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

Глава 9

Действительно ли природа нелокальна?

Судя по тому, что мы до сих пор видели, кажется, что природа действительно может рождать нелокальные корреляции. Но ученые не отказываются от своих теорий или концепций просто так. Когда эксперимент приводит к необычным результатам, они подвергают сомнению не только теорию, но и сам эксперимент. Можно ли его воспроизвести? Правильно ли интерпретированы результаты? В нашем случае эксперимент был повторен множество раз во всех вариациях на каждом из континентов. И все же мы увидим: очень трудно быть уверенным, что исключены действительно все возможные альтернативные интерпретации, притом что сегодня научное сообщество вполне убеждено, что фактически природа нелокальна.

В этой главе я расскажу обо всех научных спорах, которые вели ученые, чтобы в итоге прийти к убеждению, что нужно оставить все надежды описать природу через хорошо локализованные и взаимно независимые «элементы реальности». Любая картина природы, построенная по принципу дома из конструктора Lego, несовместима с нелокальностью, которую мы обнаружили в игре Белла. Читатели, которые уже достаточно убеждены в этом и не хотят продираться сквозь представленные далее научные споры, могут сразу перейти к главе 10.

Нелокальность во времена Ньютона

Начнем с другого примера. Как мы уже знаем, это не первая в истории встреча физиков с нелокальностью. Великая теория всеобщего тяготения Ньютона тоже была нелокальной. Согласно этой теории, если мы передвинем камень на Луне, это немедленно отразится на нашем весе на Земле. Этот мгновенный, невзирая на расстояние, эффект явно нелокален. Но, в отличие от квантовой нелокальности, этот нелокальный эффект может использоваться для коммуникации без передачи информации на произвольно высоких скоростях. Вы можете спросить: как же физики принимали эту теорию на протяжении веков? Правда в том, что они ее так никогда и не приняли. Собственная реакция Ньютона говорит обо всем (см. справку 1): «Предполагать, что тяготение […] может действовать […] на любом расстоянии […] это, по-моему, такой абсурд, который немыслим ни для кого, умеющего достаточно разбираться в философских предметах».

Только после появления работ Лапласа несколькими десятилетиями позже некоторые мыслители подняли теорию Ньютона до положения высшей истины и вывели из нее абсолютную форму детерминизма, практически отождествив с последним науку. Отношение Ньютона к своему детищу было в корне иным, чем у Нильса Бора, духовного отца квантовой механики, который своим настойчивым утверждением о полноте квантовой теории подмял под себя целое поколение физиков. Доводы Эйнштейна, которые он выдвинул очень быстро, чтобы показать, что квантовая теория нелокальна, Бор пренебрежительно парировал. Кто знает, быть может, именно поэтому какой-нибудь молодой физик не пришел к доказательству Белла еще в 1930-е годы. Но оставим эти догадки и вернемся к делу.

Сегодня ньютоновская нелокальность исчезла из теоретической физики. Общая теория относительности Эйнштейна заменила ньютоновскую, и сегодня последнюю можно считать лишь очень хорошей аппроксимацией. Согласно современной теории, перемещение камня на Луне действительно повлияет на наш вес, но лишь через секунду с лишним – то есть через время, необходимое для прохождения сигнала со скоростью света от Луны к Земле.

Напоминание о ньютоновской нелокальности уместно здесь по двум очень разным причинам. С одной стороны, кто-то может задать вопрос, не является ли точно так же квантовая нелокальность лишь временной концепцией, так что в будущем ее заменит другая теория, которая докажет, что корреляции, благодаря которым мы выигрываем в игре Белла, могут иметь локальное в пространстве и времени объяснение и что квантовая теория – это просто хорошее приближение. На этот вопрос можно смело дать отрицательный ответ. Мы видели, что аргументация Белла не опирается на квантовую теорию и дает нам возможность проверить нелокальность непосредственно. И раз мы выигрываем в игру Белла, природу нельзя полностью описать локальной теорией, какой бы она ни была.

С другой стороны, удивительно осознавать, что физика почти всегда давала нам нелокальное описание мироздания. Мы жили с ньютоновской нелокальностью вплоть до 1915 года – и с квантовой нелокальностью начиная с 1927 года. Следовательно, физика всегда была нелокальной, за исключением этого небольшого отрезка в двенадцать лет!

