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

Такой эксперимент пока не проводился по причине исключительной сложности. Чтобы закрыть лазейку недостаточной выборки, больше подходят массивные частицы, ведь их легче поймать, чем фотоны, а для лазейки недостаточного расстояния предпочтительны фотоны, так как они лучше распространяются на большие расстояния. Видимо, нам нужно дождаться более совершенной технологии, при помощи которой мы сможем сначала использовать запутанные фотоны для переноса запутанности на большие расстояния, а затем телепортировать эту запутанность на атомы – в первую очередь, чтобы проверить, что фотоны действительно прибыли в место назначения, но для того, чтобы надежно их зафиксировать. Очень вероятно, что такая увлекательная возможность станет реальностью в ближайшие три года.

Но пока факты таковы, что логически возможная комбинация ловушек все еще остается, и ее нужно проверить.

Скрытая сверхсветовая коммуникация

Есть ли другой выход? Вопрос сложный, потому что всегда есть риск продемонстрировать недостаток воображения. В то же время мы видим, что физики, философы, математики и специалисты по теории информации пытались ответить на этот вопрос в течение десятилетий, но так и не нашли подходящую альтернативу. Тем не менее в оставшейся части этой главы мы рассмотрим некоторые возможности.

Первое, что приходит на ум, – это какое-то скрытое воздействие, скрытое от глаз физиков начала XXI века, которое распространяется от Алисы до Боба со скоростью выше световой. Удивительно, но именно так учебники по нерелятивистской физике объясняют эксперименты Белла: утверждается, что измерение, сделанное Алисой, должно повлечь нелокальный коллапс волновой функции на стороне Боба. Такое объяснение противоречит теории относительности, но пока не нашлось ничего лучше, именно так мы учим наших студентов!

Кстати сказать, Джон Белл допускал скрытое взаимодействие, говоря, что все происходит так, как будто «имеет место что-то вроде заговора – нечто тайное происходит за кулисами, но ему не позволено появиться на сцене»[67].

Сверхсветовая скорость может быть определена только в том случае, если мы решим указывать ее относительно некоей особой, привилегированной инерциальной системы отсчета. Напомним, что инерциальная система отсчета – это выбор пространственных осей координат, движущихся с постоянной скоростью.

Предположение о том, что существует привилегированная система отсчета, идет вразрез с духом теории относительности, и поэтому большинство физиков считают ее богохульной. Однако гипотеза о привилегированной системе отсчета на самом деле не противоречит теории относительности. Вспомним, что современная космология оперирует именно с такой системой отсчета, определяя ее после Большого взрыва и связывая с центром массы Вселенной. Физики смогли измерить ее с исключительной точностью – это та система, в которой микроволновой фоновый шум (реликтовое излучение, рудимент Большого Взрыва, по сей день заполняющее Вселенную) изотропен. Относительно этой системы отсчета Земля движется[68] со скоростью около 369 км/с. Направление движения Земли также хорошо определено.

Поэтому не нужно сразу отбрасывать гипотезу об особой инерциальной системе отсчета, в которой «воздействие» может распространяться быстрее скорости света. Но смогла бы она дать некое объяснение нелокальным корреляциям? Если да, то эти корреляции сразу перестали бы быть нелокальными, ведь им было бы найдено локальное объяснение, а именно: механизм распространения последовательно из точки в точку пространства. Но как нам проверить эту гипотезу, если неизвестно, что это за гипотетическая особая система отсчета? Основная идея эксперимента будет такой же, как для лазейки недостаточного расстояния: Алиса и Боб должны принять решения и собрать результаты одновременно в такой степени, чтобы никакое гипотетическое влияние не могло успеть прибыть. Для этого нужно либо увеличить расстояние, либо улучшить синхронизацию. Сложность в том, что нужно указать систему отсчета, в которой действия Алисы и Боба должны быть синхронны, потому что, согласно теории относительности, если они синхронны в одной системе отсчета, существуют другие, в которых они совсем не синхронны. При скоростях меньших или равных скорости света эта проблема исчезает, так как если синхронизация такова, что свет не успевает дойти в одной системе отсчета, то он не успеет дойти ни в какой другой. Но для более высоких скоростей нам нужно определить систему отсчета, в которой нужно синхронизироваться Алисе и Бобу.

