Нет, «запутанные» частицы не сообщаются с друг другом
Квантовая механика, теория, которая объясняет микромир атомов и частиц, определенно обладает Х-фактором. В отличие от многих других областей физики, она причудлива и контринтуитивна, что делает ее ослепительной и интригующей. Когда в 2022 году Нобелевская премия по физике была присуждена Алену Аспекту, Джону Клаузеру и Антону Цайлингеру за исследования, проливающие свет на квантовую механику, это вызвало волнение и дискуссии.
Но дебаты о квантовой механике — будь то на форумах, в СМИ или в научной фантастике — часто могут казаться путанными из-за ряда устойчивых мифов и заблуждений. Вот четыре самых распространенных.
1. Кот одновременно жив и мертв
Эрвин Шредингер, вероятно, никогда не мог предположить, что его мысленный эксперимент «кот Шредингера» приобретет статус интернет-мема в 21 веке.
Он предполагает, что неудачливый кот, застрявшая в ящике с выключателем, срабатывающим в результате случайного квантового события — например, радиоактивного распада — может быть жив и мертв одновременно, если мы не открываем ящик, чтобы проверить.
Мы давно знаем, что квантовые частицы могут находиться в двух состояниях — например, в двух местах — одновременно. Мы называем это суперпозицией.
Ученые смогли продемонстрировать это в знаменитом эксперименте с двойной щелью, когда одна квантовая частица, например, фотон или электрон, может одновременно проходить через две разные щели в стене. Откуда мы это знаем?
В квантовой физике состояние каждой частицы также является волной. Но когда мы посылаем поток фотонов — один за другим — через щели, это создает картину двух волн, интерферирующих друг с другом на экране за щелью. Поскольку у каждого фотона не было других фотонов, с которыми он мог бы интерферировать, когда он проходил через щели, значит, он должен был одновременно пройти через обе щели, интерферируя сам с собой.
Однако, чтобы это сработало, состояния (волны) в суперпозиции частицы, прошедшей через обе щели, должны быть «когерентными» — иметь четко определенные отношения друг с другом.
Такие эксперименты с суперпозицией можно проводить с объектами все большего размера и сложности. Один знаменитый эксперимент Антона Цайлингера в 1999 году продемонстрировал квантовую суперпозицию с большими молекулами углерода-60, известными как «шарики».
Что же это значит для нашего бедного кота? Действительно ли он и жива, и мертв, пока мы не откроем коробку? Очевидно, что кот совсем не похож на отдельный фотон в контролируемой лабораторной среде, он гораздо больше и сложнее. Любая когерентность, которую триллионы и триллионы атомов, составляющих кота, могут иметь друг с другом, крайне недолговечна.
Это не означает, что квантовая когерентность невозможна в биологических системах, просто она обычно не применима к таким большим существам, как кот или человек.
2. Простые аналогии могут объяснить запутанность
Запутанность — это квантовое свойство, которое связывает две различные частицы таким образом, что если вы измеряете одну из них, то автоматически и мгновенно узнаете состояние другой — независимо от того, как далеко они находятся друг от друга.
Обычные объяснения этого свойства связаны с повседневными объектами нашего классического макроскопического мира, такими как игральные кости, карты или даже пары носков. Например, представьте, что вы говорите своему другу, что положили синюю карту в один конверт, а оранжевую — в другой. Если ваш друг возьмет и откроет один из конвертов и найдет синюю карту, он будет знать, что у вас оранжевая карта.
Но чтобы понять квантовую механику, вы должны представить, что две карты в конвертах находятся в совместной суперпозиции, то есть они одновременно оранжевые и синие (в частности, оранжевые/синие и синие/оранжевые). Открыв один конверт, вы обнаружите один цвет, определенный случайным образом. Но при открытии второго всегда обнаруживается противоположный цвет, поскольку он связан с первой картой.
