Квантовая революция. Как самая совершенная научная теория управляет нашей жизнью - Адам Беккер

Долгое время поставленный Беллом вопрос о нелокальности оставался вне поля зрения физиков: вследствие ряда канцелярских ошибок[380] его статья о доказательстве фон Неймана два года пролежала в столе у редактора. Но Белл не мог махнуть на этот вопрос рукой – он хотел найти ответ немедленно. В этом и заключался его новый проект. «Я, конечно, знал, что мысленный эксперимент Эйнштейна – Подольского – Розена сыграл критическую роль [в выявлении нелокальности], так как в нем возникали мгновенные корреляции на расстоянии, – вспоминал позже Белл. – Поэтому я в явном виде поставил следующую задачу: построить простую модификацию опыта Эйнштейна – Подольского – Розена, для которой можно было бы создать модель, одновременно не нарушающую квантово-механической картины и сохраняющую полную локальность»[381].

В этой работе Белл использовал упрощенную схему эксперимента ЭПР, предложенную Бомом в учебнике, который он написал непосредственно перед тем, как разработал свою концепцию волны-пилота. Эта версия опыта ЭПР позволила Беллу намного упростить выстроенную им мысленную конструкцию. Вместо сталкивающихся и затем разлетающихся в разные стороны двух частиц с запутанным импульсом в построенной Бомом версии опыта ЭПР участвовали фотоны с запутанной поляризацией[382].

Поляризация – волновое свойство света. Свет является электромагнитной волной, а его поляризация – это преимущественная плоскость колебаний этой волны. Но для наших целей важно только то, что явление поляризации связано с пространственным направлением: мы можем представить себе поляризацию в виде маленькой стрелки, привязанной к каждому фотону и указывающей то или иное направление. Однако все это не так уж просто. Во-первых, мы не можем сказать, куда именно направлена стрелка поляризации фотона. Все, что мы можем сделать, – это измерить поляризацию фотона вдоль некоторой заданной оси в некоторый момент времени. Сделать это можно несколько косвенным путем: ставя на пути фотона поляризатор (линзу из поляроидных солнечных очков). Когда фотон попадает в поляризатор, он либо проходит сквозь него, либо поглощается; и чем ближе стрелка поляризации фотона к направлению оси поляризатора, тем выше у фотона вероятность пройти сквозь поляризатор.

В бомовской версии ЭПР два фотона с запутанной поляризацией вылетают из одного источника в противоположных направлениях к двум поляризаторам. Поляризаторы установлены так, чтобы измерять поляризацию вдоль одной и той же оси. Так как фотоны обладают запутанной поляризацией, то, когда они попадают в поляризаторы, с ними всегда происходит одно и то же – оба они либо блокируются поляризаторами, либо проходят сквозь них. При этом неважно, по какой оси установлены поляризаторы: коль скоро оси поляризаторов согласованы, запутанные фотоны нашей пары всегда будут вести себя одинаково на каждом из них. И, главное, не имеет значения, насколько далеко друг от друга поляризаторы установлены: независимо от расстояния между ними оба фотона либо пройдут сквозь них, либо будут поглощены.

Именно это и должно происходить по законам квантовой физики. Два запутанных фотона описываются одной и той же волновой функцией, что и гарантирует их неизменно одинаковое поведение при встрече с двумя поляризаторами с согласованными осями. Что именно они делают – поглощаются или проходят через поляризаторы, – волновая функция не определяет, но делать они должны непременно одно и то же.

Тут наконец выходит на свет сформулированный Эйнштейном принудительный выбор, который, как он опасался, не был ясно очерчен в статье ЭПР. Если мы предполагаем, что в природе действует принцип локальности, то единственным объяснением идеально синхронизированного на большом расстоянии танца запутанных фотонов будет то, что сценарий этого танца запрограммирован заранее, что фотоны сговорились о нем до того, как вылетели из своего общего источника. Но волновая функция, которая объединяет запутанные фотоны, ничего не сообщает нам ни о каком предварительном сговоре. Она только гарантирует, что фотоны, встретившись с одинаково настроенными поляризаторами, станут всегда вести себя одинаково, будут идеально скоррелированы. Следовательно, если природа придерживается принципа близкодействия, тогда кроме волновой функции должно быть еще что-то – должны быть скрытые переменные. Либо квантовая физика неполна, либо природа нелокальна. Нельзя совместить близкодействие и полноту квантовой физики. Это и есть вынужденный выбор Эйнштейна, в этом суть парадокса ЭПР.

Белл принялся с разных сторон анализировать мысленный эксперимент ЭПР – Бома, пытаясь построить модель, в которой сохранялись бы все результаты, предсказываемые квантовой физикой, и при этом полностью локальную, то есть построенную на принципе близкодействия. «Но как я ни старался, ничего не выходило, – рассказывал Белл. – И мне начало казаться, что, скорее всего, этого сделать не удастся. Тогда я сконструировал “доказательство невозможности”»[383].

Эйнштейн когда-то доказал, что квантовая физика должна выбирать между локальностью и полнотой. Построенное Беллом «доказательство невозможности» показало, что в действительности выбор делается между локальностью и корректностью. Исходя из предположения о том, что в природе действует принцип локальности, Белл вывел некое неравенство, математическое условие, которому должна удовлетворять любая локальная теория. Затем Белл искусно видоизменил бомовскую версию мысленного эксперимента ЭПР, создав ситуацию, в которой предсказания квантовой физики это неравенство нарушают.

Цель логической эквилибристики Белла состояла в том, чтобы продемонстрировать несовершенство предсказаний квантовой физики, а не их совершенство. В конце концов, идеальные корреляции, имеющие место в мысленном эксперименте ЭПР – Бома, легко сочетаются с принципом локальности – фотоны могут получать «секретные инструкции» о своем дальнейшем поведении в точке их совместного рождения. Но если вы поворачиваете ось одного из ваших поляризаторов, квантовая физика предсказывает, что пары запутанных фотонов, поступающие на вход этих поляризаторов, не будут больше вести себя всегда в точности одинаковым образом. И Белл показал, что эти неидеальные корреляции, предсказываемые квантовой физикой, все же слишком сильны, чтобы любая локальная теория взаимодействий могла их объяснить. Так что либо предсказания квантовой физики неверны и природа может быть локальной, либо квантовая физика права и «это жуткое дальнодействие» является реальностью. Белл открыл некую исключительно глубокую и контринтуитивную истину нашего мира.

К тому же Белл показал, что возможна экспериментальная проверка, которая позволила бы выбрать между этими двумя вариантами. Все, что для этого требуется, – построить и выполнить модифицированную Беллом версию мысленного эксперимента ЭПР или какого-либо другого эксперимента, построенного на взаимодействии запутанных частиц. Если результат этого опыта покажет, что неравенство Белла нарушается, квантовая физика оправдана, но природа нелокальна; если неравенство выполняется, то квантовая физика ошибается, но природа может быть построена на близкодействии. Таким образом, «доказательство невозможности» Белла вывело вопрос о нелокальности из сферы обсуждений и сделало его экспериментальной задачей. Это доказательство, известное теперь как теорема Белла, справедливо названо «глубочайшим научным открытием»[384].

* * *

Полученный Беллом результат оказался неожиданным и поставил новые проблемы. Близкодействие – основное предположение