Полная версия
Тайны и парадоксы квантовой физики. Книга без формул
С учетом того, что электроны входят в состав любых атомов, из которых, в свою очередь, состоит материя (в т. ч. живые клетки), отсутствие понимания поведения электронов в данном эксперименте является наглядным примером того, как плохо мы сегодня понимаем суть устройства вещества.
В итоге данное явление мы можем смело назвать странностью микромира «первого» рода, странностью, показанной в результате целого ряда проведенных экспериментов.
⠀
1.2. Странность «первого» рода №2. Запутанность элементарных частиц
Без сомнения, эта странность микромира является одной из самых интересных загадок природы, открытых человеком за последние десятилетия.
Давайте вначале проясним для себя вопрос, какие частицы называются запутанными: это элементарные частицы, имевшие в своей истории некоторое общее взаимодействие друг с другом, в результате которого их поведение стало взаимозависимым.
Фактически необходимо, чтобы было определено (например, благодаря их общему происхождению) какое-то общее свойство всех этих частиц. Физики готовят запутанные частицы специальным образом, но делают это уже вполне уверенно.
Для того чтобы описать странности, с которыми мы сталкиваемся, столкнувшись с запутанностью, дадим слово профессору физики и математики Корнельского университета, известному популяризатору науки, Брайану Грину:
«Пары должным образом подготовленных частиц – они называются запутанными частицами – выбирают свои характеристики НЕ независимо друг от друга. Они уподобляются паре магических игральных костей, одна из которых бросается в Атлантик-Сити, а другая – в Лас-Вегасе; на каждой из игральных костей случайным образом выпадает то или иное число, но эти числа каким-то непостижимым образом оказываются равными. Запутанные частицы действуют аналогично, за исключением того, что им не нужна магия. Запутанные частицы, даже когда они пространственно разделены, не действуют автономно…»1
Иными словами, если вы возьмете два запутанных фотона и сделаете что-то с первым (например, измерите его), то второй фотон это мгновенно «почувствует». Мгновенно в данном случае означает именно мгновенно – скорость их взаимодействия будет бесконечной! Фактически это выглядит так, что частицы, разделенные пространством, являются единым целым. Б. Грин пишет об этом так: «Хотя два фотона пространственно разделены, но между ними существует фундаментальная связь в силу их общего происхождения. Хотя фотоны удалились друг от друга и стали пространственно разделенными, но их связывает общая история; даже на удалении друг от друга они составляют часть одной физической системы. Поэтому на самом деле это не акт измерения одного фотона вынуждает или заставляет другой удаленный фотон принимать идентичные характеристики. Скорее, фотоны столь тесно связаны, что можно и нужно считать их – хотя они пространственно разделены – частями одной физической сущности. Так что можно сказать, что акт измерения единой сущности – сущности из двух фотонов – воздействует на эту сущность, т. е. затрагивает оба фотона одновременно»2.
На какое расстояние могут быть разделены запутанные фотоны? Существующие эксперименты сейчас показывают наличие четкой связи на расстоянии более ста километров3. Однако ученые уверены, что эта связь будет работать и на расстоянии в сотни световых лет.
В последующих параграфах, когда мы будем рассматривать эксперимент с квантовым ластиком, я покажу явление запутанности наглядно. Пока же, говоря о запутанности, необходимо подчеркнуть, что она ломает самые фундаментальные представления человека об окружающей реальности. Мы привыкли думать, что одно из основных свойств пространства состоит в том, что оно разделяет и разграничивает объекты. Однако получается, что это не так. Как уже было сказано, микрообъекты могут быть разделены гигантским расстоянием и все же не иметь полностью независимого существования.
Продолжаем цитировать Б. Грина: «Квантовая связь может объединять их, делая характеристики одного из них обусловленными характеристиками другого. Пространство не разделяет такие запутанные объекты. Пространство не помогает преодолеть эту взаимную связь. Пространство, даже гигантский объем пространства, не может ослабить их квантово-механическую взаимную зависимость»4.
