Квант. Эйнштейн, Бор и великий спор о природе реальности - Манжит Кумар

Такая замена позволительна, поскольку фотоны обладают свойством, называемым поляризацией. В эксперименте оно играло роль квантового спина. Хотя это и упрощение, можно считать, что фотон поляризован “вверх” либо “вниз”. Совсем как в случае спина электрона, если измерение показывает, что поляризация фотона в направлении оси х соответствует значению “вверх”, измерение поляризации второго фотона должно соответствовать значению “вниз”, поскольку полная поляризация обоих фотонов должна остаться равной нулю.

Причина, по которой в эксперименте предпочтительнее использовать фотоны, а не электроны, заключается в том, что их легче получить в лабораторных условиях. Это важно особенно из-за того, что надо произвести измерения над очень большим числом пар. Только в 1972 году Клаузер и Фридман были готовы к проверке неравенства Белла. Они нагревали атомы кальция до тех пор, пока те не получали достаточно энергии, чтобы электрон перешел из основного состояния на более высокий энергетический уровень. Возвращение электрона обратно в основное состояние происходило в два этапа и сопровождалось испусканием двух перепутанных фотонов, зеленого и голубого. Фотоны разлетались в противоположных направлениях, а затем детекторы одновременно измеряли их поляризации. В первой серии экспериментов детекторы были ориентированы под углом 22,5° друг относительно друга, а в другой серии их переориентировали так, что угол между ними составлял 67,5°. После двухсот часов измерений Клаузер и Фридман обнаружили, что уровень корреляции фотонов не укладывается в границы, диктуемые неравенством Белла.

Этот результат свидетельствовал в пользу нелокальной копенгагенской интерпретации квантовой механики Бора с ее “сверхъестественным действием на расстоянии” и против локальной реальности, отстаиваемой Эйнштейном. Однако надо сделать существенную оговорку, относящуюся к справедливости полученного результата. Между 1972 и 1977 годами разные группы экспериментаторов провели девять независимых проверок неравенства Белла. Оно нарушалось только в семи случаях48. Эта неоднозначность заставляла сомневаться в точности экспериментов. Одна из проблем была связана с недостаточной эффективностью детекторов, в результате чего измерения удавалось провести не для всех образовавшихся пар, а только для их малой части. Никто точно не знал, как это сказывается на уровне корреляций. Были еще лазейки, которые надо было исключить, прежде чем сделать окончательный вывод о том, по ком звонит теорема Белла.

В то время как Клаузер и его коллеги были заняты экспериментами, физик, получивший образование во Франции и работающий в Африке волонтером, проводил свободное время за изучением квантовой механики. Продираясь через параграфы одного из известных французских учебников, Ален Аспект осознал красоту мысленного эксперимента ЭПР. Прочитав работы Белла, из которых было ясно, что утверждения ЭПР можно проверить, он стал раздумывать, как поставить эксперимент для строгой проверки его неравенства. В 1974 году, после трех лет, проведенных в Камеруне, Аспект вернулся во Францию.

В полуподвальной лаборатории Института оптики XI Парижского университета (“Пари-Зюд”) в Орсе двадцатисемилетний физик приступил к осуществлению своей африканской мечты. “У вас есть постоянная работа?” — спросил Белл, когда Аспект приехал навестить его в Женеве49. Аспект объяснил, что он аспирант и хочет написать диссертацию. “Вы, должно быть, очень смелый аспирант”, — заметил Белл50. Его беспокоило, что молодой француз, взявшийся за такой сложный эксперимент, рискует погубить свою карьеру.

Аспект и его коллеги потратили больше времени, чем могли себе представить. Но в 1981 и 1982 годах, используя последние технические новинки, включая лазеры и компьютеры, им удалось выполнить не один, а три тонких эксперимента по проверке неравенства Белла. Как и Клаузер, они измеряли корреляции поляризации пар перепутанных фотонов, двигающихся в противоположных направлениях, после того, как те одновременно испускались источником, в качестве которого использовались отдельные атомы кальция. Однако скорость рождения электронных пар и скорость измерений оказались гораздо выше. Эксперименты показали, говорил Аспект, “наиболее сильное из всех наблюдавшихся ранее нарушений неравенства Белла и прекрасную согласованность с квантовой механикой”51.

