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

Единственный ли это способ объяснить нелокальную случайность? Некоторые предпочитают говорить об обращении причинной связи, в том смысле, что выбор Алисы действует назад во времени на источник запутанности, который в свою очередь действует вперед во времени на квантовую систему Боба. То есть обратная причинная связь действует назад во времени, в прошлое. Она распространяется из одной точки в другую сквозь пространство, но при этом по направлению к прошлому. Лично я не сомневаюсь, что нелокальность, как и теория относительности, является источником некоторых сложностей для привычной нам концепции времени, но вывести отсюда хронологически обращенную причинную связь, которая развивается обратно во времени, представляется весьма радикальным шагом.

Я упоминаю этот подход как иллюстрацию к современным исследованиям. Вы поймете, что я предпочитаю свое собственное объяснение, которое основывается на идее нелокальной случайности, проявляющей себя в нескольких местах одновременно вне зависимости от расстояния между этими местами, но, быть может, будущее удивит меня, и следующие поколения придумают совсем другое объяснение. Но одно мы знаем точно: мы будем учитывать нелокальность. Физики никогда не прекратят великий поход с целью познать мир и когда-нибудь объяснят и это.

Таким образом, нелокальная случайность – это новый метод объяснения, который мы возьмем на вооружение наряду со всеми другими инструментами, накопленными за столетия изучения природы. И это подлинная концептуальная революция! Так как квантовая теория предсказывает существование нелокальных корреляций, у нас нет выбора, кроме как работать с ними и принять этот новый вид объяснения мира.

Квантовая нелокальность прошла долгий путь, прежде чем оказалась на центральном месте в физике. Даже сегодня многие физики отвергают термин «нелокальность»[109]. И все же еще в 1935 году Эйнштейн и Шрёдингер и некоторые другие утверждали, что этот аспект квантовой теории является ее основной чертой. Кажется, все эти недоверчивые физики не уловили того, что квантовая нелокальность не разрешает обмен информацией. Ничто не перемещается от Алисы к Бобу или от Боба к Алисе. Лишь случайное событие проявляет себя в нескольких местах способом, который не может быть описан локально, то есть нелокальным способом. Эйнштейн был неправ, говоря о «нелокальном воздействии», так как никакого воздействия Алисы на Боба или Боба на Алису попросту нет. Но он был совершенно прав, подчеркивая значимость этого аспекта квантовой теории, так как именно он лучше всего отличает квантовую физику от классической. Сегодня, когда мы хотим убедиться, что система является квантовой, мы должны показать, что с ее помощью можно производить нелокальные корреляции, другими словами, что с ее помощью можно победить в игре Белла. Сегодня нарушение неравенств Белла – это характерная черта квантового мира.

Однако это остается серьезным ударом по нашим интуитивным представлениям. Настанет ли день, когда квантовые технологии помогут нам воспринять на интуитивном уровне квантовую физику и ее нелокальность? Я бы сказал, что да. Для начала было бы полезным отбросить старомодный термин «квантовая механика», заменив его повсеместно на «квантовую физику». Ведь в этом разделе физики нет ничего механического!

Давайте еще раз подведем итоги. Мы видели, что нелокальные корреляции и существование истинной случайности очень близко связаны. Без истинной случайности нелокальные корреляции могли бы использоваться для коммуникации без передачи (и поэтому на любых скоростях). Поэтому центральная концепция этой книги утверждает существование истинной случайности и провозглашает конец эры детерминизма. Напротив, как только мы приняли существование истинной случайности, существование нелокальных корреляций больше не выглядит сумасшествием, как внушала нам классическая физика с ее упорным детерминизмом. В самом деле, если природа способна производить истинно случайные события, почему корреляции, наблюдаемые в природе, должны быть только локальными?