Как, благодаря чему осуществляется эта непостижимая связь между частицами, которая реализует рассмотренную нами запутанность? Как запутанные частицы вначале устанавливают и далее поддерживают друг с другом связь? Какова физика и принципы действия поля (?) или среды (?), самой материи (?), чего-то, что стоит «над материей» (?) которое в этом принимает (?) участие?
Согласитесь, когда рассуждаешь о второй странности микромира, в голову опять приходят мысли о существовании некоторого «нечто», некого «куратора» запутанных электронов и фотонов, благодаря которому они не только мгновенно информируются о воздействии, произведенном на любые другие, запутанные с ними частицы, но и так же быстро меняют свои физические свойства.
Пока на все эти вопросы ответа нет, данная странность микромира так же продолжает будоражить умы ученых всего мира. Ну а нам надо идти дальше – как уже было сказано, запутанность частиц приводит к ощущению того, что частицы обмениваются информацией с мгновенной скоростью. Как это может происходить? Рассмотрим это в следующем параграфе.
1.3. Странность «первого» рода №3. Нелокальность
Наша интуиция, которая опирается на наш опыт, говорит о следующем: если нам надо переместить булыжник – мы должны его коснуться. Нам надо или взять палку, которой его можно сдвинуть, или дать команду, которая посредством звуковых волн достигнет уха человека с палкой, способного толкнуть этот булыжник, или выполнить еще какое-нибудь действие подобного рода. Сформулируем обобщенно: интуиция нам подсказывает, что одни предметы могут непосредственно воздействовать на другие, только находясь рядом с ними. Если предмет А воздействует на предмет В, не находясь рядом с ним, то воздействие должно быть непрямым – через цепь посредников, каждый из которых влияет на последующий непосредственно, так что в итоге расстояние между А и В должно быть непрерывно перекрыто.
Может показаться, что мы постоянно сталкиваемся с исключениями из этого правила. Например, щелкнув переключателем, можно включить в комнате лампочку или же посмотреть по телевизору в прямой трансляции чемпионат мира по футболу, проходящий на другом континенте. Конечно же, все эти примеры при более внимательном рассмотрении будут только подтверждением явления локальности.
Так, в случае включения лампочки воздействие на нее будет передано по проводам, а в случае футбольного чемпионата сигнал будет передан радиоволнами, распространяющимися в пространстве. Т. е. в итоге все эти примеры оказываются вовсе не исключениями, а подтверждениями правила, которому нас учит весь повседневный опыт нашей жизни.
Таким образом, локальностью мы назовем интуитивное представление природы взаимодействия, при котором оно будет передаваться с помощью какого-то посредника.
А теперь давайте вновь вернемся в таинственный мир элементарных частиц.
Только что, рассмотрев явление запутанности, мы зафиксировали, что фотоны, разделенные огромным, наблюдаемым нами пространством, ведут себя так, будто бы они представляют из себя одно целое. Так вот, физическое явление, в результате которого две частицы, разделенные пространством, могут мгновенно влиять друг на друга, и называют нелокальностью.
Обратите еще раз внимание: в предыдущем параграфе мы говорили, что запутанные фотоны ведут себя так, как будто бы они представляют собой единое целое. Если это действительно так и реальность содержит какую-то особую среду, таинственное поле или «нечто», т. е. «куратора», который соединяет эти фотоны, то нелокальность, в ее нынешнем понимании когда-нибудь, из нашего лексикона исчезнет. В этом случае «дальнодействие», т. е. «таинственную» и мгновенную передачу управляющего сигнала на расстоянии сменит мгновенная передача сигнала или даже материи по не менее таинственным (внепространственным? вневременным?) каналам связи (возможно, «опутывающим» всю материю мира?), которые сделают из этих двух фотонов фактически один большой «спаренный» фотон. Последняя картина будет означать «близкодействие», осуществляемое с помощью каких-то пока «невероятных» для нас передаточных звеньев – но тем не менее это будет привычный способ передачи информации по каналам, хотя и с мгновенной скоростью.
