Квант - Манжит Кумар

Научную теорию, вступающую в противоречие с экспериментом, надо изменить либо оставить. Но квантовая механика выдержала все испытания. Противоречий между теорией и экспериментом не было. Для большинства коллег Белла, и молодых, и старых, спор Эйнштейна и Бора о корректности интерпретации квантовой механики относился скорее к области философии, чем физики. Они разделяли точку зрения Паули, написавшего в 1954 году Борну: “...не надо больше ломать голову над тем, существует ли нечто, о чем никто знать не может, точно так же, как и над старым, как мир, вопросом, сколько ангелов может поместиться на кончике иглы”43. Паули казалось, что “вопросы Эйнштейна”, критикующего копенгагенскую интерпретацию, “сводятся в конечном счете именно к этому”44.

С появлением теоремы Белла ситуация изменилась. Теорема позволила локальной реальности, защитником которой выступал Эйнштейн, утверждавший, что квантовый мир существует независимо от наблюдателя и что физические воздействия не могут передаваться быстрее, чем со скоростью света, открыто вступить в спор с копенгагенской интерпретацией. Дебаты Эйнштейна и Бора перешли на новый уровень, который можно назвать экспериментально философским. Если неравенство Белла выполняется, то прав Эйнштейн, и квантовая механика неполна. Однако если окажется, что неравенство Белла не выполняется, победителем становится Бор. Не надо больше мысленных экспериментов. Поединок Эйнштейна с Бором переместился в лабораторию.

Первым вызов экспериментаторам бросил Белл. Предлагая проверить свое неравенство, он написал в 1964 году, что “не надо напрягать воображение, чтобы представить себе, как выполнить необходимые измерения”45. Но дело обстояло так же, как с Густавом Кирхгофом и его абсолютно черным телом за сто лет до того. Теоретику легче “представить” себе эксперимент, чем его коллеге-экспериментатору реализовать его. Прошло пять лет, и в 1969 году Белл получил письмо от молодого физика, работавшего в Беркли. Двадцатишестилетний Джон Клаузер сообщал, что он с коллегами разработал эксперимент для проверки неравенства Белла.

Клаузер впервые узнал о неравенстве Белла двумя годами раньше, когда готовил диссертацию в Колумбийском университете в Нью-Йорке. Убежденный, что неравенство требует проверки, он отправился к своему профессору, но ему было ясно сказано, что “ни один уважающий себя экспериментатор не станет тратить время и силы на такие измерения”46. Эта реакция как нельзя лучше соответствовала фактически “всеобщему признанию квантовой теории, а копенгагенской интерпретации — ее Евангелием, — написал позднее Клаузер, — и одновременно неготовности хоть на йоту ставить под сомнение основы теории”47. Тем не менее к лету 1969 года Клаузер с помощью Михаэля Хорна, Авенира Шимони и Ричарда Холта такой эксперимент подготовил. Этому квартету пришлось изменить неравенство Белла так, что стало возможно проверить его в реальной, а не в оснащенной идеальными приборами воображаемой лаборатории.

Поиск работы после защиты диссертации привел Клаузера в Калифорнийский университет в Беркли, где ему пришлось заняться радиоастрономией. К счастью, когда он объяснил своему новому шефу, какой эксперимент он на самом деле хотел бы поставить, тот разрешил ему тратить на эту работу половину рабочего времени. Нашелся аспирант, Стюарт Фридман, согласившийся помочь. В эксперименте Клаузера и Фридмана вместо электронов используется пара перепутанных фотонов.

Такая замена позволительна, поскольку фотоны обладают свойством, называемым поляризацией. В эксперименте оно играло роль квантового спина. Хотя это и упрощение, можно считать, что фотон поляризован “вверх” либо “вниз”. Совсем как в случае спина электрона, если измерение показывает, что поляризация фотона в направлении оси х соответствует значению “вверх”, измерение поляризации второго фотона должно соответствовать значению “вниз”, поскольку полная поляризация обоих фотонов должна остаться равной нулю.

Причина, по которой в эксперименте предпочтительнее использовать фотоны, а не электроны, заключается в том, что их легче получить в лабораторных условиях. Это важно особенно из-за того, что надо произвести измерения над очень большим числом пар. Только в 1972 году Клаузер и Фридман были готовы к проверке неравенства Белла. Они нагревали атомы кальция до тех пор, пока те не получали достаточно энергии, чтобы электрон перешел из основного состояния на более высокий энергетический уровень. Возвращение электрона обратно в основное состояние происходило в два этапа и сопровождалось испусканием двух перепутанных фотонов, зеленого и голубого. Фотоны разлетались в противоположных направлениях, а затем детекторы одновременно измеряли их поляризации. В первой серии экспериментов детекторы были ориентированы под углом 22,5° друг относительно друга, а в другой серии их переориентировали так, что угол между ними составлял 67,5°. После двухсот часов измерений Клаузер и Фридман обнаружили, что уровень корреляции фотонов не укладывается в границы, диктуемые неравенством Белла.

Этот результат свидетельствовал в пользу нелокальной копенгагенской интерпретации квантовой механики Бора с ее “сверхъестественным действием на расстоянии” и против локальной реальности, отстаиваемой Эйнштейном. Однако надо сделать существенную оговорку, относящуюся к справедливости полученного результата. Между 1972 и 1977 годами разные группы экспериментаторов провели девять независимых проверок неравенства Белла. Оно нарушалось только в семи случаях48. Эта неоднозначность заставляла сомневаться в точности экспериментов. Одна из проблем была связана с недостаточной эффективностью детекторов, в результате чего измерения удавалось провести не для всех образовавшихся пар, а только для их малой части. Никто точно не знал, как это сказывается на уровне корреляций. Были еще лазейки, которые надо было исключить, прежде чем сделать окончательный вывод о том, по ком звонит теорема Белла.

В то время как Клаузер и его коллеги были заняты экспериментами, физик, получивший образование во Франции и работающий в Африке волонтером, проводил свободное время за изучением квантовой механики. Продираясь через параграфы одного из известных французских учебников, Ален Аспект осознал красоту мысленного эксперимента ЭПР. Прочитав работы Белла, из которых было ясно, что утверждения ЭПР можно проверить, он стал раздумывать, как поставить эксперимент для строгой проверки его неравенства. В 1974 году, после трех лет, проведенных в Камеруне, Аспект вернулся во Францию.

В полуподвальной лаборатории Института оптики XI Парижского университета (“Пари-Зюд”) в Орсе двадцатисемилетний физик приступил к осуществлению своей африканской мечты. “У вас есть постоянная работа?” — спросил Белл, когда Аспект приехал навестить его в Женеве49. Аспект объяснил, что он аспирант и хочет написать диссертацию. “Вы, должно быть, очень смелый аспирант”, — заметил Белл50. Его беспокоило, что молодой француз, взявшийся за такой сложный эксперимент, рискует погубить свою карьеру.

Аспект и его коллеги потратили больше времени, чем могли себе представить. Но в 1981 и 1982 годах, используя последние технические новинки, включая лазеры и компьютеры, им удалось выполнить не один, а три тонких эксперимента по проверке неравенства Белла. Как и Клаузер, они измеряли корреляции поляризации пар перепутанных фотонов, двигающихся в противоположных направлениях, после того, как те одновременно испускались источником, в качестве которого использовались отдельные атомы кальция. Однако скорость рождения электронных пар и скорость измерений оказались гораздо выше. Эксперименты показали, говорил Аспект, “наиболее сильное из всех наблюдавшихся ранее нарушений неравенства Белла и прекрасную согласованность с квантовой механикой”51.