вроде «высказываний» или даже «идей», а обычные высказывания можно передавать по телефону. Квантовая телепортация и правда позволяет передавать квантовое состояние по телефону, причем в виде неправдоподобно короткого сообщения – ценой использования «ресурса нелокальности», которым обладают ЭПР-пары (см. добавления к этой прогулке).