Квант. Путеводитель для запутавшихся

Нелокальность

Все мы слышали не имеющие надежных свидетельств, но при этом интригующие заявления о том, что идентичные близнецы могут чувствовать эмоциональное состояние друг друга, даже если их разделяют большие расстояния. Утверждается, что близнецы каким-то образом связаны на психическом уровне, который науке еще только предстоит объяснить. Подобным образом пытаются объяснить и как собака чувствует, когда ее хозяин идет домой, и как должны работать черномагические куклы вуду. Стоит подчеркнуть, что я не утверждаю, будто эти примеры имеют хоть какое-то отношение к квантовой механике, и даже не верю, что они действительно происходят. Я упоминаю их исключительно в качестве дурацких примеров феномена под названием нелокальность. Интересно, что существование нелокальности в квантовом мире неопровержимо доказано: она проявляется посредством эффекта, именуемого запутанностью.

Представьте игральные кости. Какова вероятность, что выпадет дубль? Математические расчеты вполне очевидны. Для каждого значения одной кости существует один из шести шансов на то, что значение второй окажется таким же. Следовательно, вероятность двух дублей подряд составляет один к тридцати шести (так как 1/6 × 1/6 = 1/36). Конечно, это не означает, что, если вы бросите кости тридцать шесть раз, два дубля подряд выпадут только однажды; это означает лишь, что «в среднем» вероятность их выпадения именно такова[28]. Путем перемножения дробей мы получаем, что вероятность выбросить дубль десять раз подряд составляет примерно один к шестидесяти миллионам! А это значит, что, если бы каждый гражданин Британии бросил кости десять раз подряд, то статистически десять дублей выпало бы только у одного из них.

Что, если я дам вам кости, которые всегда падают дублями? Может, сначала выпадет дубль-шесть, затем дубль-два и так далее: число выпадает случайно, но при этом кости синхронизированы между собой. Вы по праву удивитесь и попытаетесь понять, в чем тут фокус. Возможно, в них встроен какой-то механизм, который контролирует, как именно они падают, и обе кости заранее запрограммированы приземляться в одной и той же последовательности номеров. Это можно легко проверить, бросив только одну кость, а вторую при этом зажав в кулаке. Теперь они рассинхронизируются и фокус не сработает.

Если же они продолжат выпадать дублями, несмотря на это, то объяснить это можно лишь тем, что они, видимо, каким-то образом восстанавливают синхронность перед каждым броском, обмениваясь дистанционным сигналом. Однако такой обмен сигналами требует важной оговорки: если кости находятся очень далеко друг от друга (скажем, одна из них на Земле, а другая – на Плутоне), их необходимо бросать в соответствии с составленным заранее расписанием, чтобы они не успели передать друг другу никакой сигнал.

Само собой, если бросить кости всего один раз и впоследствии подтвердить, что они упали одинаково, все это можно списать лишь на счастливый случай. Но повторяя процесс на Земле и на Плутоне снова и снова, скажем, раз в минуту, и обнаруживая, что кости всегда ложатся одинаково, мы придем к мысли о какой-то мгновенной связи. Естественно, мы можем убедиться, что они не синхронизируются перед броском, точно так же, как мы выясняли, что они не запрограммированы идентичным образом. Для этого мы произвольное число раз бросаем ту кость, которая находится на Земле, в последнюю минуту перед началом эксперимента.

Свет с Земли достигает Плутона за несколько часов, так что перед каждым броском кости не могут связываться друг с другом посредством какого бы то ни было известного нам физического сигнала. Если же они все равно ложатся одинаково, нам приходится признать, что они взаимодействуют на скорости, которая выше скорости света, а существование такой скорости запрещается всеми известными нам физическими законами.

В специальной теории относительности Эйнштейн доказал, что ни одно тело и ни один сигнал не может двигаться быстрее скорости света. Представьте его недоверие, когда выяснилось, что квантовые частицы действительно могут взаимодействовать друг с другом описанным образом[29].

Описанное выше поведение костей представляет собой пример того, что технически называется нелокальной связью. Под этим я понимаю, что происходящее здесь мгновенно влияет на происходящее где-то там. Без этого не обойтись, если кости снова и снова демонстрируют знание о том, как выпадет другая, хотя для передачи между ними какого-либо сигнала времени недостаточно. В классической механике это невозможно. Идея причины и следствия не только подразумевает, что причины всегда опережают следствия, но и подчиняется одному строгому условию. Одним из самых важных уроков, которые мы извлекли из теории относительности Эйнштейна, является то, что, если два события, одно из которых представляет собой причину другого, разделены некоторым расстоянием, они должны быть разделены и временем в связи с существованием барьера скорости света. Следовательно, если кому-то суждено пострадать в дорожной аварии, в соответствии с законами классической физики его идентичный близнец, находящийся в тысяче километров от него, не может (какое бы физическое сообщение ни было послано) узнать об этом быстрее, чем свет пройдет расстояние между ними – всего за несколько тысячных секунды.

Физики уже не сомневаются, что мгновенная коммуникация между далекими объектами, или нелокальность, является характерной чертой квантового мира и может быть связана с природой самой волновой функции. Большинство физиков не слишком переживает об этом, так как квантовая нелокальность не может использоваться для передачи сигнала на скорости выше скорости света – в нарушение теории относительности – из-за свойственной квантовому миру вероятностной природы.

Нам не нужно обращаться к гипотетическому примеру двух волшебных костей, чтобы продемонстрировать нелокальность в действии. Она характерна для уже знакомой нам расщепленной волновой функции в двух ответвлениях интерферометра. Если два ответвления устройства находятся на расстоянии нескольких световых лет друг от друга, мы все же можем включить детектор, после того как атом вошел в интерферометр, чтобы проверить, находится ли он в одном из ответвлений[30]. Если мы обнаружим атом, той части волновой функции, которая следует по другому ответвлению, тотчас придется принять нулевое значение, так как нет никакой вероятности, что атом выбрал этот маршрут.

Описанное выше свойство нелокального коллапса частей распространенных волновых функций при наблюдении за происходящим в других обстоятельствах называется просто – коллапс волновой функции.

Мне стоит заметить, что мой пример с костями существенно отличается от того, что на самом деле происходит в квантовой механике. Если бы кости действительно были связаны на квантовомеханическом уровне, то, бросая одну из них, как я и предлагал, чтобы исключить вероятность предварительной настройки, мы неизбежно будем изменять результат бросания другой.