Пока же мы видим, как два фотона, разлетевшиеся на десятки километров, не имея между собой никакого видимого нам посредника, мгновенно5 передают друг другу информацию о полученном ими внешнем воздействии. Это означает, что мир пока остается для нас (и, к сожалению, для привычного здравого смысла тоже) – нелокальным.
В завершение данного параграфа я просто обязан написать о том, что нелокальность, как и сопровождающая ее запутанность, являются настолько революционными характеристиками микромира, что не могли не вызвать (и продолжают вызывать!) сопротивление множества научных оппонентов. Они пытаются объяснить полученные результаты экспериментов, которые говорят нам о нелокальности/запутанности какими-то иными, привычными нам способами.
Данная дискуссия носила и продолжает носить в квантовой физике принципиальный характер, поэтому я обязательно расскажу о ней более подробно чуть позже. Мы обязательно вернемся к данному вопросу, когда будем говорить об эксперименте Эйнштейна – Подольского – Розена и проверке неравенства Белла. Пока же давайте сохраним системность изложения и просто упомянем нелокальность. Прошу вас принять ее пока на веру, пусть в данном случае эту веру поддержит то, что нелокальности и запутанности посвящены тысячи статей в рецензируемых физических журналах6, а в 2022 году за работы, посвященные квантовой запутанности и связанной с ней нелокальности, была вручена Нобелевская премия по физике.
Наберитесь немного терпения – оно того стоит!
1.4. Странность «первого» рода №4. Отложенный выбор и квантовый ластик
Следующими парадоксами микромира, о которых мне хотелось бы вам кратко рассказать, является ситуация с отложенным выбором (ярко показанная в опыте известного американского физика Дж. Уиллера7), а также квантовый эффект, который принято называть «квантовым ластиком». В этих экспериментах проявляются целых три квантовых эффекта. С одной стороны, в них, как и в двухщелевом эксперименте, ярко проявляется корпускулярно-волновой дуализм элементарных частиц, с другой – в них показывается запутанность и нелокальность, ну и, наконец, с третьей – в них наиболее ярким образом проявляется переход частицы из одной формы в другую, которую можно объяснить наличием у экспериментатора (или в более широком смысле – во Вселенной) информации о его траектории.
Говоря о последнем эффекте, необходимо еще раз сказать о том, что традиционная физическая логика говорит о том, что для изменения своих свойств всякое физическое тело должно испытать какое-то материальное взаимодействие. Например, для того чтобы макротело разрушилось, необходимо, чтобы на него воздействовала какая-то сила, и т. д. Однако в микромире данный постулат работать перестает. Частица может идти по одному и тому же маршруту, встречать одни и те же материальные тела и… в одном случае проявлять одни свойства, а другом – другие. Исследуя данный феномен, ряд ученых как раз и обратили внимание на то, что проявление частицей тех или иных свойств можно связать с фактом наличия во Вселенной информации о ее траектории.
Ну а теперь давайте посмотрим на все названные эффекты на практике. Для этого возьмем устройство, которое называется интерферометр Маха – Цендера. Интерферометр представляет собой прибор, содержащий один или два светоделителя.
Рис. 4. Схема простейшего эксперимента
с интерферометром Маха – Цендера
Рассмотрим вначале самую простую схему эксперимента (см. рис. 4), в котором мы пока оставим всего один светоделитель СД (полупрозрачное зеркало). Отправим на него луч света. СД сделан так, что пропускает первую половину падающего на него излучения и отражает вторую. После этого каждый луч света отражается боковыми зеркалами (1) и (2), проходит систему фазовых задержек Ф1 или Ф2 и попадает на датчики (Д1 и Д2).
