Величайшие умы прошлого века безуспешно пытались объяснить этот парадокс. Одно лишь наше знание о траектории фотона или электрона приводит к тому, что частица становится конкретной сущностью, а не суммой вероятностей. Разумеется, физики проверили, не может ли это странное поведение объясняться какими-то взаимодействиями между самим фотоном и детектором траекторий, оснащенным четвертьволновыми пластинками (либо другими подобными устройствами). Оказалось, дело не в этом. Для опытов конструировались самые разные приборы, которые со всей определенностью никак не воздействовали на фотон. Тем не менее интерференционный рисунок исчезал. Итоговое заключение, к которому ученые пришли через много лет, формулируется так: просто невозможно одновременно узнать и траекторию частицы, и интерференционный рисунок, создаваемый энергетическими волнами.
Мы возвращаемся к принципу дополнительности, важнейшему аспекту квантовой теории. Он заключается в том, что при каждом эксперименте можно узнать/измерить лишь одну пару характеристик, но не две сразу. Когда вы полностью знаете свойства частицы в одной ипостаси, то ничего не будете знать о другой. Если же вы все еще в чем-то подозреваете четвертьволновые пластинки, развею все ваши сомнения. При использовании таких пластинок в любых других условиях, даже в эксперименте с двумя щелями, но без применения поляризующих барьеров (позволяющих судить о природе частицы), сам акт поляризации фотона никак не сказывается на интерференционном рисунке.
Хорошо, давайте проведем другой эксперимент. Как было показано в предыдущей главе, существуют запутанные частицы (мельчайшие фрагменты материи) или кванты света, которые появляются одновременно и в полном соответствии с законами квантовой физики имеют общую волновую функцию. Они могут разлететься в разные стороны – даже оказаться в противоположных краях галактики, – но не утратят этой связи, «знания» друг о друге. Если мы проведем с одной из таких частиц какие-либо манипуляции, в результате которых она потеряет универсальную вероятностную природу и должна будет немедленно получить конкретное воплощение (например, в результате вертикальной поляризации), то частица-близнец также материализуется в тот самый момент – но уже с поляризацией по горизонтали. Если одна из частиц проявит себя как электрон с восходящим спином, то ее близнец также окажется электроном, но с нисходящим спином. Они навечно связаны в соответствии с принципом дополнительности.
Итак, воспользуемся прибором, который выстреливает частицы-близнецы в разных направлениях. В таких экспериментах запутанные фотоны-близнецы создаются путем пропускания света через кристаллы особого вещества, называемого «бета-борат бария» (BBO). В этом кристалле высокоэнергетический фотон фиолетового света, полученный из лазера, преобразуется в два красных фотона, каждый из которых обладает вполовину меньшей энергией, чем исходная частица. Соответственно, не происходит никаких чистых потерь или накопления энергии. На выходе получается два запутанных фотона, которые разлетаются в разных направлениях. Обозначим эти направления P и S.
В исходном варианте нашего эксперимента не учитывалась информация о том, какой путь изберет фотон. Теперь мы вносим в эксперимент всего одно изменение – добавляем счетчик совпадений. Он нужен для того, чтобы полярность фотона на детекторе S осталась для нас неизвестной, пока его близнец не попадет в детектор P. Один из близнецов проходит через щели (назовем этот фотон s), а второй просто летит ко второму детектору. Лишь когда оба детектора синхронно регистрируют попадание фотона, мы узнаем, что оба фотона-близнеца завершили свой путь. Только этот факт фиксируется нашим оборудованием. В результате получаем на детекторе S уже знакомый нам интерференционный паттерн.
Это логично. В данном эксперименте мы не узнаем, через какую именно щель проскальзывает конкретный фотон или электрон, поэтому объекты остаются вероятностными волнами.
Далее начинается самое интересное. Во-первых, мы переустановим четвертьволновые пластинки таким образом, чтобы можно было получить информацию о траектории фотонов, отправившихся по пути S.
Как и ожидалось, интерференционный рисунок исчезает, сменяется одиночной кривой – то есть мы получаем график, соответствующий отдельной частице.
Пока все понятно. Но теперь давайте устраним возможность определения пути фотона s, при этом никак не затрагивая сам фотон. Для этого мы можем поставить поляризующее стекло на пути второго фотона, P. Пластинка не позволит регистрировать совпадения на втором детекторе. Она будет измерять пути лишь некоторых фотонов и фактически деполяризует двойные сигналы. Поскольку счетчик совпадений в данном опыте исключительно важен для получения информации о завершении путей частиц-близнецов, а мы вывели его из строя, весь аппарат стал бесполезен. Теперь мы не можем с его помощью определять, в какую из щелей проскальзывают отдельные фотоны, летящие по пути S, так как не можем сравнивать их с фотонами-близнецами. Мы могли бы зарегистрировать их только при помощи счетчика совпадений, а он уже не работает. Кроме того, еще одно важное уточнение: мы не трогали четвертьволновую пластинку фотона P. Мы всего лишь повлияли на него таким образом, что сознательно лишили себя возможности пользоваться счетчиком совпадений и получать информацию о траектории. Между прочим, новая конструкция все-таки предоставляет нам данные. Прибор регистрирует «попадания», только когда полярность измеряется на детекторе S. При этом счетчик совпадений сообщает, что на детекторе P для фотона-близнеца синхронно была отмечена такая же либо иная полярность. Вот результат.
Снова видим волны. Восстановился интерференционный рисунок. Те физические точки на заднем экране, куда попадают фотоны и электроны, летящие по траектории S, теперь изменились. Но ведь мы ничего не делали с траекториями этих фотонов с момента их вылета из поляризующего кристалла и до попадания в детектор. Мы даже оставили на месте их четвертьволновую пластинку. Мы всего лишь изменили условия наблюдения для фотона-близнеца, находившегося очень далеко, изменили таким образом, что потеряли возможность получения части информации о его пути. Все изменения произошли только в нашем сознании. Как фотоны s могли «узнать», что где-то очень далеко от их траекторий мы поставим еще одно поляризующее стекло? Но в соответствии с квантовой теорией мы получили бы именно такой результат, даже если бы установили «помеху для информации» на другом конце Вселенной.
