Убийца теории скрытых параметров

 

Джон Клаузер был молодым физиком-теоретиком, которого только что взял на работу в Калифорнийский университет один из изобретателей лазера Чарльз Таунс[212]. Клаузер сказал Таунсу, что хочет экспериментально продемонстрировать ситуацию, в которой теория скрытых параметров лучше всего объясняет физические результаты, а копенгагенская интерпретация неверна. Таунс проконсультировался с Юджином Комминсом – профессором, разработавшим экспериментальные методы наблюдения явления, которое мы сегодня называем запутанностью, и они договорились совместно поддержать задуманное исследование. Большую часть практической работы должен был проделать аспирант Комминса Стюарт Фридман.

Фридман и Клаузер планировали поискать результат действия скрытых параметров в фотонном излучении, испускаемом группой атомов кальция; именно такой выбор объектов предложил им Эйвинд Вихман – великий теоретик, всегда, кажется, чуравшийся споров (это мое мнение). Исследователи собирались измерить поляризацию – то есть ориентацию двух фотонов, испущенных одним и тем же атомом кальция. Эти фотоны должны быть схожи, но сходство, предсказанное квантовой теорией, отличается от аналогии, прогнозируемой теорией скрытых параметров. Чуть позже я покажу это более подробно.

Я знал и Фридмана, и Клаузера (я тогда был в Беркли сначала аспирантом, а затем научным сотрудником), и мне этот их проект представлялся устрашающе сложным. Опущу это и буду считать, что оба фотона, излученные кальцием, обладают не просто схожей, а идентичной поляризацией. Я буду считать также, что все фотоны вылетают из одной и той же точки, а атомы не двигаются (в реальном эксперименте это не так). Еще возьму за аксиому, что два интересующих нас фотона излучаются в строго противоположных направлениях, а оптическая схема проста и не подвержена аберрациям. Пусть внешнее возбуждение атомов с целью заставить их излучать фотоны не дает никакого дополнительного излучения, которое могло бы привести к зашумлению детекторов, и никаких случайных или паразитных отражений тоже нет. Я буду считать также, что детекторы регистрируют фотоны со 100 %-ной надежностью вместо реальных 20 %. Эти упрощения позволят точно отобразить суть эксперимента, хотя он покажется обманчиво простым (по крайней мере, куда более простым, чем на самом деле).

Согласно теории скрытых параметров (с моими упрощениями), два фотона, испущенные кальцием, разлетятся в противоположные стороны, но с одинаковой, хотя и неизвестной, поляризацией. Под поляризацией подразумевается пространственная ориентация электрического поля фотона; она перпендикулярна направлению его движения, но может быть вертикальной, горизонтальной или промежуточной. Многие солнечные очки снабжаются фильтрами, которые не пропускают горизонтально поляризованный свет – именно такой отражается от горизонтальных поверхностей и бликует. Если вы повернете свои очки на 90°, то (если очки хорошие) все горизонтально поляризованные блики будут проходить сквозь них и вы увидите множество бликов. Поверните очки на 45°, и сквозь них пройдет половина. Кроме того, поляризующие очки использовались для просмотра 3D-фильмов; в них один глаз видел только горизонтальный свет, а другой глаз – только вертикальный. Если проецировать на экран две по-разному поляризованные картинки, каждый глаз будет видеть свое изображение, что и даст в целом 3D-эффект[213]. Вне кинотеатра такие очки работали бы плохо – они же отсекают блики только для одного глаза.

Вернемся к эксперименту Фридмана−Клаузера. Представьте, что два фотона разлетаются от атома кальция в противоположных направлениях. Вы помещаете с обеих сторон по детектору и ставите перед каждым поляризатор. Ориентируете поляризаторы перпендикулярно один к другому. Если оба фотона поляризованы вертикально, то только передний пропустит свет и только передний детектор что-то зарегистрирует. Если оба фотона поляризованы горизонтально, то что-то зарегистрирует только задний детектор. Если оба фотона имеют поляризацию под углом 45°, у каждого детектора будет 50 %-ный шанс на обнаружение соответствующего фотона. То есть для таких «наклоненных» фотонов существует 25 %-ная вероятность, что оба детектора одновременно зарегистрируют по фотону[214].

