Квантово-мистическая картина мира. Структура реальности и путь человека

Заречный Михаил

Наоборот, выполнение принципа неопределенности формально означало бы, что между частицами существует мгновенная связь с бесконечной скоростью передачи информации. Эту связь Эйнштейн именовал «телепатической», не веря в ее существование. Он и другие сторонники локального реализма при помощи скрытых параметров или как-то иначе пытались свести квантовую нелокальность к привычным представлениям локального реализма.

Таким образом, уже тогда, во времена Эйнштейна, возник вопрос, каков же на самом деле окружающий мир? Этот вопрос долгое время оставался предметом философских спекуляций, однако в 1964 году Джон Белл [31] сформулировал теорему, доказывающую возможность отличить предсказания теорий, основанных на локальности и детерминизме, от предсказаний нелокальной теории (квантовой механики). Соответственно, так называемые неравенства Белла позволяют ответить на вопрос о том, какая из теорий справедлива, исходя из анализа результатов эксперимента. Нарушение этих неравенств означает невозможность описать систему классическим

образом.

31

Bell J. S. On the Einstein Podolsky Rosen paradox // Physics 1, 3, 195–200 (1964).

Ответ на вопрос о том, в каком мире мы живем, и ответ именно в пользу нелокальности мира, был получен в 1982 году в историческом эксперименте группы Алена Аспекта [32] , проведенном в Парижском университете. К настоящему времени результат подтвержден сотнями последующих экспериментальных исследований.

Ознакомимся немного с историей этих захватывающих экспериментов. Эксперимент, подобный описанному выше с парой запутанных фотонов, был выполнен [33] в 1972 году, а затем повторен рядом других групп [34] . Схема эксперимента показана на рис. 7.

32

Aspect A., Grangier P., and Roger G. Phys. Rev. Lett. 49, 91 (1982); Aspect A., Dalibard J. and Roger G. Phys. Rev. Lett. 49, 1804 (1982).

33

Freedman S. J. & Clauser J. F. Experimental test of local hidden-variable theories // Phys. Rev. Lett. 28, 14, 938–941 (1972).

34

Fry E. S. & Thompson R. C. Experimental test of local hidden-variable theories // Phys. Rev. Lett. 37, 8, 465–468 (1976).

Рис. 7

Фотоны от источника при помощи системы линз направлялись к поляризационным анализаторам, а затем — к детекторам. Для эксперимента было необходимо регистрировать только 2 фотона, испущенных одним и тем же атомом. Это достигалось методом временных совпадений: если оба детектора зарегистрируют фотон, и разность времен регистрации не превысит окно в 20 нс (1 нс = 10^–9 с), то с очень большой вероятностью можно утверждать, что оба фотона были одновременно испущены одним и тем же атомом.

Результаты полностью соответствовали предсказаниям квантовой механики: если мы проведем измерение [35] одного фотона пары, то можем точно предсказать, каким будет результат измерения другого фотона, сколь угодно далеко они не были бы пространственно разнесены. Эксперимент показывает, что связь между частицами носит принципиально нелокальный характер.

В рамках классического подхода воздействие на одну из частиц не могло бы повлиять на состояние другой, если частицы не взаимодействуют.

35

Измерение означает определение состояния, в данном случае направления поляризации фотона: при продольной поляризации он проходит через анализатор, при поперечной — задерживается им.

Тем не менее, этот и другие эксперименты того времени еще оставляли возможность сторонникам локального реализма на что-то надеяться. Дело в том, что поляризационные анализаторы сохраняли свою относительную ориентацию постоянной, по крайней мере, в то время, пока фотон летел от источника к детектору. Как говорили сторонники теории скрытых параметров, этого может быть достаточно для обмена информацией между анализаторами с помощью какого-либо гипотетического механизма. Они утверждали, что в условиях данных экспериментов не были выполнены требования локальности Белла. Поэтому такие опыты нельзя рассматривать как критические эксперименты, устанавливающие справедливость квантовой механики или моделей со скрытыми параметрами.

Чтобы исключить и эту возможность [36] , Ален Аспект с коллегами выполнили эффектный эксперимент, в котором выбор ориентации поляризационных анализаторов производится оптическими переключателями во время полета фотонов (см. рис. 8).

