Это замечательное образное выражение стоит в одном ряду с еще некоторыми широко растиражированными изречениями великого физика, одно из которых – «Бог не играет в кости». Эйнштейн вновь с удовольствием подколол сторонников квантовой теории, которая все более уверенно утверждала, что некоторые феномены существуют лишь как вероятности, а не как реальные объекты, имеющие конкретное местоположение. Словосочетание «жуткое дальнодействие» уже много десятилетий можно услышать на физических факультетах.
[12] Ирония, заключенная в этой фразе, надолго отвлекла всеобщее внимание от истинных масштабов парадоксальности квантовой теории. Учитывая, что аппаратура для проведения квантовых экспериментов долго оставалась сравнительно грубой, кто решился бы усомниться в правоте Эйнштейна?
Однако Эйнштейн был не прав. В 1964 году ирландский физик Джон Белл предложил эксперимент, который позволил бы проверить, могут ли разрозненные элементарные частицы мгновенно влиять друг на друга на огромном расстоянии. Во-первых, для такого эксперимента необходимо создать два фрагмента материи или света, которые имеют общую волновую функцию (как мы помним, даже твердые частицы обладают энергетически-волновой природой). При работе со светом это не составляет труда – достаточно пропустить свет через специальный кристалл. В результате возникают два фотона света, каждый из которых обладает половиной энергии (и двойной длиной волны) по сравнению с фотоном, вошедшим в кристалл. Таким образом, закон сохранения энергии в данном случае не нарушается. Количество энергии остается одинаковым как на входе, так и на выходе.
Согласно квантовой теории все объекты могут вести себя и как частица, и как волна (это свойство называется «корпускулярно-волновой дуализм»), а поведение объекта на квантовом уровне существует только как вероятность. Это означает, что ни одна из субатомных частиц не занимает определенного места в пространстве и не движется в определенном направлении, пока не произойдет коллапс ее волновой функции. Что нужно, чтобы совершить такой коллапс? Как-либо вмешаться в поведение частицы. Например, достаточно «толкнуть» частицу пучком света, попытавшись ее сфотографировать.
Не оставалось никаких сомнений, что коллапс волновой функции произойдет и при любой попытке наблюдения за частицей каким-либо способом. Так, чтобы определить местоположение электрона, по нему необходимо «выстрелить» фотоном. Но в результате взаимодействия двух этих частиц неизбежно произойдет коллапс волновой функции. В некотором смысле эксперимент оказывается искажен. Однако по мере того, как разрабатывались все более сложные эксперименты (подробнее о них – в следующей главе), становилось понятно, что коллапс волновой функции может произойти уже из-за того, что экспериментатор знает о факте эксперимента.
Это казалось безумием, но сюрпризы только начинались. Когда возникает пара запутанных частиц, она обладает общей волновой функцией. Если у одной частицы из этой пары произойдет коллапс волновой функции, у второй также произойдет коллапс, даже если эти частицы находятся в противоположных концах Вселенной. Если наблюдение показывает, что одна из этих частиц имеет спин, направленный вверх, то вторая частица мгновенно превращается из вероятностной в фактически существующую, но уже с противоположным спином. Эти частицы находятся в неразрывной связи, причем ведут себя так, как будто никакого пространства между ними нет, а их поведение не зависит от времени.
Эксперименты, проведенные в период с 1997 по 2007 год, показали, что ситуация действительно обстоит именно так – как будто субатомные частицы, полученные вместе, объединены ЭПР-парадоксом. Если наблюдаемая частица случайным образом начинает двигаться по одной из возможных траекторий, то ее частица-близнец совершает такое же действие в тот же момент, даже если между ними пролегает существенное расстояние.
В 1997 году швейцарский исследователь Николя Жизен впервые запустил шар в этом квантовом боулинге, поставив просто ошеломляющий эксперимент. Группа ученых под его руководством получила запутанные фотоны (частицы света) и запустила их по оптоволоконным кабелям на расстояние более 11 километров. Одна из этих частиц попадала в интерферометр, где могла пойти по одной из двух траекторий, определявшихся случайным образом. Жизен показал, что какой бы путь ни выбрал этот фотон, его близнец мгновенно сворачивал на второй путь.
Необходимо подчеркнуть, что это происходило мгновенно. Реакция второго фотона не задерживалась даже на тот промежуток времени, который требуется на преодоление 11 километров со скоростью света (около 26 миллисекунд). Изменение траектории второго фотона происходило не более чем через три десятимиллиардных доли секунды после того, как траекторию менял первый фотон – такова была предельная разрешающая способность применявшегося оборудования. Было признано, что эти изменения траектории происходят одновременно.
Такой результат полностью согласуется с законами квантовой механики, но кажется невероятным даже самим физикам, поставившим этот эксперимент. Он подтверждает поразительную теорию о том, что запутанная частица-близнец мгновенно реагирует на действие или изменение состояния второй запутанной частицы, причем расстояние между двумя такими частицами не имеет значения.
Описанный факт оказался настолько непостижимым, что некоторые скептики сразу принялись искать лазейку, которая позволила бы его опровергнуть. Наиболее веский контраргумент сводился к «недостаточной точности детектора». В соответствии с ним во всех проведенных на данный момент экспериментах не удавалось отловить достаточного количества фотонов-близнецов. Критики полагали, что аппаратура улавливает слишком незначительное количество фотонов, поэтому можно утверждать, что наблюдаемая синхронность характерна далеко не для всех из них. Однако этот контраргумент был фактически снят в результате нового эксперимента, проведенного в 2002 году. В статье, опубликованной в журнале Nature, были описаны результаты работы исследователей из Национального института стандартов и технологий, выполненной под руководством доктора Дэвида Вайнленда. Применив запутанные пары ионов бериллия и высокоточный детектор, они убедительно доказали, что частица действительно мгновенно реагирует на изменения в действиях частицы-близнеца.
Некоторые ученые полагали, что частица сообщает своему близнецу какой-то новый, ранее неизвестный вид силы или взаимодействия, и на это требуется нулевое время. Однако Вайнленд просто заметил одному из авторов: «Жуткое дальнодействие действительно существует». Конечно же, он понимал, что такая формулировка ничего не объясняет.
Большинство физиков полагают, что скорость света, считающаяся принципиально непреодолимой в соответствии с теорией относительности, так и останется предельно возможной скоростью. Ведь никто не сможет воспользоваться ЭПР-корреляцией для передачи информации, поскольку поведение частицы-передатчика всегда будет случайным. Но новейшие исследования в этой области направлены на решение практических, а не философских проблем. Требуется научиться использовать это причудливое поведение частиц для создания сверхмощных квантовых компьютеров. По словам самого Вайнленда, такие компьютеры должны «максимально полно использовать странные принципы квантовой механики».
