Гельголанд. Красивая и странная квантовая физика - Карло Ровелли
Посмотрим, о чем же идет речь.
Прежде всего, два запутанных фотона обладают связанными свойствами – если один красный, то и другой тоже красный, если один голубой, то и другой голубой. Пока что ничего странного. Если разделить пару перчаток и одну перчатку из них отправить в Вену, а другую – в Пекин, то прибывшая в Вену перчатка будет того же самого цвета, что прибывшая в Пекин. Они взаимосвязаны.
Странности возникают, когда пара фотонов, один из которых отправился в Вену, а другой – в Пекин, находятся в состоянии квантовой суперпозиции. Например, это может быть суперпозиция состояния, в котором оба фотона красные, и состояния, в котором оба фотона голубые. В момент наблюдения каждый из фотонов может оказаться как красным, так и голубым, но если один оказывается красным, то второй – удаленный от него – тоже окажется того же цвета.
Поразительно тут вот что: если любой из двух фотонов может оказаться как красным, так и голубым, как получается, что они оба всегда одного цвета? По теории, пока на него не взглянут, ни один из двух фотонов не является определенно ни красным, ни голубым. Цвет определяется случайным образом и только в момент, когда мы смотрим на фотон. Но если так, то каким образом цвет, случайным образом проявившийся в Вене, совпадает с цветом, случайным же образом проявившимся в Пекине? Если подбросить монетку в Вене и в Пекине, то результаты будут совершенно независимыми и никак не скоррелированными – не бывает так, чтобы всякий раз, когда в Вене выпадает орел, в Пекине тоже выпадает орел.
По-видимому, возможных объяснения всего два. Одно состоит в том, что сигнал с информацией о цвете фотона очень быстро приходит от одного фотона к другому, то есть стоит одному фотону решить стать голубым или красным, как он тут же сообщает об этом своему удаленному собрату. Второе, более разумное, объяснение состоит в том, что цвет на самом деле определен уже в момент разделения фотонов – как в случае с перчатками – даже если мы об этом не знали (Эйнштейн представлял себе что-то подобное).
Проблема в том, что ни одно из двух объяснений не годится. Первое предполагает слишком быстрый обмен информацией на очень большом расстоянии, а это противоречит всему, что мы знаем про устройство пространства-времени, которое не допускает слишком быстрого распространения сигналов. На самом деле можно доказать, что взаимно запутанные объекты нельзя использовать для передачи сигналов. Следовательно, эти корреляции не могут быть связаны с быстрой передачей сигналов.
Но и другая возможность – что фотоны, подобно перчаткам, еще до того, как разойтись, были уже или оба красными, или оба голубыми – тоже исключается по причинам, изложенным в великолепной статье ирландского физика Джона Белла, опубликованной им в 1964 году63. Он показал с помощью элегантного, тонкого и очень техничного анализа, что если бы все коррелирующие свойства двух фотонов определялись до момента их разделения (а не случайным образом в момент наблюдения), то это влекло бы совершенно определенные последствия (сейчас их называют неравенствами Белла), которые явно противоречат результатам наблюдений. Следовательно, корреляции не являются предопределенными64.
Кажется, что задача не имеет решения. Каким образом взаимно запутанные частицы принимают одинаковое решение, не договариваясь заранее и не обмениваясь информацией? Что их связывает?
* * *Мой друг Ли рассказывал мне, что когда еще в юности изучал запутывание, то часами смотрел в потолок, лежа на кровати и думая о том, что каждый атом в его теле когда-то в далеком прошлом взаимодействовал со множеством атомов во Вселенной. Следовательно, каждый атом в его теле связан с миллиардами других атомов, рассеянных по Галактике… Он чувствовал себя смешанным с космосом.
Запутывание свидетельствует о том, что реальность так или иначе отличается от нашего о ней представления. У двух объектов совместно больше свойств, чем по отдельности. Точнее, бывают ситуации, когда даже при наличии всей необходимой информации для прогноза поведения одного и второго объектов я все же не могу предсказать нечто про оба объекта вместе. Ничего такого в классическом мире не может быть.
Если ψ1 – шредингерская волновая функция одного объекта, а ψ2 – волновая функция второго объекта, то наша интуиция говорит нам, что для предсказания всего, что можем наблюдать у двух объектов, достаточно знать ψ1 и ψ2. А на самом деле все не так. Шредингерская волновая функция двух объектов – это не набор из двух волновых функций. Это более сложная волновая функция, содержащая еще и другую информацию, а именно информацию о возможных квантовых корреляциях, не описываемых двумя функциями ψ1 и ψ2 по отдельности65.
Короче, даже если в какой-то ситуации мы знаем все возможное об одном отдельном объекте, мы все равно не знаем о нем всего в случае его взаимодействия с другими объектами – у нас нет информации про его корреляции с другими объектами во Вселенной. Отношение между двумя объектами не содержится ни в одном из них, это нечто дополнительное66.
Эта взаимосвязь между всеми составляющими Вселенной ставит в тупик.
* * *Вернемся к нашей загадке: каким образом две запутанные частицы умудряются вести себя одинаковым образом, не договорившись заранее и не обмениваясь информацией, находясь вдали друг от друга?
Реляционный подход дает ответ на этот вопрос, но ответ этот говорит нам, насколько этот подход радикален.
Дело в том, что не следует забывать, что свойства существуют лишь по отношению к чему-то. Измерение цвета фотона в Пекине дает результат по отношению к Пекину, но не по отношению к Вене. Измерение цвета в Вене позволяет определить цвет по отношению к Вене, но не по отношению к Пекину. Ни один физический объект не видит оба цвета в момент совершения соответствующих измерений, и поэтому вопрос о том, одинаковы ли результаты двух измерений, не имеет смысла. Такой вопрос ничего не значит, потому что не соответствует ничему, что может быть подтверждено.
Один лишь Бог способен одновременно видеть происходящее в двух разных местах, но даже если Бог существует, он не скажет нам, что видит. То, что видит Бог, никак не связано с реальностью. Мы не можем предполагать существование того, что видит один лишь Бог. Мы не можем предполагать существование обоих цветов, за неимением того, по отношению к чему они вместе могут быть определены. Свойства существуют