Когда единичный фотон поступает на вход СД, у него с точки зрения привычного для нас физического мира появляются всего три возможности:
1. Отразиться от светоделителя, т. е. пойти путем A и попасть на датчик Д1;
2. Пройти светоделитель насквозь, т. е. пойти путем В и попасть на датчик Д2;
3. Проявив свою волновую природу, расщепиться на светоделителе на две волны и идти к этим же датчикам сразу по двум путям. В этом случае при правильном подборе фаз мы получим на датчиках ярко выраженную интерференционную картину.
Что же показали проведенные опыты?8
Каждый раз ученые фиксировали следующий результат: у них всегда срабатывал только один из датчиков, что, казалось бы, неоспоримо свидетельствовало о том, что фотон шел только по одному из возможных путей, следовательно, проявлял свою корпускулярную природу. Никакой интерференционной картины зафиксировано не было.
Однако как только исследователь добавлял в схему эксперимента второй светоделитель СД2 (рис. 5), который, заметим, стирал информацию о том, по какому пути прошел фотон, интерференция сразу же появлялась. За счет чего достигалось стирание? За счет того, что и «верхний», и «нижний» фотон могли пройти сквозь СД2 прямо, а могли – отразиться от него. Поскольку вероятность обоих событий равнялась 50%, понять, какой фотон зарегистрирует любой из датчиков – Д1 или Д2, оказывалось невозможным. Принцип «запутывания» траектории фотона, при котором наблюдатель теряет возможность понять, по какому пути он пришел, и используют в экспериментах, которые называют «квантовым ластиком».
Чрезвычайно интересно, что при этом оказывалось неважным, когда в схему эксперимента вводилось второе полупрозрачное зеркало СД2. Это могло произойти даже после того, как фотон прошел СД1 и отразился от зеркал 1 и 2, т. е. когда он практически вплотную подошел к «области Х» (см. рис. 5).
Рис. 5. Схема эксперимента с интерферометром Маха – Цендера с двумя светоделителями
Известнейший физик (лауреат премий Эйнштейна, Энрико Ферми, обладатель медали Нильса Бора и т. д.) Дж. Уиллер писал об этом так: «В этом смысле мы имеем странную инверсию нормальной временной последовательности. Теперь, вводя или выводя зеркало (СД2 – прим. авт.), мы получаем неустранимый эффект, в соответствии с которым мы имеем право сказать об уже прошлой истории этого фотона». И: «Таким образом можно решать, пройдет ли фотон по одному или по обоим путям после того, как он уже прошел» (Wheeler, 1984).
Если рассуждать исходя из привычной нам физической картины мира, то поведение фотона в этом эксперименте действительно кажется поразительным.
В привычной (макроскопической) для нас картине мира фотон должен выйти из пластины СД1 и пойти по путям А и В, уже являясь волной или частицей. И тогда мы сразу приходим к фантастическому парадоксу: получается, что фотон должен точно знать заранее, что сделает экспериментатор. В самом деле, если пути А и В будут достаточно длинными (т. е. схема эксперимента позволит это сделать), то исследователь может часами сидеть и думать, что ему сделать – оставить или изъять пластину СД2 из цепи эксперимента. Однако обмануть фотон даже при данных обстоятельствах, которые, казалось бы, должны ясно выразить всю силу свободы воли, имеющуюся у экспериментатора, у него не получится. Если фотон войдет в эксперимент как частица, то экспериментатор в этом случае должен точно не захотеть вставить в цепь эксперимента пластину СД2. И наоборот, если фотон зайдет в эксперимент как волна, то экспериментатор должен обязательно захотеть вставить в цепь эксперимента пластину СД2 (и сделать это!). Мы также понимаем, что можем заменить экспериментатора механическим устройством, работающим по невычислимому алгоритму, основанному, например, на генераторе случайных чисел, которое уберет все предположения на тему особой связи фотона и сознания человека. В итоге предложенный нами парадокс теперь может прозвучать так: вне зависимости от того, что произойдет с траекторией фотона в будущем, кто будет «управлять» эти будущим (машина или человек), он в любом случае будет «знать», что произойдет с ним в этом будущем или даже, если усилить данный тезис, «управлять своим будущим».
