Вселенная! Курс выживания среди черных дыр, временных парадоксов, квантовой неопределенности - Дэйв Голдберг

Это свойство спина нам понадобится в нашей запутывательной машине. В середине у нее есть комната, где то и дело мы создаем пару из электрона и его злобного близнеца – античастицы позитрона[55], которая устроена так, что их спины всегда противоположны. Затем электрон по длинной трубе отправляется налево, где Брайан присоединил маленький детектор, а позитрон летит направо, к Герману, где тоже стоит такой же детектор. Детектор состоит из магнита, который используется для измерения спина электрона или позитрона. Чтобы нам с вами не путаться в бесконечных «вверх-вниз» и «вправо-влево», настроим детектор Брайана так, что если у электрона спин вверх – загорается зеленая лампочка. Если спин вниз – загорается красная. Детектор Германа работает в точности наоборот.

Оба детектора настроены на «вверх-вниз», как на рисунке, и исследователи начинают испускать множество пар, состоящих из электрона и позитрона. И в каждом эксперименте, когда Брайан видит зеленый свет (электрон со спином вверх), Герман тоже видит зеленый свет (позитрон спином вниз). А когда Брайан видит красный свет, Герман тоже видит красный.

На первый взгляд ничего особенного. Можно легко представить себе подобный же случай, в котором мы заменим нашу запутывательную машину автоматом, который делает пары белых и черных шариков. Если Брайан получает белый, он будет знать, не глядя, что у Германа шарик черный, и ему не надо звать дядюшку, чтобы убедиться в этом. Однако копенгагенская интерпретация квантовой механики говорит другое. В квантовом мире за миг до того, как Брайан измерит спин своего электрона, этот спин был направлен и вверх, и вниз, и пока Брайан его не измерил, он «не решил», куда он будет направлен – вверх или вниз. На этом месте Эйнштейн и начал горячо возражать против всей затеи. Согласно его аргументации, возможностей только две.

1. В момент, когда электрон Брайана или позитрон Германа вылетает из центральной камеры, нет абсолютно никакого способа узнать, какой у них спин, и этого не знает даже Вселенная. Однако (и в этом и состоит главный вопрос Эйнштейна) две частицы каким-то образом способны в точности одновременно решить, каким спином они хотят обладать. Скажем, Брайан делает оценку за наносекунду до Германа. Тогда за эту наносекунду электрон Брайана должен сообщить позитрону Германа, какой у него должен быть спин. Но беда в том, что электрон и позитрон очень далеко друг от друга, а передать информацию им нужно мгновенно, даже если для этого сигнал должен идти быстрее света.

Это и есть ЭПР-парадокс. Если спин (а на самом деле любое другое измеряемое явление в квантовой механике, в том числе и кот) действительно случаен, значит, сигнал придется послать со скоростью больше скорости света. Даже если глава 1 не оставила в вас никаких следов, вы должны нутром чуять, что это невозможно.

2. Эйнштейн предложил другой вариант: электрон (и позитрон) все это время знал, какой спин выбрать. Единственными, кто не был посвящен в эту тайну, были Бломберги, которые проделывали этот опыт. Эйнштейн и его команда говорили, что реальность не может сводиться к числам, которые мы непосредственно измеряем. Это он называл «скрытыми переменными», и если вам это словосочетание смутно знакомо, не удивляйтесь. В главе 2 мы показали, что копенгагенская интерпретация квантовой механики вызывает мучительные вопросы даже в середине ХХ века, а идея скрытых переменных Эйнштейна составила основу причинной интерпретации квантовой механики Бома. В сущности, Эйнштейн утверждает, что Вселенная знает ответ – просто физики еще не сообразили, как этот ответ получить.

Здравый смысл подсказывает, что второй вариант более корректен, и Эйнштейн сделал его своим оружием в великом споре. С другой стороны, здравый смысл нас уже неоднократно обманывал. Нам нужно экспериментальное подтверждение. Возражения Эйнштейна против квантовой механики около 30 лет оставались важной, но недоказуемой гипотезой. В некотором смысле это хорошо. Это значит, что для большинства вычислений неважно, что на самом деле правда – «скрытые переменные» Эйнштейна или абсолютная случайность: результаты все равно получаются одни и те же.

Однако, как выясняется, Вселенная, управляемая «скрытыми переменными», будет вести себя совсем не так, как случайная вселенная, и в 1964 году Джон Белл, который тогда работал в Стэнфордском университете, нашел критерии, позволяющие определить, случайна в основе своей Вселенная или нет. Хотя «неравенство Белла» принадлежит к сфере математики, мы можем пояснить суть проверки, построив «машину реальности», точные технические характеристики которой вы найдете в конце этой главы. Если вы хотите получить суперпопулярное объяснение, то суть вот в чем: если Брайан и Герман ориентируют свои детекторы случайным образом и много-много раз запустят свой генератор электронов и позитронов, то эйнштейновская картина «скрытых переменных» потребует, чтобы они увидели один и тот же цвет лампочек на своих детекторах больше половины раз. А копенгагенская картина квантовой механики, с другой стороны, предсказывает, что это будет ровно половину раз.

Миновало почти двадцать лет с тех пор, как Белл описал метод, позволяющий различить эйнштейновские представления и копенгагенскую интерпретацию, но воплотить его идею было технологически невозможно. Лишь в 1982 году Алан Эспект и его сотрудники построили устройство, которое сильно напоминало нашу «машину реальности», и проверили ЭПР-парадокс. Они обнаружили, что цвета совпадают в точности в половине случаев. Иначе говоря, победила копенгагенская интерпретация. Электроны вели себя не так, как надеялся Эйнштейн, – не так, словно их заранее запрограммировали.

У этого есть несколько странных следствий. Выходит, что если мы измерим спин запутанного электрона, соответствующий позитрон вынужден будет принять противоположный спин быстрее скорости света! Думаете, это чушь? Эйнштейн даже называл это «жутковатым дистанционным воздействием». Не ворчите. Нам не нужно выплескивать вместе с водой и ребенка (релятивистского). Все, что нам, по сути дела, требуется, – это аккуратно скорректировать правило касательно того, что ничто не может двигаться быстрее света. Поскольку нельзя использовать запутанность квантовых состояний, чтобы посылать сообщения на другой конец Вселенной, нужно внести крошечную поправку: никакой носитель информации не способен двигаться быстрее света.

Получается, Господь и вправду играет со Вселенной в кости. Но для нас главная неопределенность заключается в том, удастся ли нам унести ноги от нашей чудной семейки.