Удивительно, но даже сегодня многие физики неохотно принимают нелокальность. Эйнштейн ожидаемо был бы одним из самых ревностных ее критиков. Ведь именно он спустя несколько столетий сумел наконец дать ответ на вопрос Ньютона и вернул физику в русло локальности. И то, что уже через двенадцать лет другая теория опять впустила нелокальность в саму суть физики, было для него невыносимым ударом. Какая жалость, что в 1930–1940-е годы никому в голову не пришла блестящая идея, которая позже озарила Белла. Хотел бы я посмотреть на реакцию Эйнштейна!

Лазейка недостаточной выборки

В игре Белла каждый раз, когда джойстик передвинут в положение «влево» или «вправо», прибор выдает результат. Но в реальном эксперименте такого рода фотон иногда теряется[60] или не попадает на детекторы, и в этом случае результат не фиксируется. Физики очень хорошо понимают, почему некоторые фотоны теряются и чем ограничена эффективность детекторов элементарных частиц. Тем не менее имеет место различие между теоретической игрой и исходом реального эксперимента.

На практике физики рассматривают только те случаи, когда оба прибора (Алисы и Боба) произвели некий результат, а остальные случаи просто игнорируют. Они полагают, что та выборка, которую им таким способом удается получить, с достаточной достоверностью представляют полную совокупность частиц, и подкрепляют это убеждение мыслью о том, что природа не жульничает, другими словами, не подсовывает нам смещенную выборку. Звучит убедительно, но так как это всего лишь допущение, мы должны учитывать, что здесь может прятаться какой-то способ уйти от нелокальности.

Представим, что приборы Алисы и Боба работают по следующей схеме. Ровно в девять утра каждый из них выдает результат только в том случае, если джойстик сдвинут влево (входной сигнал 0), и в этом случае оба результата равны 0. Если джойстик одного из приборов был смещен вправо, этот прибор просто не отвечает. В следующую минуту приборы выдают результат только в том случае, если джойстик наклонен вправо (входной сигнал 1), и в этом случае они дадут ответ 1 для Алисы и 0 для Боба. Так продолжается и дальше, и каждую минуту каждый из приборов отвечает на единственный вопрос и дает предопределенный ответ.

Если мы имеем два сговорившихся прибора и если мы рассматриваем только те случаи, когда по счастливой случайности оба прибора сработали и выдали результат, то мы можем выиграть четыре раза из четырех! В самом деле, все происходит так, как будто приборы знают вопросы заранее, поскольку они отвечают только на те вопросы, на которые они готовы (запрограммированы) отвечать. Так как у нас всего два возможных вопроса, то вероятность получить правильный вопрос чисто случайно составляет 50 % для каждого из приборов. Поэтому если в нашем эксперименте половина фотонов с каждой стороны потерялась или ускользнула от детекторов, то несложно осуществить стратегию, которая позволит «выигрывать» гораздо чаще, чем три раза из четырех. Можно даже «выиграть» с полной уверенностью. Здесь я ставлю «выиграть» в кавычки, потому что мы все-таки жульничаем. Приборы отвечают не всегда.

Возможно ли, что какие-то дополнительные локальные переменные «программируют» фотоны так, что те игнорируют определенные вопросы, то есть не оставляют следов на детекторах? Большинство физиков смотрит на эту гипотезу с крайним скепсисом. Они считают, что очень хорошо понимают, как работают детекторы фотонов. Вдобавок эксперименты проводились с самыми разными типами детекторов: полупроводниковыми, тепловыми и прочими. Но если размышлять о гипотезе дополнительных переменных серьезно, то нет причин полагать, что эти переменные никак не могут влиять на вероятность фиксации частицы детектором. Здесь лучший ответ снова дает эксперимент, но ни в одном эксперименте нам не добиться стопроцентной эффективности детекторов. Одна из стратегий, позволяющая обойти эту трудность, – это принять за правило, что если физическое устройство не дает ответа, то мы считаем это ответом 0. Тогда мы будем получать ответ всякий раз, но нули будут составлять большинство.

Можно показать, что с такой стратегией в игре Белла достаточно обнаружить 82,8 % фотонов, чтобы исключить любое объяснение, основанное на существовании дополнительных переменных (см. справку 10). Однако 82,8 % – это слишком высокий показатель при существующих технологиях. К счастью, в игре Белла можно работать не только с фотонами. Две группы физиков из США использовали в экспериментах ионы (атомы, потерявшие один или несколько электронов) и победили в игре Белла с достаточным запасом, чтобы прикрыть эту лазейку[61]. Чтобы справиться с ней, понадобилось более двадцати лет, что наглядно иллюстрирует технические трудности, с которыми нам пришлось столкнуться в этих экспериментах.