Влияние нелокальности на метафизику, то есть на мировоззрение, предлагаемое современной физикой, не может быть переоценено. Прошло несколько веков, прежде чем атомистический взгляд на мир утвердился в Европе. Это был мир, созданный из огромного количества атомов – крошечных невидимых бусинок, которые, соединяясь разным образом, формировали все известные нам предметы. Их случайные движения давали ощущение тепла и поставляли энергию паровым двигателям, использование которых привело к промышленной революции. В то же время в Китае этот взгляд на мир не нашел поддержки в интеллектуальных кругах. Им казалось, что в мире, полном пустоты между атомами, мы бы не видели и не слышали, так как восприятие наших органов чувств подавлялось бы пустым пространством[110]. Очевидно, что в древней китайской метафизике действие на расстоянии было вполне естественным и было свойством вселенской гармонии, которая связывала всё со всем. Квантовая физика не поддерживает такой холистический взгляд на мир. В квантовой физике не все запутано со всем и лишь некоторые редкие события коррелируют нелокальным способом. Кроме того, повторюсь, не существует причины, которая, находясь здесь, воздействовала бы на событие где-то там. Запутанность – это род «вероятностной причины», следствия которой могут проявиться в нескольких местах, не позволяя коммуникации на расстоянии. Запутанность определяет естественную склонность объектов производить те или иные коррелированные ответы на определенные вопросы. Эти ответы не предопределены, не записаны в состоянии объекта. Это просто записанная в самом состоянии объекта склонность выдавать такой-то и такой-то результат.

Лично я не считаю столь странным, что квантовый объект не должен содержать в себе все ответы на все вопросы, которые могут задать физики, а обладает лишь склонностью выдавать эти ответы. Мне кажется, что принять непредопределенность мира несложно. Мир, полный склонностей и случайных событий, но подчиняющийся хорошо определенным законам, кажется мне гораздо интереснее, чем мир, где все было предопределено в точности с самого начала времен.

Можно поспорить, однако, что нам предстоит еще многое узнать о нашем мире. В частности, мы до сих пор не понимаем, как совместить новые знания с теорией относительности Эйнштейна. Мы также не понимаем ни полную математическую структуру, ни весь потенциал практического применения в обработке информации, равно как – и это самое удивительное – пределы нелокальности: почему квантовая физика не разрешает больше нелокальности?

Последний вопрос хорошо отображает путь, который мы прошли со времен Эйнштейна, Шрёдингера и Белла. В то время вопрос стоял так: действительно ли существуют нелокальные корреляции, предсказанные квантовой теорией? Сегодня ни один физик не может в этом сомневаться. Современная проблема заключается в том, чтобы встроить квантовую теорию в теорию относительности и понять пределы нелокальности. Сегодня нам нужно изучать квантовую нелокальность извне квантовой теории. И мы работаем над этим.

Благодарности

Написав эту книгу, я думаю обо всех своих студентах и коллегах, работа с которыми вдохновляла меня. Я также хочу поблагодарить тех, кто прочел и раскритиковал первые версии, и особенно французского издателя, Николя Витковски, а также Стивена Лайла за английский перевод. Эта книга во многом результат их терпения и профессионализма. Я выражаю благодарность Fonds national suisse de la recherche scientifique и Европе за щедрое финансирование моей исследовательской лаборатории и Университету Женевы – за то, что я работаю в таком приятном месте. И наконец, я благодарю провидение за то, что я живу в такое интересное для физики время, и за возможность сделать свой скромный вклад в ее развитие.

Сноски

1

См., например, A. Aspect: John Bell and the second quantum revolution, foreword of J. Bell: Speakable and Unspeakable in Quantum Mechanics: Collected Papers on Quantum Philosophy, Cambridge University Press (2004); J. Dowling and G. Milburn: Quantum technology: the second quantum revolution, Philosophical Transactions of the Royal Society of London. Series A: Mathematical, Physical and Engineering Sciences 361, 1809, pp. 1655–1674 (2003).

2

E. Schrödinger: Are there quantum jumps? British Journal for the Philosophy of Sciences, Vol. III, p. 240.

3

Можно забыть безвыходное решение, которое заключается в отрицании понятия свободной воли, – шаг, который превращает человеческих существ в простых кукол, которыми управляет бог знает что за демон Лапласа.

4

В 2009 году Николя Жизан стал первым лауреатом престижной премии Джона Стюарта Белла, присуждаемой за исследования в области фундаментальных проблем квантовой механики и ее практического применения.