Тайны открытий XX века
Шрифт:
Поведение атомов вообще не поддается точному описанию. Этому препятствует принцип неопределенности Гейзенберга. Согласно ему, мы можем знать, например, либо местонахождение частицы, либо ее скорость. Если нам известно, как быстро движется частица, мы не в силах сказать, где она точно находится, и наоборот, стоит измерить ее координаты, как неопределенной становится скорость.
Создатели сериала «Звездный путь» искусно обошли проблему неопределенности в мире элементарных частиц, придумав так называемый «компенсатор Гейзенберга». Когда научного консультанта фильма спросили о том, как действует эта вещица, он ограничился лишь одним словечком: «Хорошо!»
Ученые не могут так просто отмахнуться от этой проблемы. Тем интереснее
Проблему, стоявшую перед ним и его коллегами, можно образно выразить так: попробуйте-ка перевезти из пункта А в пункт Б мешок… нет, не с котом, а с Протеем, который «разные виды начнет принимать и являться вам станет всем, что ползет по земле, и водою, и пламенем жгучим» (Гомер, пер. В.А. Жуковского), стоит лишь вам развязать путы мешка. Где гарантия, что Протей сохранит свой облик неизменным? Как доставить в пункт Б «неведомо что»? Может быть, не развязывать мешок и сдать это «неведомо что» в целости и сохранности, не интересуясь тем, как оно выглядит, ибо облик его превосходит разумение человека? Именно так и поступил австрийский физик, готовя свой опыт.
Так бывает в науке
Еще в 1993 году группа американских физиков из исследовательского центра IBM во главе с Чарлзом Беннеттом придумала метод, позволяющий «телепортировать» частицы (или, строго говоря, информацию о них, их квантовое состояние, например, значение спина у электрона или атомного ядра, поляризацию у фотона) из одного места в другое на любое расстояние. Главные роли в этом эксперименте должны были играть «негативные близнецы» — частицы, которые на любом расстоянии ведут себя наперекор друг другу, как будто их что-то «связывает». Схема была такова. Чтобы «телепортировать» частицу С, надо «связать» («сцепить») ее с другой частицей (обозначим ее А), и эту же частицу А «связать» с третьей частицей — В. Тогда свойства частицы С, — помните, «минус на минус дает плюс»? — передадутся частице В.
Тут, конечно, нужны подробности. В принципе за любой нашей репликой могла бы следовать череда поправок, уточнений, замечаний, пояснений, которая завела бы нас в «бесконечный тупик» речи, если бы не одно обстоятельство. Сказанное нами, как правило, и так бывает известно нашему собеседнику, а потому не требует особых комментариев. В данном же случае мы вынуждены вновь и вновь уточнять схему необычного опыта, дополняя ее хоть какими-то подробностями, словно размечая путь в туманном мире квантовой физики.
Итак, чем мы располагаем? У нас есть фотон С (для своих опытов Цайлингер выбрал именно эту элементарную частицу). Мы намерены «телепортировать» его в иную точку пространства. В «доквантовом» мире мы бы переслали, переместили, передвинули наш объект в эту точку со скоростью, не превышающей скорость света. Теперь можно сделать по-другому. Если в той точке пространства будет пребывать такая же частица — фотон, то нам достаточно, чтобы она изменила свои параметры и стала выглядеть точь-в-точь как частица C. Череда мгновенных превращений — вот лучший транспорт квантового мира! Фотон C и безликий фотон B, что воплотит чужой образ, — это начало и конец пути, это старт и финиш. Из пункта C в пункт B путешествует не сам герой, а его «паспорт». В квантовом мире эта «бумажка» воистину важнее любой букашки. Только с ее обретением элементарная частица принимает законченный вид.
Как видите, наша задача изменилась. Мы не частицу собираемся перемещать, мы лишь похитим ее «паспорт» и молниеносно подкинем его другой участнице опыта. В микромире фальшивых документов не бывает. Что записано в них, такова и частица.
Квантовый
А если продолжить нашу цепочку? В ней появится еще один человек, сидящий с мячом, загадочно меняющим цвет. Тогда срабатывает «закон отрицания отрицания»: черное — белое — черное. Таков результат мгновенных перемен. «Паспорт» передан. Объект, пребывающий в точке В, теперь выглядит так же, как его прототип С.
Для того чтобы это случилось, нужен посредник — фотон А, то есть «негативный близнец» фотонов С и В. Мы можем прибегнуть к еще одному развернутому сравнению. Представьте себе, что в точке С пребывает частица, а в точке А находится зеркало. Что бы ни происходило с фотоном, зеркало А повторит его образ, чуть переиначив его, поменяв местами «левое» и «правое». Где-то в глубине нашей воображаемой лаборатории стоит еще одно зеркало (В). Оно «копирует» копию, оно повторяет ее гримасы и фортели, снова меняя местами «левое» и «правое». Теперь они совпадают: исходная частица и ее образ, отразившийся в одном из зеркал.
Еще раз повторим. В опыте участвуют: исходная частица С, частица В, которой передадутся ее свойства, и, самое главное, частица А — посредник, сцепленный с обоими фотонами и отрицающий свойства каждого. Чтобы отрицать их, не надо их определять. Не надо разворачивать «мешок», в котором спрятан переменчивый Протей! В квантовом мире любые измерения искажают свойства частицы. Буковки в «паспорте» тут же меняются местами, стоит его развернуть. Изображение в «зеркале» тут же оживает, стоит в него вглядеться.
Но как тогда понять, что фотон А, например, противоположен фотону С? Что ж, приборы позволяют обойти эту теоретическую ловушку. Мы можем отметить, что такая-то пара частиц является «антисимметрично коррелированной», что эти частицы — «негативные близнецы». Но кому какие свойства принадлежат, нам не дано знать. Под нашими взорами частица становится собственным отражением, а ее отражение — частицей. Все перепутывается в зыбком квантовом мире, и «тень говорит голосом человека, а человек подражает собственной тени, и их фигуры неразличимы».
Прервем перечень сравнений и символов. Пора переходить от теории к практике. Героями опыта, поставленного на столе лаборатории в Инсбруке, были незримо «сцепленные» друг с другом фотоны. Чтобы их получить, ученые направляли на нелинейный оптический кристалл световые импульсы, длившиеся всего 150 миллионных долей одной миллиардной доли секунды (генерировал их титаносапфировый лазер красного излучения). Видимые световые сигналы преобразовывались в ультрафиолетовые. Цайлингер помещал на их пути еще один нелинейный кристалл, и тогда вновь возникала пара фотонов красного света — А и В. Хитрость заключалась в том, что плоскости колебаний обеих частиц были теперь всегда перпендикулярны друг другу. С этого момента, если одна из них была поляризована в горизонтальной плоскости, другая совершала колебания лишь в вертикальной плоскости, и наоборот. Так получили первую пару «сцепленных» частиц. Ничего более точного об их поляризации не требовалось знать, она оставалась неопределенной. Фотон В был «чистым листом», на котором ученые собирались записать свойства другого фотона (С), или же «зеркалом», в котором появится чужое отражение.