Как нас обманывают органы чувств - Дональд Дэвид Хоффман

определенными параметрами независимо от того, наблюдает их кто-то или нет. Точнее говоря, он верил в локальный реализм. Реализм – это утверждение, что физические объекты обладают определенными значениями физических параметров – таких как координаты, импульс, спин, заряд и поляризация, – даже когда их никто не наблюдает. Локальность – это утверждение, что физические объекты не могут влиять друг на друга быстрее скорости света. Локальный реализм гласит, что и локальность, и реализм истинны. В своем письме физику Максу Борну Эйнштейн настаивал, что физика должна придерживаться «требования о независимом существовании имеющихся в различных областях пространства физических реальностей»{154}[14]. Эйнштейн считал, что квантовая теория, которая нарушает это требование, не дает полного представления физической реальности. В своем письме Борну он отмечал: «Я все же нигде не нахожу факта, который казался бы мне достаточно основательным, чтобы отказаться от этого требования»{155}.

Это было правдой, когда Эйнштейн писал это в 1948 году. Но в 1964 году физик Джон Белл открыл факт, который ошеломил бы Эйнштейна: существуют эксперименты, для которых квантовая теория предсказывает результаты, противоречащие локальному реализму{156}. Независимо от того, является ли квантовая теория, как утверждал Эйнштейн, неполной, она противоречит локальному реализму. Теперь эксперименты Белла проводятся в различных вариациях, и каждый раз предсказания квантовой теории подтверждаются. Теперь у нас есть превосходное доказательство, что локальный реализм эмпирически ошибочен, даже если квантовая теория ошибочная или неполная. Это значит, что реализм ошибочен или локальность ошибочна, или ошибочны оба. Здесь для Эйнштейна нет удачного выбора, или для нашей обыденной интуиции.

Одна экспериментальная проверка локального реализма, вдохновленная Беллом и осуществленная в Делфтском технологическом университете в Нидерландах, измерила спины запутанных электронов{157}. Спин электрона странная штука. Фрисби, волчки и фигуристы могут вращаться медленно, быстро и в диапазоне между. Но не электрон. Если измерить проекцию его спина на любую ось, вы обнаружите, что есть только два возможных ответа – вверх или вниз. Как будто электрон может вращаться или по часовой стрелке, или против, но только с одной скоростью.

Запутанность тоже странная. Поставьте два вращающихся волчка бок о бок, и вы можете описать каждый волчок и его спин (момент импульса) по-отдельности. Но для двух запутанных электронов это невозможно. Их надо описывать, как будто это один неделимый объект независимо от того, насколько далеко они друг от друга. Например, физик может запутать спины двух электронов таким образом, что если спин одного электрона вдоль какой-то оси устремлен вверх, то спин другого электрона по этой оси всегда стремится вниз. Это справедливо независимо от того, какую ось вы выберете. Также это справедливо независимо от того, насколько далеко электроны друг от друга. Они могут находиться на расстоянии в миллиард световых лет. И тем не менее, если вы измерите спин электрона рядом с вами, то мгновенно узнаете, что обнаружили бы, измерив спин электрона, который находится за миллиард световых лет. Если реализм прав и если ваше измерение спина здесь мгновенно влияет на спин электрона за миллиард световых лет, то этот эффект нарушает принцип локальности – о том, что никакое влияние не может распространяться быстрее скорости света.

Во время делфтского эксперимента создали запутывание спинов двух электронов на расстоянии 1280 м{158}. Свет преодолевает это расстояние за четыре миллионных секунды. Спины двух электронов измеряли по случайно выбранным осям. Принципиально важно, что два спина измерили в одно и то же время. Это гарантировало, что одно измерение не могло повлиять на другое никаким локальным процессом, то есть процессом, который распространяется не быстрее скорости света. Делфтский эксперимент, как и все другие, подтвердил предсказания квантовой теории и опроверг локальный реализм. Измерения спинов двух электронов были связаны таким образом, который, как показал Белл, был бы невозможен, если бы локальный реализм был верным. Либо реализм неверен и электроны не обладают определенными значениями спина до того, как их измерят, либо неверна локальность и электроны влияют друг на друга со скоростью, превышающей скорость света. Или неверны оба: и реализм, и локальность.

Физики пытаются разгадать, какое из предположений ошибочно, реализм или локальность. Эксперименты Антона Цайлингера и его коллег с запутанными фотонами опровергли большой класс теорий, утверждавших, что реализм верен, а локальность ошибочна{159}. Они делают вывод: «Мы убеждены, что наши результаты обеспечивают сильную поддержку мнению, что любые будущие дополнения квантовой теории, которые согласуются с экспериментами, должны отвергнуть конкретные параметры при описании реальности»{160}. Хотя присяжные еще совещаются, защищать реализм стало труднее, благодаря экспериментам Цайлингера.

ИТВ предсказывает, что реализм ошибочен, и физика не опровергает это предсказание. Наоборот, каждая проверка локального реализма, наперекор нашей интуиции, подтверждает предсказания ИТВ. Эксперименты вроде проведенных Цайлингером затягивают петлю на шее реализма.

Как и еще одна теорема, которая вытекает из квантовой теории и не делает предположений насчет локальности. Она была доказана Беллом в 1966 году и Саймоном Кохеном и Эрнстом Спекером в 1967 году и называется теоремой Кохена-Спекера (КС). Она гласит, что никакой параметр, такой как координаты или спин, не имеет определенного значения, независимого от метода измерения{161}. Противоположное утверждение, что параметр может иметь определенное значение, независимое от метода измерения, называется «неконтекстуальный реализм». Теорема КС гласит, что неконтекстуальный реализм ошибочен.

Но неконтекстуальный реализм – это именно то, что мы отстаиваем, говоря, что Луна существует, даже когда на нее никто не смотрит. Это реализм, который подразумевал Фрэнсис Крик, когда писал, что Солнце и нейроны существуют, когда никто не смотрит. Именно этот реализм ошибочен – независимо от любых проблем, связанных с локальностью.

Теорема КС разбивает и другое убеждение Эйнштейна о реальности. В 1935 году в известном издании вместе с Борисом Подольским и Натаном Розеном он заявил: «Если без какого-либо нарушения системы мы можем с уверенностью предсказать (то есть с вероятностью, равной единице) значение физической величины, то существует элемент физической реальности, соответствующий этой физической величине»{162}.

Это утверждение может показаться правдоподобным. Предположим, вы можете сказать мне с полной уверенностью до того, как проведете измерения, что спин электрона по одной из осей во время наблюдения наверняка будет направлен вверх – нет шанса, заверите вы меня, что он будет направлен вниз. И предположим, что каждый раз во время тысяч наблюдений вы будете правы. Тогда я могу заключить, что ваша уверенность оправдана и ваше предсказание всегда верно, потому что электрон действительно все время обладает этим спином.