Рис. 8

Эксперимент потребовал 8 лет подготовки и был закончен только в 1982 году.

Каждый переключатель представляет собой небольшой сосуд с водой, в котором ультразвук периодически возбуждает стоячие волны. Эти волны играют роль дифракционной решетки, способной отклонять падающие фотоны. При возбуждении стоячей волны фотон отклоняется на анализатор с одной ориентацией, а при «выключении» стоячей волны путь фотона лежит к другому анализатору с иной ориентацией. Время, за которое свет проходит расстояние между анализаторами (40 нс), превышает время, необходимое для переключения с одной ориентации на другую (10 нс).

36

Описание эксперимента цитируется по статье: Шимони А. Реальность квантового мира // В мире науки 3, 22 (1988). В описании последовательности экспериментов по квантовым корреляциям мы придерживаемся этой работы.

Поскольку скорость распространения сигнала не может превышать скорости света, то, согласно классическому подходу, в данном случае воздействие на одну часть системы не может повлиять на другую ее часть. Поэтому выбор ориентации для каждого анализатора не может повлиять на результаты наблюдений на другом анализаторе.

Эксперимент Аспекта показал, что данные о корреляции фотонов полностью согласуются с предсказаниями квантовой механики и более чем на 5 стандартных отклонений [37] отличаются от предельных значений, допускаемых теоремой Белла для любой локальной модели со скрытыми параметрами.

37

Стандартное отклонение — термин, используемый для оценки статистической достоверности результатов эксперимента. 5 стандартным отклонениям соответствует уровень статистической достоверности результатов лучше, чем 0,99999994.

Подтверждение нелокальности окружающего нас мира недавно было получено [38] и в условиях, когда различие между теориями возникает не только в статистических предсказаниях, как в эксперименте Аспекта, но и в каждом отдельном событии. Это стало возможным благодаря исследованию корреляций между тремя частицами в так называемых ГХЦ-состояниях [39] . Модели, основанные на локальном реализме, предсказывали для этих состояний противоположный знак измеряемой величины, нежели предсказания квантовой механики. Эксперимент однозначно показал справедливость предсказаний КМ.

38

Pan J-W., Bouwmeester D., Daniell M., Weinfurter H. and Zeilinger A. Experimental test of quantum nonlocality in three-photon Greenberger-Horne-Zeilinger entanglement // Nature 403, 515 (2000).

39

Название происходит от фамилий Гринбергер, Хорн и Цайлингер, Greenberger-Horne-Zeilinger states.

Выдающимся экспериментальным результатом последних лет является также доказательство [40] наличия нелокальных квантовых корреляций не только в системах с небольшим числом частиц, но и в макроскопических системах с громадным (около 10²³) числом частиц.

Применительно к теме книги этот результат может означать, что любой объект остается в неразрывной связи с Целым вне зависимости от того, осознаёт он это или нет.

Ещё одно удивительное явление, связанное с нелокальностью, — квантовая телепортация, то есть возможность переноса на расстоянии квантового состояния одного объекта на другой объект.

40

Ghosh S., Rosenbaum T. F., Aeppll G. and Coppersmith S. N. Entangled quantum state of magnetic dipoles // Nature 425, 48 (2003).

Перемещения самого объекта при этом не происходит, передаются лишь свойства одного объекта другому. Разрушив квантовое состояние в одной точке пространства, мы можем создать точно такое же состояние в другой точке.

Это явление примечательно тем, что наряду с классическим каналом передачи информации в нём используется и нелокальный квантовый канал. Телепортация может быть осуществлена и в том случае, когда состояние телепортируемого объекта неизвестно.

Способ практической реализации этого эффекта был предложен в 1993 году группой Чарльза Беннета [41] (IBM), а само явление впервые наблюдалось [42] в работах австрийских исследователей, возглавляемых Антоном Цайлингером, а также итальянских под руководством Франческо Де Мартини.

41

Bennett C. H., Brassard G., Cr'epeau C., Jozsa R., Peres A., Wootters W. K. Phys. Rev. Lett. 70, 1895 (1993).

42

См. обзоры: Zeilinger A. Sci. Am. 282, 5 (2000); Волович И. В.. Квантовая телепортация, криптография и парадокс Эйнштейна-Подольского-Розена. М., 2002; Килин С. Я. // УФН. 169, 507 (1999).