Поразительно, но это предсказание теории скрытых параметров, а не квантовой физики. В квантовой физике «наклоненный» фотон содержит две компоненты (амплитуды) – для вертикальной и горизонтальной составляющих поляризации. Эти две амплитуды – как для мертвого и живого кота; ситуация представляет собой не какую-то промежуточную смесь, а суперпозицию двух возможностей. Когда один фотон попадает в поляризатор – скажем, вертикальный, – проходит сквозь него и регистрируется, амплитуда второго фотона мгновенно меняется. Горизонтальная компонента его волновой функции исчезает – коллапсирует, оставляя одну только вертикальную компоненту. А поскольку второй детектор горизонтальный, фотон сквозь него не пройдет.

Каким бы ни был угол поляризации, как только один из двух фотонов обнаружен, волновая функция мгновенно схлопывается, и поляризация второго фотона уже никогда не сможет пройти сквозь второй поляризатор, перпендикулярный первому. То есть результат будет одинаковым вне зависимости от угла поляризации. Вывод: вы никогда не получите совпадения! Таково квантовое предсказание для этого идеализированного эксперимента. Теория скрытых параметров предсказывает, что при усреднении по всем углам 12,5 % результатов должны составить совпадения.

Предположим, что два наши поляризатора располагаются на расстоянии в несколько – а может, и в миллион – километров друг от друга. В квантовой теории, как только один фотон обнаружен, одна из амплитуд обязательно коллапсирует, исчезнет, мгновенно, всюду, даже за миллион миль от этого места. Именно это Эйнштейн называл жутким дальнодействием.

Более того, если оба поляризатора вертикальны, квантовая теория предсказывает, что любое событие даст совпадение. Половина фотонов пройдет сквозь поляризатор, но всякий раз при прохождении первого фотона второй поляризатор тоже будет пропускать свой фотон. Классическая теория предсказывает, что многие фотоны не дадут совпадений; к примеру, если угол поляризации составит 45°, лишь 1/4 событий пройдут сквозь оба поляризатора и, соответственно, регистрацию на обоих детекторах.

Фридман и Клаузер опубликовали эти результаты в 1972 году. Квантовая теория и копенгагенская интерпретация верно предсказали экспериментальные результаты. Теория скрытых параметров была опровергнута. Этого было почти достаточно, чтобы заставить поверить в привидения. К несчастью, в 1955 году Эйнштейн умер. Жуткое дальнодействие удалось наблюдать в лаборатории. Убедительно.

Клаузер был удручен. По версии Брюса Розенблюма и Фреда Каттнера (Кюттнера) (приведенной в их книге Quantum Enigma [ «Квантовая загадка»]), Клаузер сказал: «Мои собственные… тщетные надежды об опровержении квантовой механики были разбиты вдребезги этими данными».

Фридман и Клаузер показали, что Эйнштейн ошибался. Очень мало кому в нашем мире это удалось. Их работу продолжил и усовершенствовал Ален Аспе[215]; ему удалось разобраться с некоторыми возможными прорехами, на которые указали скептики-квантоненавистники. Розенблюм и Каттнер однозначно заявили, что, по их мнению, эта работа достойна Нобелевской премии. Я с ними согласен. Фридман и Клаузер экспериментально проверили копенгагенскую интерпретацию – фундаментальное предположение квантовой физики; ученые выяснили, что она лучше подхода, связанного со скрытыми параметрами; кроме того, они вместе с Комминсом положили начало современному увлечению таким явлением, как квантовая запутанность. Подозреваю, что их эксперимент не привлек более широкого внимания только потому, что большинство физиков просто не заморачивались этой проблемой. Они изо всех сил старались не думать об этом, чтобы не сойти с ума.