Можно заставить карты предстать в другом наборе цветов, что напоминает другой тип измерения. Можно открыть конверт, задав вопрос: «это зеленая или красная карта?». Ответ снова будет случайным: зеленая или красная. Но, что очень важно, если бы карты были запутаны, то на тот же вопрос другая карта всегда давала бы противоположный результат.
Альберт Эйнштейн попытался объяснить это с помощью классической интуиции, предположив, что карты могли быть снабжены скрытым внутренним набором инструкций, который указывал им, какого цвета они должны появиться в ответ на определенный вопрос. Он также отвергал очевидное загадочное взаимодействие действие между картами, которое, по-видимому, позволяет им мгновенно влиять друг на друга, что означало бы коммуникацию быстрее скорости света, а это запрещено теориями Эйнштейна.
Однако впоследствии объяснение Эйнштейна было опровергнуто теоремой Белла (теоретический тест, созданный физиком Джоном Стюартом Беллом) и экспериментами нобелевских лауреатов 2022 года. Идея о том, что измерение одной запутанной карты изменяет состояние другой, не соответствует действительности. Квантовые частицы просто таинственным образом коррелируют между собой так, как мы не можем описать с помощью повседневной логики или языка — они не общаются и одновременно содержат скрытый код, как считал Эйнштейн. Поэтому забудьте о повседневных объектах, когда вы думаете о запутывании.
3. Природа нереальна и «нелокальна»
Часто говорят, что теорема Белла доказывает, что природа не является «локальной», что объект не находится под прямым влиянием своего непосредственного окружения. Другая распространенная интерпретация заключается в том, что она подразумевает, что свойства квантовых объектов не являются «реальными», что они не существуют до измерения.
Но теорема Белла позволяет нам сказать, что квантовая физика означает, что природа не является одновременно реальной и локальной, только если мы одновременно предполагаем несколько других вещей. Эти предположения включают идею о том, что измерения имеют только один результат (а не несколько, возможно, в параллельных мирах), что причина и следствие движутся вперед во времени и что мы не живем во «вселенной с часовым механизмом», в которой все было предопределено с начала времен.
Несмотря на теорему Белла, природа вполне может быть реальной и локальной, если допустить нарушение некоторых других вещей, которые мы считаем здравым смыслом, например, движение времени вперед. И дальнейшие исследования, надеюсь, сузят огромное количество потенциальных интерпретаций квантовой механики. Тем не менее, большинство вариантов на повестке — например, время, текущее назад, или отсутствие свободы воли — по меньшей мере, столь же абсурдны, как и отказ от концепции локальной реальности.
4. Никто не понимает квантовую механику
Классическая цитата (приписываемая физику Ричарду Фейнману, но в этой форме также перефразирующая Нильса Бора) гласит: «Если вы думаете, что понимаете квантовую механику, то вы ее не понимаете».
Это мнение широко распространено в обществе. Квантовую физику якобы невозможно понять, в том числе и физикам. Но с точки зрения 21 века, квантовая физика не является ни математически, ни концептуально особенно сложной для ученых. Мы понимаем ее очень хорошо, настолько, что можем предсказывать квантовые явления с высокой точностью, моделировать очень сложные квантовые системы и даже начать строить квантовые компьютеры.
Суперпозиция и запутанность, если объяснять их на языке квантовой информации, требуют не больше, чем математика средней школы. Теорема Белла вообще не требует никакой квантовой физики. Она может быть выведена в нескольких строках с помощью теории вероятности и линейной алгебры.
Возможно, истинная сложность заключается в том, как примирить квантовую физику с нашей интуитивной реальностью. Отсутствие всех ответов не остановит нас от дальнейшего прогресса в квантовых технологиях. Мы можем просто заткнуться и вычислять.
К счастью для человечества, нобелевские лауреаты Аспект, Клаузер и Цайлингер отказались молчать и продолжали спрашивать, почему. Возможно, другие, подобные им, однажды помогут примирить квантовые странности с нашим восприятием реальности.
Алессандро Федрицци — профессор физики в Университете Хериот-Ватт.
Мехул Малик — профессор физики Университете Хериот-Ватт.
Оригинал: Pocket
