Параллельные миры. Об устройстве мироздания, высших измерениях и будущем космоса - Митио Каку

Вплоть до того самого момента физики считали, что Вселенная была локальной, что возмущения в одной ее части распространялись от источника лишь на небольшое расстояние. Эйнштейн показал, что квантовая механика по своей сути нелокальна – возмущения из одного источника могут мгновенно влиять на далекие уголки Вселенной. Эйнштейн назвал это «призрачным действием на расстоянии», которое посчитал абсурдным. Таким образом, Эйнштейн уверял, что квантовая теория неверна.

(Критики квантовой механики считали, что парадокс Эйнштейна – Подольского – Розена разрешим при таком допущении: если бы наши инструменты были достаточно чувствительны, то они действительно смогли бы определить, в каком направлении вращаются электроны. Значит, кажущаяся неопределенность спина и положения электрона – просто фикция, результат того, что наши инструменты слишком грубы. Они ввели концепцию скрытых переменных, то есть должна существовать скрытая субквантовая теория, в которой неопределенности не существует вообще, и в основе этой теории лежат новые, так называемые скрытые переменные.)

Ставки неимоверно возросли в 1964 году, когда физик Джон Белл подверг ЭПР-парадокс и скрытые переменные суровому испытанию. Он показал, что при проведении ЭПР-эксперимента должно существовать численное соответствие между спинами двух электронов, зависящее от того, какая теория использовалась. Если теория скрытых переменных была верна, то спины должны были иметь одно соотношение. Если была правильна квантовая механика, то соотношение спинов должно было быть иным. Иными словами, судьба всей квантовой механики (основы всей современной атомной физики) зависела бы от одного-единственного эксперимента.

Но эксперименты окончательно доказали, что Эйнштейн ошибался. В начале 1980-х годов Ален Аспе и его коллеги во Франции поставили ЭПР-эксперимент. В эксперименте использовались два детектора, расположенные на расстоянии 13 м, которые измеряли спины фотонов, испускаемых атомами кальция. В 1997 году ЭПР-эксперимент был поставлен с детекторами, расположенными на расстоянии 11 км. В обоих случаях победила квантовая теория. Определенная форма знания действительно перемещается быстрее света. (Хотя Эйнштейн ошибался насчет ЭПР-эксперимента, он был прав в вопросе более существенного масштаба – о сообщении, проходящем быстрее света. Хоть ЭПР-эксперимент и дает возможность узнать что-либо о другой стороне галактики, он не позволяет таким способом посылать сообщения. К примеру, вы не можете таким образом отсылать азбуку Морзе. В сущности, «ЭПР-передатчик» отсылал бы только беспорядочные сигналы, поскольку измеряемые спины будут другими каждый раз, как вы их измеряете. ЭПР-эксперимент позволяет получить информацию о другой стороне галактики, но он не позволяет передавать полезную, не беспорядочную информацию.)

Белл для описания этого эффекта приводил пример математика по имени Бертельсман. У того была необычная привычка каждый день надевать на одну ногу синий носок, а на другую – зеленый, в случайном порядке. Если вы замечаете, что на левой ноге у него синий носок, то вы сразу же, быстрее света, получаете информацию о том, что другой его носок – зеленый. Но это знание отнюдь не позволяет вам таким же образом сообщать информацию. Обнаружение информации отличается от ее пересылки. ЭПР-эксперимент не означает, что мы можем сообщать информацию путем телепатии, путешествия быстрее света или путешествия во времени. Но он все же означает, что для нас невозможно полностью отрешиться от единства Вселенной.

Эксперимент заставляет нас принять другую картину нашей Вселенной. Существует космическая запутанность между каждым атомом нашего тела и атомами, которые находятся на расстоянии световых лет от нас. Поскольку все вещество произошло из одного источника – Большого взрыва, то в каком-то смысле все атомы нашего тела связаны с атомами на другом конце Вселенной при помощи космической квантовой паутины. Запутанные частицы чем-то похожи на близнецов, все еще связанных между собой пуповиной (волновой функцией), которая может быть длиной во много световых лет. Происходящее с одним близнецом автоматически воздействует и на другого, а отсюда знание об одной частице может незамедлительно предоставить информацию о ее двойнике. Запутанные частицы ведут себя так, как если бы они представляли собой единый объект, хотя они и могут быть разделены неимоверными расстояниями. (Если выразиться точнее, то можно сказать, что, поскольку волновые функции частиц в Большом взрыве были когда-то связаны и когерентны, эти волновые функции все еще могут быть частично соединены миллиарды лет спустя после Большого взрыва таким образом, что возмущения в одной части волновой функции способны воздействовать на другую часть той же волновой функции.)

В 1993 году ученые предложили использовать концепцию ЭПР-запутанности для создания устройства, с помощью которого можно совершать квантовую телепортацию. В 1997 и 1998 годах исследователи из Калифорнийского технологического института, Орхусского университета в Дании и Университета Уэльса совершили первую экспериментальную демонстрацию квантовой телепортации. В ходе эксперимента отдельный фотон был телепортирован через стол. Сэмюель Браунштейн, принимавший участие в организации эксперимента, сравнил запутанные пары с любовниками, «которые знают друг друга настолько хорошо, что могут ответить за свою вторую половину, даже если их разделяют огромные расстояния»{115}.

(Для экспериментов в области квантовой телепортации необходимы три объекта – А, В и С. Пусть В и С – запутанные близнецы. Хоть они и могут находиться на огромном расстоянии друг от друга, они все же остаются запутанными. Пусть теперь В вступит в контакт с А, который, собственно, является объектом телепортации. В «сканирует» А, и информация, содержащаяся в А, переносится в В. Затем эта информация автоматически передается близнецу С. Таким образом, С превращается в точную копию А.)

В области исследований квантовой телепортации наблюдается большой прогресс. В 2003 году ученым Женевского университета в Швейцарии удалось телепортировать фотоны на расстояние 2 км через оптоволоконный кабель. Фотоны света (при длине волны 1,3 мм) в одной лаборатории были телепортированы в другие фотоны с другой длиной волны (1,55 мм) в другую лабораторию, связанную с первой оптоволоконным кабелем. Николас Гизин, физик, принимавший участие в этом проекте, сказал: «Возможно, объекты больших размеров, такие как молекула, и будут телепортированы до моей смерти, но по-настоящему большие объекты не поддаются телепортации при использовании обозримых технологий».

Еще один важный прорыв был совершен в 2004 году, когда ученые из Национального института стандартов и технологий телепортировали не просто квант света, а целый атом. Их основным достижением стало то, что они успешно запутали три атома бериллия и смогли перенести характеристики одного атома в другой.

Область практического применения квантовой телепортации потенциально невероятно велика. Однако необходимо отметить, что существует несколько проблем, препятствующих ее применению. Во-первых, объект-оригинал уничтожается в ходе телепортации, а потому нельзя создать много точных копий телепортируемого объекта. Возможно создание только одной копии. Во-вторых, телепортировать объект быстрее света нельзя. Теория относительности действует и для квантовой телепортации. (Чтобы телепортировать объект А в объект С, для их соединения все же необходим объект-посредник В, а его скорость меньше скорости света.) В-третьих, возможно, наиболее важным ограничением для квантовой телепортации выступает тот же фактор, который служит препятствием для создания квантовых компьютеров: рассматриваемые объекты должны быть когерентны. Любое соприкосновение с окружающей средой прервет процесс телепортации. Но вполне вероятно, что в течение XXI века удастся телепортировать первый вирус.