На защите докторской диссертации Аспекта в 1983 году одним из экзаменаторов был Белл. Однако некоторые сомнения, касающиеся полученных результатов, сохранялись. Поскольку на кону стояла природа квантовой реальности, сомнения, включая самые невероятные возможности, необходимо было устранить. Например, надо было показать, что детекторы не могут каким-либо образом подавать друг другу сигналы. Позднее подобную возможность исключили, изменяя случайным образом ориентации детекторов в то время, как электроны были еще в пути. Эксперимент Аспекта не стал решающим, но дальнейшие его усовершенствования и другие исследования, проводившиеся еще в течение многих лет, подтвердили полученные им первоначально результаты. Хотя не было эксперимента, в котором бы абсолютно достоверно было показано, что все возможности ошибки устранены, большинство физиков согласилось с тем, что неравенство Белла нарушается.

Белл вывел свое неравенство исходя только из двух предположений. Во-первых, существует не зависящая от наблюдателя реальность, то есть частица обладает строго определенными свойствами, такими как спин, еще до того, как это свойство измерено. Во-вторых, сохраняется локальность. Нет воздействия, которое распространяется быстрее света, а значит, то, что происходит здесь, не может мгновенно подействовать на то, что происходит где-то в другом месте. Результаты Аспекта означают, что одно из этих предположений должно нарушаться. Белл был готов пожертвовать локальностью. “Хочется реалистически смотреть на мир, рассуждать о мире, считать его реальным, даже если он не наблюдаем”, — говорил он52.

Белл умер в октябре 1990 года от инсульта в возрасте шестидесяти двух лет. Он до конца верил, что “квантовая теория — только временная уловка”, которую в конечном счете заменит лучшая теория53. Тем не менее он признавал, что эксперимент указывает, что “взгляд Эйнштейна на мир оказался несостоятельным”54. Теорема Белла “звонила” по Эйнштейну и локальной реальности.

Глава 15.

Квантовый демон

“О проблемах квантовой механики я думал в сто раз больше, чем об общей теории относительности”, — заметил однажды Эйнштейн1. То, что Бору приходилось отрицать существование объективной реальности, когда он пытался понять, что именно квантовая механика рассказывает об атомном мире, явно указывало Эйнштейну, что эта теория содержит в лучшем случае часть правды. Датчанин настаивал, что за границами эксперимента — акта наблюдения — квантовой реальности нет. “Бесспорно, логика позволяет в такое поверить, — признавал Эйнштейн, — но это настолько противоречит моему инстинкту ученого, что я не могу отказаться от поисков более завершенной концепции”2. Он продолжал “верить в возможность построения модели реальности, которая представляет сами события, а не только вероятность их осуществления”3. Однако в конечном счете ему не удалось доказать несостоятельность интерпретации Бора. “О теории относительности он говорил беспристрастно, а о квантовой теории — сильно волнуясь, — вспоминал Абрахам Пайс, встречавшийся с Эйнштейном в Принстоне. — Квант был его демоном”4.

“Не ошибусь, если скажу, что квантовую механику не понимает никто”, — заявил Ричард Фейнман, американский физик, получивший Нобелевскую премию в 1965 году — через десять лет после смерти Эйнштейна5. К тому времени за копенгагенской интерпретацией закрепилась репутация ортодоксальной квантовой теории. Как в случае папского эдикта, большинство физиков просто следовали совету Фейнмана: “Если можете, перестаньте мучить себя вопросом, как такое может быть? Этого не знает никто”6. Эйнштейн никогда не думал, что такое может быть, но что бы он сказал о теореме Белла и об экспериментах, показывающих, что эта теорема “звонит” по нему?

Физика Эйнштейна зиждилась на его непоколебимой вере в реальность, существующую “вне нас”, независимо от того, наблюдаем мы за ней или нет. “Разве Луна существует только тогда, когда мы на нее смотрим?” — вопрошал он Абрахама Пайса7. Реальность, которую представлял себе Эйнштейн, должна быть локальной и управляться законами, согласующимися с принципом причинности, а задача физиков состоит в том, чтобы ее отыскать. “Если отбросить предположение о том, что существующее в разных местах пространства обладает независимым, реальным существованием, — сказал он Максу Борну в 1948 году, — я просто не могу себе представить, что должна описывать физика”8. Эйнштейн верил в реализм, причинность и локальность. Готов ли был он хоть чем-нибудь из этого пожертвовать?