Нелокальность. Феномен, меняющий представление о пространстве и времени, и его значение для черных дыр, Большого взрыва и теорий всего - Джордж Массер

Рассмотрим наиболее известный научный спор недавнего времени: изменение климата. Большинство климатологов считают, что человеческая деятельность приводит к потеплению на планете, противники этой позиции до сих пор оспаривают это, и их доводы могут вызывать замешательство у тех, кто читает газету или бродит по сети. У большинства людей нет времени на то, чтобы стать экспертами по моделям общей циркуляции или измерениям длинноволнового излучения. Но одно мы можем понять точно: в практическом смысле спор можно разрешить независимо от того, продолжают ли эксперты спорить. В случае с изменением климата общественность уже знает все, что ей нужно. Существует немалый риск климатической катастрофы, и его снижение иначе как благоразумием не назовешь: чтобы понимать необходимость страхования от пожара, не нужно быть кандидатом наук по теории горения. Так же и с нелокальностью. Даже самые несгибаемые скептики теперь признают, что происходит что-то очень странное, что-то, заставляющее нас выходить за рамки самых глубоко укоренившихся представлений о пространстве и времени, что-то, требующее постижения, если мы хотим узнать, как возникла Вселенная и как физический мир образует одно совершенное целое.

Восприятие обществом – это не просто побочный вопрос для науки. Оно напрямую имеет отношение к делу, поскольку в изменчивой исследовательской среде, где идеи борются друг с другом и нет ничего абсолютно ясного, традиционные, с точки зрения сторонних наблюдателей, способы функционирования науки, т. е. использование фактов, логики, уравнений, экспериментов, недостаточны для прекращения прений. Ученым приходится полагаться на чутье, образные связи и суждения об адекватности их фундаментальных принципов, основанные на субъективной оценке. Решив исследовать нелокальность, я рассчитывал неспешно прогуляться на природе, но оказался в причудливом тропическом лесу, полном блестящих листьев, извилистых тропок и соблазнительных пристанищ, кишащих огненными муравьями. Одни ученые испытывают трепет перед бунтарской идеей поставить под вопрос одно из старейших и глубочайших понятий в науке. Другие содрогаются от подобного безумства. Если локальность нарушается, значит ли это, что наш мир в конечном счете непостижим, как опасался Эйнштейн, или смогут ли физики найти какой-то другой способ его постижения?

Лаборатория Энрике Гальвеза в Университете Колгейта размером примерно с гараж на пару машин и, как и большинство гаражей, забита всякой всячиной. Вдоль стен расположены столы, заставленные ящиками с инструментами, неисправными в той или иной мере электронными устройствами, а слева от входа находится самый часто используемый аппарат – кофеварка. В середине комнаты стоит пара оптических скамей: очень прочные стальные платформы размером с обеденный стол, покрытые сетью отверстий для закрепления зеркал, призм, линз и фильтров. «Как будто снова играешь в конструктор», – говорит Гальвез, веселый перуанец, который сильно напоминает Эла Франкена[4].

Если кто и взял на себя задачу показать миру, как выглядит квантовая запутанность, так это Гальвез. Запутанность – это наиболее известный тип нелокальности из тех, что наблюдались современными физиками, и именно он пугал Эйнштейна. Слово entanglement («запутанность») в английском языке имеет коннотации романтической связи: особые и, возможно, мучительные взаимоотношения. Две запутанные друг с другом частицы не в прямом смысле сплетаются, как клубки пряжи, скорее между ними существует особая связь, для которой пространство не имеет значения. Вы можете наблюдать это явление, создавая, отклоняя и измеряя лучи света – не обычные лучи от фонарика, а пучки запутанных фотонов. В первых версиях этого эксперимента, проведенных в 1970-х гг. в Беркли и в Гарварде, были задействованы хитроумные изобретения «безумных ученых» вроде раскаленных печей, штабелей оконных стекол и грохочущих телетайпов. Гальвез воспользовался Blue-ray лазерами и оптоволокном для того, чтобы уменьшить размеры установки, так что теперь она умещается на школьной парте.

Большинство знакомых мне физиков-экспериментаторов в глубине души изобретатели, которых хитроумные устройства приводят в восторг не меньше, чем тайны Вселенной. Один экспериментатор из Центра квантовых технологий в Сингапуре сказал мне, что в его лаборатории студенты-новички должны пройти особый тест. В нем нет ни одного вопроса по физике. Студентам предлагают рассказать, случалось ли им разобрать какой-нибудь бытовой прибор и собрать его обратно до того, как домашние узнавали об этом. Похоже, что стиральные машины пользуются в этом смысле успехом. Что касается Гальвеза, то его детской страстью была химия: ее взрывоопасная разновидность. Он провел детство в Лиме, в районе, где жили люди среднего достатка, и однажды с друзьями попытался сделать порох. У них получилась только дымовуха, что, возможно, и к лучшему. «Получилось намного веселее, чем какие-то взрывы, – вспоминает Гальвез. – Наверное, это было не очень безопасно».

По словам Гальвеза, он стал поборником нелокальности практически случайно. Как и большинство физиков, он не слишком задумывался об этом явлении до конца 1990-х гг., когда один коллега заглянул к нему в кабинет с весьма волнующими новостями: австрийский физик Антон Цайлингер и его товарищи по лаборатории использовали запутанность для телепортации частиц из одного места в другое. Телепортация?! Ни один поклонник «Звездного пути»[5] не мог остаться равнодушным. Хотя группа Цайлингера телепортировала всего лишь отдельные фотоны, а не десантный отряд космических кораблей, восторг от этого события затмил все, что было связано с дымовухами. Причем методика была простой. Предположим, вы хотите телепортировать фотон из левой половины лаборатории в правую. Сначала вы подготавливаете телепорты, создавая пару запутанных фотонов и помещая один в одной половине лаборатории, а другой во второй половине. После этого вы берете фотон, который хотите перенести, и организуете его взаимодействие с левой частицей. Поскольку запутанные частицы находятся в особой связи друг с другом, это взаимодействие сразу же проявляется справа, что позволяет фотону там воссоздаться. (Некоторые придираются к словам и спорят, действительно ли можно называть этот процесс телепортацией. Они считают, что по смыслу это больше похоже на «кражу личности». Экспериментаторы лишают левую частицу ее свойств и навязывают их правой частице. Но частица – это всего лишь сумма ее свойств, так что эти два описания эквивалентны.)

У Гальвеза с коллегой уже имелось все необходимое оборудование, и вскоре они тоже перемещали частицы по своей лаборатории. «Мы пытались понять телепортацию просто ради интереса», – говорит Гальвез. Другой коллега предложил им придумать такой эксперимент с запутанностью, который могли бы повторить даже слушатели курса физики для лириков. В нем не происходит телепортации, но выполняется первый и самый важный этап этого процесса, а именно: создаются и распределяются запутанные фотоны. Хотя установка кажется теперь очень простой, группа ученых билась над ней два года. Гальвез организовал летние семинары для ALPhA, ассоциации физического образования, чтобы показать преподавателям, как проводить этот эксперимент, а также опубликовал свои инструкции онлайн, чтобы любители делать все своими руками могли создавать запутанные частицы у себя в подвалах. Бывший президент ALPhA Дэвид ван Баак восклицает: «Мы давно прошли ту стадию, когда [изучение] запутанности было исключительно делом университетов. Оно становится массовым».