Очевидно, что подобные предположения являются настолько невероятными, что их хочется сразу отбросить.
Или глубоко задуматься и пойти попить чайку.
И все-таки кажется, что это должно работать как-то не так. Но как?
Давайте пока сохраним напряжение и усложним эксперимент.
Напомню, мы разбираем квантовый эффект, который называется «квантовый ластик».
Итак, установим на каждом возможном пути фотона даунковертор (ДК) – прибор, который при попадании в него одного «нормального» фотона делит его на два фотона с половинной энергией (см. рис. 6).
Рис. 6. Схема эксперимента с интерферометром Маха – Цендера с двумя светоделителями и двумя даунконверторами
При этом один из двух «новых» фотонов (так называемый «сигнальный» фотон) будет идти по старому маршруту, а второй («холостой» фотон) – будет отправляться на детекторы (Д3) и (Д4). Как вы уже, наверное, понимаете, при повторении предыдущего опыта интерференционная картина прогнозируемо (и обязательно) исчезнет – ведь теперь при движении по своей траектории фотон неизбежно попадет на Д3 или Д4, которые точно скажут, какой он выбрал путь.
Пока удивительные свойства квантовой частицы, о которых мы уже знаем, не поменялись. Запомним это и сделаем еще один, заключительный шаг. Усложним наш эксперимент в последний раз, добавив в него еще три светоделителя и два датчика.
Рис. 7. Схема усложненного эксперимента
с интерферометром Маха – Цендера
Что произойдет после этого?
Не пугайтесь, возьмите в руки карандаш и внимательно рассмотрите путь фотона в новой схеме (см. рис. 7).
Если вы читаете электронный вариант книги – лучше этот рисунок сейчас распечатать.
Так же, как и в предыдущий раз, фотон пройдет через даунковертор ДК1 и/или ДК2 и разделится на фотоны с половинной энергией. Так же, как и в предыдущий раз, основные (или сигнальные) фотоны пойдут от ДК1/ДК2 к пластине СД2, а «холостые» фотоны пойдут к СД3 и СД4.
Однако далее перед «холостыми» фотонами возникнут две альтернативы. Давайте для простоты рассмотрим возможный путь «холостого» фотона, который идет по верхнему пути А.
1. С вероятностью 50% пройти через светоделитель СД3 и попасть в детектор Д3.
2. С такой же вероятностью 50% отразиться от светоделителя СД3 и далее попасть на светоделитель СД5. После этого у него также возникнет две альтернативы:
А) с вероятностью 50% попасть в детектор Д6 (пройти СД5 «насквозь»);
В) с вероятностью 50% попасть в детектор Д5 («преломиться» в СД5).
Если верхний «холостой» фотон выберет альтернативу 1, т. е. попадет в Д3, то мы точно узнаем, что первоначальный, неразделенный фотон прошел по траектории А.
Если верхний «холостой» фотон выберет альтернативу 2, т. е. сработает Д5 или Д6 (все равно, какой из них), то мы уже никогда не узнаем, по какому пути прошел первоначальный, неразделенный фотон.
Ну а теперь мы вплотную подобрались к самому волнующему моменту.
Если мы выделим на датчиках Д1 и Д2 регистрации «сигнальных» фотонов, которые появились при срабатывании на Д3 или Д4 их половинок – «холостых» фотонов, то, разумеется, мы обнаружим, что никакой интерференционной картины нет. Зафиксировав путь фотона, мы «лишили» его всякой возможности быть волной.
Однако если мы выделим на Д1 и Д2 подмножество точек, которые получались при срабатывании только датчиков Д5 или Д6, то мы увидим, что они образуют интерференционную картину!