 

Запутанность

 

Эксперимент Фридмана−Клаузера – самый яркий пример явления, широко известного в настоящее время как запутанность. Регистрируются две частицы, находящиеся далеко друг от друга, но имеющие общую волновую функцию. Можно сформулировать и иначе: их индивидуальные волновые функции (если вам нравится представлять их отдельными) спутаны между собой. В момент регистрации частицы могут находиться одна от другой на расстоянии метр, 100 метров или 100 километров, но регистрация одной из них мгновенно повлияет на регистрацию второй. Это моментальное дальнодействие – нелокальное поведение, не похожее ни на один из вариантов, которые можно было увидеть в прежних теориях.

Положение о том, что электрическое, магнитное и гравитационное поля не могут меняться быстрее скорости света, как и надлежит в соответствии с принципом причинности, никуда не делось. Однако квантовое дальнодействие скрыто в волновой функции или каком-то другом призрачном квантовом свойстве, незаметно присутствующем за кулисами. Дальнодействие происходит мгновенно, несмотря даже на то, что, согласно Эйнштейну, мгновенно (или даже одновременно) в разных системах отсчета может означать разные вещи.

Нам не нужны непременно две частицы, чтобы квантовая физика нарушала законы относительности. Это происходит и в том случае, когда волновая функция одиночного электрона коллапсирует бесконечно быстро при его регистрации. Но термин запутанность обычно приберегается для случаев, когда волновая функция содержит две или более частиц. Мне кажется, это потому, что случай с двумя частицами представляется более вопиющим.

Если бы Эйнштейн был жив, когда Фридман и Клаузер опубликовали свои результаты, думаю, их эксперимент убедил бы его. Великий ученый понял бы, что скрытые переменные не заслуживают его любви, а копенгагенская интерпретация верна. Он убедился бы в этом, но был бы страшно расстроен. Эйнштейн все-таки жаловался, что копенгагенская интерпретация говорит о неполноте квантовой физики. Абсолютно полное знание прошлого не позволяет верно предсказать будущее. Должна существовать теория получше.

Позже я постараюсь доказать, что не только квантовая теория неполна, но и вся физика, а возможно, и вся наука вообще, фундаментально неполна.

 

Связь быстрее света

 

Интересно, можно ли использовать коллапс волновой функции для передачи мгновенных сигналов на произвольные расстояния? Реально ли применить двухфотонный метод Фридмана−Клаузера, чтобы переслать информацию от одного поляризационного устройства к другому быстрее скорости света? Думая об этом, многие полагают, что должен существовать какой-то способ. Не исключено, что я мог бы подать какой-то сигнал, просто пытаясь зарегистрировать один из этих фотонов – или наоборот, не предпринимая такой попытки. Но если поразмыслить об этом как следует, станет понятно, что передать какой бы то ни было сигнал таким образом невозможно. На удаленном детекторе половина фотонов все же будет наблюдаться, но человек в этой локации не сможет получить из них никакой информации. Зарегистрированные фотоны будут выглядеть как случайная выборка из всех прибывающих фотонов. У удаленного экспериментатора не будет никакой возможности понять, что результаты его измерений каким-то образом коррелируют с вашими.

Вероятно, я мог бы отправить сообщение, изменив ориентацию своего поляризатора? Нет, это не работает. Обнаруженные в удаленной локации фотоны все равно будут казаться случайными. При этом они не случайные на самом деле; они будут коррелировать с фотонами, которые регистрирую я, а их характеристики зависят от ориентации моего поляризатора, но выглядеть они все равно будут как случайные. Попытка передать таким образом информацию терпит неудачу, потому что экспериментаторы никак не могут контролировать момент регистрации частицы.

Все попытки разобраться, как использовать коллапсирующую волновую функцию для мгновенной передачи сигнала, до сих пор провальны. Попытайтесь сами придумать такой способ – но не тратьте на это слишком много времени. Сегодня мы точно знаем, что ваши усилия ни к чему не приведут. В 1989 году была доказана теорема о невозможности передачи информации[216], которая показывает, что если правила квантовой физики и копенгагенская интерпретация верны, то невозможно передать какую бы то ни было информацию с использованием коллапса волновой функции – ни со сверхсветовой скоростью, ни с какой-то иной.