Швейцарский физик Филипп Эберхард, работающий в Национальной лаборатории имени Лоуренса вблизи Беркли, в Соединенных Штатах, придумал блестящий способ тестирования всех возможных гипотетических систем отсчета сразу. Его идея обескураживающе проста. Любопытный читатель найдет ее краткое изложение в справке 11. Скажем просто, что этот способ использует вращение Земли за 24 часа и требует, чтобы Алиса и Боб располагались вдоль оси восток – запад.

Такой эксперимент был проведен моей группой между двумя деревнями, лежащими в восемнадцати километрах друг от друга: Сатиньи к западу и Жюсси к востоку от Женевы. Эксперимент длился двенадцать часов, то есть то время, которое требуется Земле для полуоборота, и был повторен четыре раза[69]. Похожий эксперимент провела итальянская группа[70]. Интерпретация результатов этих экспериментов несколько осложнена, потому что она зависит от скорости Земли относительно гипотетической привилегированной системы отсчета, а эта скорость нам, конечно неизвестна. Если принять, что эта скорость ниже чем скорость Земли относительно центра масс Вселенной, то эксперимент исключает любое взаимодействие на скоростях вплоть до пятидесяти тысяч скоростей света. Это уже совершенно колоссальная скорость, намного больше, чем большинство из нас может себе представить, и физики заключили, что такого взаимодействия не может быть. Поэтому представляется, что не существует никакого «призрачного действия на расстоянии», если цитировать знаменитый комментарий Эйнштейна. Повторюсь: кажется, что нелокальные корреляции проникают в наше пространство-время откуда-то извне.

Но скорости, в пятьдесят тысяч раз большей, чем скорость света, может быть не достаточно. Возможно, нам придется повторять эксперимент с большей точностью, чтобы исключить и скорости в миллион раз выше скорости света. Вспомним, что скорость света выше, чем скорость звука в воздухе, примерно в миллион раз (340 м/с против почти 300 000 км/с), так почему следующий рубеж скорости не может быть также в миллион раз выше?

Справка 11. Эксперимент Сатиньи – Жюсси. Представим себе, что Алиса и Боб расположились на оси «восток – запад» и что их измерения одновременны согласно их часам, то есть они одновременны относительно системы отсчета, двигающейся вместе с Женевой. Так как Земля вращается вокруг своей оси, женевская система отсчета все время изменяется, но эти изменения очень медленны и пренебрежимо малы за время, затраченное на измерение. Согласно теории относительности, в этом случае измерения Алисы и Боба также одновременны относительно любой инерциальной системы отсчета, двигающейся в направлении, перпендикулярном к оси Алиса – Боб. То есть относительно любой системы отсчета, которая двигается в плоскости, проходящей через Северный и Южный полюса. За двенадцать часов, пока Земля делает половину оборота вокруг своей оси, эта плоскость также сделает полуоборот и покроет все пространство. Поэтому если Алиса и Боб будут играть в игру Белла в течение двенадцати часов и если такая привилегированная система отсчета существует, то в какой-то момент времени их измерения окажутся в точности одновременны относительно этой особой системы отсчета. И если Алиса и Боб продолжат выигрывать более, чем три раза из четырех, то объяснение через сверхсветовую коммуникацию, отнесенную к особой системе отсчета, будет фальсифицировано. На практике нельзя добиться точной синхронизации, так как при проведении оси «восток – запад» будет допущена некоторая ошибка, да и временем, необходимым для проведения эксперимента Белла, нельзя совершенно пренебречь. Поэтому такие эксперименты могут лишь установить нижний предел скорости для гипотетического сверхсветового действия.

Мы можем также рассмотреть воздействие, способное распространяться на бесконечной скорости, опять же определенной относительно какой-то привилегированной системы отсчета. Математически это возможно, что и показал Дэвид Бом в 1952 году[71] (в год моего рождения). Однако эта гипотеза предполагает, что воздействия могут мгновенно соединять произвольные области пространства. Но тогда что такое пространство, если воздействия могут мгновенно соединять произвольные удаленные друг от друга области? В известном смысле принять такие воздействия как объяснение нелокальных корреляций – все равно что признать, что на самом деле они распространяются не в нашем пространстве, а следуют какому-то «черному ходу» нулевой длины вне его. Объяснительная сила такой гипотезы кажется мне слабой[72]. Немногие физики интересуются этой альтернативой, но нужно сказать, что ей сочувствуют многие философы.