Квантовая случайность. Нелокальность, телепортация и другие квантовые чудеса - Николя Жизан

Разум, которому в каждый определённый момент времени были бы известны все силы, приводящие природу в движение, и положение всех тел, из которых она состоит, будь он также достаточно обширен, чтобы подвергнуть эти данные анализу, смог бы объять единым законом движение величайших тел Вселенной и мельчайшего атома; для такого разума ничего не было бы неясного, и будущее существовало бы в его глазах точно так же, как прошлое.

История квантовой механики сложилась иначе. Ее основатель Нильс Бор всегда настаивал на полноте его теории, несмотря на то что никакая научная теория не может быть по-настоящему полной.

Отрицая возможность Алисы делать свободный выбор, мы тем самым отрицаем значение науки. Поэтому оставим эту отчаянную гипотезу на обочине. Это не должно помешать науке двигаться вперед и давать нам лучшее понимание свободной воли, но я остаюсь в убеждении, что наука никогда не исчерпает полностью эту особенную тему. Чтобы не завершать этот раздел на грустной ноте, я переиначу высказывание Ньютона: предполагать, что свободная воля является иллюзией и что человека можно убедить в существовании нелокальных корреляций на любом расстоянии в пустом пространстве, без посредства чего-либо еще, что может передает действие и силу от одного к другому, – это, по-моему, такой абсурд, который немыслим ни для кого, умеющего достаточно разбираться в философских предметах.

Реализм

Прежде чем закончить эту главу, рассмотрим другую отчаянную гипотезу, а именно отрицание реализма[80]. Но что это может значить на самом деле и как может помочь нам в наших изысканиях?

До 1990 года было почти невозможно опубликовать работу, которая бы обращалась к нелокальности или даже неравенствам Белла, в каком-либо престижном журнале. Отцы-основатели квантовой физики долго боролись за место под солнцем для своего учения, а последователи ньютоновой физики много лет не давали им спуску. Следующее поколение продолжало борьбу, хотя оппонентов у них было уже очень мало. В итоге все пришли к идее, что дальнейший прогресс невозможен, да и не нужен. Так продолжалось до начала 1990-х, когда проявления запутанности и нелокальности заставили физическое сообщество заново и, главное, непредвзято оценить этот аспект квантовой физики[81]. Однако укоренилась одна особенная привычка, а именно практика систематически писать и говорить о «локальном реализме» вместо «локальных переменных». Я подозреваю, что это скорее был вопрос обдуманного выбора слов, чем результат глубокого осмысления.

В некоторых кругах и сегодня модно говорить, что мы стоим перед выбором между нелокальностью и нереализмом. Услышав это, мы первым делом должны определить, что имеется в виду под нереализмом (имея в виду, что нелокальность означает «то, что невозможно описать, используя лишь локальные сущности»)[82]. К несчастью, я не могу объяснить вам, что такое нереализм. По моему ощущению, это что-то вроде психологического выхода: те, кто не может принять нелокальность, прячутся в своего рода интеллектуальное убежище, как некоторые швейцарцы готовы исчезнуть в своих ядерных бункерах, как только зазвучат сирены. Это все очень здорово, но однажды им придется вернуться.

Но есть ли какой-то возможный вывод? Кажется, да. Вернемся ненадолго к игре Белла. Выбор Алисы и Боба должен быть реален, как и их результаты. Ученые в областях физики и информатики сказали бы, что на входе и выходе приборов Алисы и Боба – классические переменные, то есть числа (биты), которые можно прочесть, скопировать, запомнить, опубликовать; другими словами, это конкретные сущности, не подлежащие никакой квантовой неопределимости. В последнем разделе мы уже обсуждали гипотезу о том, что свободный выбор (входные данные) могут быть лишь иллюзией. А как насчет результатов, которые производят приборы (выходные данные)? Может ли быть так, что они нереальны? Если эти результаты есть лишь иллюзия ума, мы опять возвращаемся к бессмысленному спору о некой форме солипсизма. Сказав это, однако, мы можем серьезно задуматься о том, когда именно рождаются эти результаты. Чтобы приборы не могли влиять друг на друга, они должны появляться прежде, чем любое возможное воздействие достигнет цели. В принципе, нам лишь нужно поместить два прибора достаточно далеко друг от друга, но на практике это не просто. Дело в том, что квантовая физика довольно смутно определяет конкретный момент, когда рождается результат измерения. Для большинства экспериментаторов результат уже определен в момент, когда фотон, попав на поверхность детектора, проник на глубину нескольких микрон и вызвал лавину электронов. Но как в этом убедиться? Возможно, нужно дождаться последнего усиления сигнала? Или даже настоять на записи результата в память компьютера? Или в человеческую память? От последнего предположения Джон Белл имел обыкновение смеяться в голос и спрашивать, должна ли эта человеческая память принадлежать физику с докторской степенью.

