Как появилась Вселенная? Большие и маленькие вопросы о космосе

Играем в игры

Допустим, кто-то берёт пару перчаток и кладёт каждую из них в отдельную коробку. Коробки не помечены, и только человек, который положил туда перчатки, знает, какая в какой коробке. Одну коробку получаете вы, другую – ваш друг. Затем вас обоих отправляют в разные концы страны. Вы с вашей коробкой приезжаете в Лос-Анджелес, ваш друг со своей – в Нью-Йорк. Никто из вас не знает, какая перчатка – левая или правая – в его коробке. Вы открываете вашу коробку – в ней левая! И тут же, в тот же миг, вы точно узнаёте, что найдёт в своей коробке ваш друг.

Эту игру можно повторять снова и снова. Каждый раз, открывая коробку, вы будете находить там перчатку с левой или с правой руки. Каждый из этих случаев будет происходить в среднем в 50 % от всего количества попыток, но ни при одной из них ни вы, ни ваш друг не будут знать заранее, каков будет исход на этот раз. Всё, что сохраняется – это корреляция, причём в этом случае – точная корреляция между содержимым каждой коробки.

Открытие вами коробки с правой перчаткой – не причина того, что в коробке вашего друга лежит левая. Точно так же действия друга и содержимое его коробки – не причина появления у вас другой перчатки. В этом случае есть общая причина обоих исходов – действия человека, который разложил перчатки по коробкам в самом начале! Он всё время знал, кто из вас найдёт какую перчатку, даже если каждый раз вы отправлялись в путь с другой. В терминах наших предыдущих обсуждений результат эксперимента был предопределён, и во всех таких случаях мы можем проследить цепь событий до их общей причины.

Пусть теперь вместо перчаток кто-то кладёт в каждую коробку электроны – один в вашу, другой – в коробку вашего друга. Вы берёте коробки и отправляетесь в путь. В Лос-Анджелесе вы открываете коробку и видите, что спин вашего электрона направлен вверх. В то же самое время ваш друг открывает свою коробку и видит, что спин его электрона направлен вниз. Если вы будете повторять эту игру много раз, вы увидите – совершенно так же, как с перчатками – что спин вашего электрона иногда направлен вверх, а иногда вниз, в более или менее случайной последовательности. Но вы с вашим другом всегда будете находить у себя электроны с противоположными спинами. Ну и что же? Подумаешь – просто применим ту же самую логику: тот, кто клал в коробки электроны, с самого начала предусматривал исход этой ситуации.

Конечно, в природе и в физических экспериментах в такие игры никто не играет, но аналогия всё равно существует. Роль того, кто раскладывает электроны по коробкам, могут играть атомы или даже далёкие звёзды. Существенным моментом оказывается то, что для наблюдаемой корреляции, даже на, казалось бы, полностью случайном квантовом уровне, есть общая причина. Она должна существовать, как утверждал Эйнштейн, чтобы можно было избежать того, что он называл «жутким дальнодействием»: иначе получается, что электрон из Лос-Анджелеса воздействует на электрон в Нью-Йорке. Но, хоть Эйнштейн и думал, что должна существовать «общая причина», было совершенно непонятно, что это: она не проявлялась ни в лабораторных экспериментах, ни в математическом аппарате. Поэтому «общие причины» квантовых корреляций стали называть скрытыми переменными.

Но тут-то и начинается настоящая жуть! Скрытых переменных не существует. Общей причины для квантовых корреляций не существует. В нашей игре тот, кто разложил электроны по коробкам, не знал – и фактически не мог знать – что именно вы с другом увидите, открыв коробки. Другими словами, возможно создание коррелирущих событий, которые невозможно было предопределить. Мы, тем не менее, знаем, что состояния электронов были скоррелированы прежде, чем были измерены их спины: эта корреляция называется запутанностью. Насколько можно судить о глубоких концепциях в квантовой физике, квантовая запутанность, вероятно, самая молодая из них.

Только в конце 1960-х Джон Белл предложил экспериментальный тест для доказательства того, что природа действительно ведёт себя так. И только в самое последнее десятилетие было получено убедительное экспериментальное доказательство этого – правда, для фотонов, а не для электронов. Хоть наша маленькая воображаемая игра исходила из противоположных предположений, манипулирование состояниями запутанных фотонов на больших расстояниях и сохранение этих состояний оказывается невероятным, бросающим вызов здравому смыслу фактом реальности. Ничего не поделаешь – в нашем мире мы регулярно производим коррелирующие события, для корреляции которых нет ни одной причины.

Возможно, это покажется не таким неожиданным, если глубоко задуматься над смыслом принципа неопределённости. Он говорит нам, что некоторые параметры квантовой частицы не могут быть определены – другими словами, что их не существует, пока они не измерены. И в научном, и в техническом отношении это звучит нелепо, но никакой нелепости нет! Запутанность лежит в основе доказуемо нераскрываемой криптографии, секретного кода, который невозможно взломать. К тому же она может и кое-что объяснить в физике чёрных дыр! Но, прежде чем мы перейдём к этому вопросу, мы хотим, чтобы вы кое-что сделали… Знаете, что? Бросьте в печку энциклопедию.