Из этого следуют несколько выводов – для того чтобы осмыслить их, давайте проследим путь фотонов в различных модификациях эксперимента еще раз.
Начнем с сигнального фотона в первом, самом простом эксперименте.
Сформулируем вопрос: что является причиной изменения свойств сигнального фотона в данном эксперименте?
В первой модификации эксперимента фотон, выйдя из источника (как нам это представляется) частицей, достигал некоторого материального тела «полупрозрачного зеркала СД1». Достигнув зеркала, он или отражался от него, или проходил насквозь, или одновременно шел по обоим путям. Таким образом, мы можем легко посчитать причиной изменения траектории фотона материальное тело (зеркало), которое он встречал на своем пути. Т. е. здесь все пока выглядит логично.
Во второй модификации первого эксперимента фотон встречал на своем пути еще одно материальное тело – второе зеркало СД2, которое так или иначе (пусть мы даже не знаем как, это сейчас неважно), но также могло теоретически изменить характер движения фотона, превратив его теперь в «волну».
Причиной изменения природы фотона могло теоретически выступить материальное тело – зеркало СД2.
Во втором эксперименте, с появлением даунконверторов, сигнальный фотон, достигнув того же самого зеркала СД2, переставал менять свою природу, однако до этого на своем пути он встречал эти самые даунковерторы ДК2 и/или ДК3, приобретая половинную энергию исходного фотона. Таким образом, возможность изменить свои свойства из-за встречи с «некоторым материальным телом» у сигнального фотона сохранились все равно.
Причиной изменения природы фотона во втором эксперименте также могли теоретически выступить материальные тела – даунконверторы ДК1/ДК2.
Однако в третьей модификации эксперимента сигнальный фотон становился «волной или частицей», двигаясь по одному и тому же пути, встречая перед собой одни и те же физические элементы!
Возьмите карандаш и опять посмотрите на схему – например, сигнальный фотон, выйдя из ДК1 и далее отразившись от СД2, мог зарегистрироваться на датчике Д1, продемонстрировав нам свою волновую природу. Это он делал в случае, если пространственно разделенный с ними холостой фотон, отразившись от СД3, далее регистрировался на датчиках Д5/Д6.
Но он мог пройти точно такой же путь, так же выйти из ДК1 и далее, отразившись от СД2, зарегистрироваться на датчике Д1, продемонстрировав нам, что он – частица! Для этого надо было, чтобы пространственно разделенный с ними холостой фотон, «пройдя насквозь» СД3, зарегистрировался на датчике Д4.
Таким образом, мы видим, что в данном эксперименте состояние сигнального фотона:
А. Перестает зависеть от его траектории (перестает зависеть от любых материальных тел, которые он мог бы встретить на этой траектории), что само по себе уже является прекрасным!
Б. Начинает зависеть от траектории запутанного с ним холостого фотона;
Следствия А и Б наглядно демонстрирует нам явление квантовой запутанности и связанной с ней нелокальности.
В. Ну и, наконец, в данном эксперименте мы очень наглядно наблюдаем логику, при которой природа сигнального фотона начинает зависеть от того, существует ли в пространстве эксперимента информация, которая могла бы тем или иным образом сообщить нам траекторию такого фотона.
Действительно, получается, что как только в данном эксперименте появляется такая информация – фотон становится «корпускулой» (говоря нам о том, что в прошлом он как бы «шел по одному пути» – хотя мы этого, конечно же, не знаем), как только такая информация о траектории исчезает – фотон становится «волной» (как бы говоря нам о том, что в прошлом он шел по двум путям – хотя мы этого, конечно же, не знаем тоже). Мы можем переставлять местами датчики, добавлять или убирать полупрозрачные зеркала, двигать даунконверторы, усложнять или упрощать данный эксперимент так, как только позволит нам наша фантазия, – упомянутая логика будет работать все равно, «обмануть фотон» и узнать его путь пока не удалось никому.