Хотя квантовая физика не говорит нам точно о моменте, когда мы можем быть уверены, что результат уже произведен, это должно происходить чуть позже момента, когда фотон встречает на пути детектор и чуть раньше момента, когда мы об этом узнаем. И вот она, еще одна лазейка, хоть и очень маленькая: возможно, что результат возникает гораздо позже, чем думает экспериментатор, и что, воспользовавшись этим, какая-то неуловимая форма коммуникации обеспечивает связь между приборами Алисы и Боба[83].

Два физика, Лайош Диоши и Роджер Пенроуз, независимо друг от друга разработали теоретическую модель, которая соотносит продолжительность измерения с гравитационными эффектами[84]. Их модели дают почти один и тот же прогноз. Чтобы проверить его, Боб должен очень быстро сдвинуть с места какой-нибудь массивный объект, как только его детектор фотонов щелкнул. Недавно мы с моей группой в Университете Женевы проверили эти модели и их применение для игры Белла. Полученные результаты идеально согласуются с квантовой теорией: ни модель Диоши, ни модель Пенроуза не освобождает нас от нелокальности[85]. Похоже, что квантовая нелокальность – это вполне надежная концепция.

Мультивселенная

Последний путь к отступлению, который стал модным в некоторых кругах квантовой физики, объявляет, что никаких результатов измерения просто не существует. Согласно этой гипотезе, каждый раз, когда нам кажется, что мы провели измерение, с числом возможных результатов N, вселенная делится на N ветвей, каждая из которых одинаково реальна и содержит в себе один возможный результат из N. Экспериментатор также делится на N копий, каждая из которых наблюдает один из N возможных результатов. Эта интерпретация называется многомировой или мультиверсной, в отличие от той, которая постулирует лишь существование нашей простой вселенной. Сторонники этой интерпретации заявляют, что их «решение» является самым простым, так как в нем нет необходимости в истинной случайности. Они также говорят, что данную интерпретацию следует принять исходя из принципа «бритвы Оккама», который говорит, что нужно всегда выбирать самую простую гипотезу из всех возможных.

Пусть каждый сам решит, насколько она проста. Со своей стороны я сделаю две ремарки. Во-первых, всегда можно отрицать существование истинной случайности, какой бы ни была теория или экспериментальные результаты[86]. Нужно только принять, что каждый раз, когда эта случайность проявляет себя, вселенная раздваивается, и каждый из результатов действительно имеет место в одной из получившихся параллельных вселенных. Для меня это построение выглядит притянутым за уши[87]. Во-вторых, многомировая интерпретация предполагает тоталитарную форму детерминизма. В самом деле, согласно этой интерпретации, запутанность никогда не нарушается, а лишь распространяется дальше и дальше. Таким образом, всё запутано со всем и не оставляет места для проявления свободной воли. Это даже хуже чем детерминизм Ньютона, в котором все локализовано и логически разделено. Теория Ньютона, таким образом, оставляла место для будущей теории, которая бы описала открытый мир – мир, в котором настоящее не в полной мере определяет будущее[88]. И в действительности эта надежда была реализована с открытием квантовой теории, пусть даже она далека от объяснения свободной воли. А мультивселенная, напротив, не оставляет надежды на открытый мир[89].

Глава 10

Текущие исследования нелокальности

Так как же все-таки эти две области пространства-времени знают, что происходит друг у друга? Для меня это очень серьезный вопрос. Я бы назвал его ключевым вопросом происходящей сейчас концептуальной революции. Но почему же тогда так мало физиков озабочены им? И почему к этому вопросу не возвращались с публикации работы об ЭПР-парадоксе в 1935 году и до начала 1990-х, когда Артур Экерт показал, что эти корреляции можно использовать в криптографии[90]? Причины сложны. В 1935 году у физиков было много других дел в рамках новой физики квантового мира, которая внезапно предложила возможности объяснить множество новых явлений. Запутанность и нелокальность могли подождать. Потом Бор и его Копенгагенская школа подавляли любое проявление любопытства, громко и четко заявляя, что квантовая механика представляет собой полную теорию.