Интересно, смягчила бы эта теорема возражения Эйнштейна против квантовой теории? Она показывает, что никакая измеримая величина не нарушает законов относительности; это возможно только для волновой функции, которая измерению не поддается. Подозреваю, что это его не успокоило бы. Присутствие в теории какой бы то ни было структуры, нарушающей принципы относительности, внушает опасение, даже если эта структура необнаружима. Кроме того, никуда не делась неполнота квантовой теории; она по-прежнему содержит элемент случайности (Бог бросает кости), подрывающий физику, по твердому убеждению Эйнштейна.

Работа над теорией измерений продолжается. В главе 21 я рассказываю про теорему о запрете клонирования, которая гласит, что невозможно продублировать неизвестную волновую функцию, не разрушив ее. Это не позволяет нам изготовить несколько тысяч копий одной и той же волновой функции, а потом исследовать их последовательно чуть разными способами, чтобы подробно разобраться в структуре этой волновой функции. Такая структура находится за рамками наших измерительных возможностей. Именно поэтому волновая функция навсегда останется призрачной.

 

«Костыли»

 

Долгое время в начале своей карьеры я твердо знал, как нужно поступать с жутким дальнодействием. Я просто верил, что волновая функция – это костыль, нечто определенно полезное при размышлениях о квантовой физике, но, вообще говоря, ненужное. Хотелось думать, что когда-нибудь будет создана теория, позволяющая обойтись без нее, – теория, в которой вообще не будет коллапсирующей волновой функции. Однако эксперимент Фридмана−Клаузера безжалостно разрушил мои надежды. Регистрация на одном поляризаторе влияет на регистрацию на втором, несмотря на то, что эти два события не «связаны» скоростью света, и несмотря даже на то, что происходят они невероятно далеко – поэтому ответ на вопрос, которое из двух событий произошло первым, зависит от выбора системы отсчета. Жуткое дальнодействие – не просто составная часть теории: это составная часть реальности.

«Костыли» в физике известны давно. Это концепции, которые были введены специально, чтобы облегчить первоначальное понимание и принятие какой-то теории, но позже отставлены как ненужные и, возможно, внушающие ложные представления. Джеймс Максвелл в своей электромагнитной теории представил, что пространство заполнено крохотными механическими шестеренками, передающими радиоволны и свет. Может быть, Максвелл действительно так себе это представлял. Или для него это был всего лишь удобный способ передать концепцию электромагнетизма другим физикам, прекрасно разбиравшимся в механике, но недолюбливавшим новомодную абстрактную концепцию «поля», которое распространяется по пустому в остальном пространству.

Сегодня на оригинальные диаграммы Максвелла ссылаются разве что для развлечения, чтобы показать студентам: смотрите, даже великий теоретик может рисовать глупые картинки. Но если свет – это волна, то что выступает в роли ее переносчика? В какой среде эта волна распространяется? Вскоре был придуман новый «костыль» – эфир, вещество, колеблющееся при распространении электромагнитных волн. Концепция эфира была скомпрометирована в 1887 году, когда Майкельсон и Морли не сумели обнаружить эфирный ветер. Эйнштейн в теории относительности показал, что подобное движение зарегистрировать невозможно, потому что скорость света постоянна и одинакова во всех направлениях. В каком-то смысле эфир похож на квантовую волновую функцию: его тоже невозможно наблюдать.

В нынешней квантовой теории по-прежнему полно мгновенно коллапсирующих волновых функций. Пользы от них никакой; увидеть или еще как-то зарегистрировать их нельзя; использовать для передачи информации невозможно. Создается впечатление, что какой-то космический цензор тщательнейшим образом отделяет их от настоящей реальности. (Если помните, в главе 7 я рассказывал о цензуре черной дыры, которая разрешает время «за пределами вечности».) Думаю, в один прекрасный день мгновенно коллапсирующие волновые функции окажутся ненужными для расчетов – и будут забыты. И этот день еще не настал, поскольку мы пока не нашли способа проводить расчеты без них[217].

Но эксперимент Фридмана−Клаузера позволяет предположить, что проблема причинности никуда не денется вне зависимости от использования или неиспользования волновых функций. Результаты одного эксперимента могут повлиять на результаты другого, далекого эксперимента со скоростью, превышающей скорость света.