Рис. 7.3. В зависимости от своих настроек интерферометр может предоставить «доказательства» того, что свет – это или частица, или волна, или ничего из этого.
В других случаях фотоны могут измеряться после воссоединения – это «закрытый» вариант интерферометра. Тогда то, что вы ожидаете, зависит от длины обоих путей. Если их длина абсолютно одинакова, гребни волн придут в одно и то же время к одному из детекторов и там интерферируют конструктивно: на этот детектор придется 100% ударов, и ни одного – на другой. Однако, изменяя длину одного пути, вы можете вывести волновые фронты из синхронизации и сменить интерференцию на первом детекторе с полностью конструктивной на абсолютно деструктивную, и при такой интерференции на него не придется ни одного удара. В опыте с двумя щелями это эквивалентно сканированию на экране, где происходит интерференция, от яркой полосы к темной.
Оба пути
Цель Уилера заключалась в том, чтобы при проведении опыта отложить выбор варианта измерения фотона – открытого или закрытого исполнения – до его вхождения в интерферометр. В этом случае фотон не будет «знать», на один путь ему нужно выходить или на два, то есть нужно вести себя как частица или как волна.
Это было почти за тридцать лет до того, как эксперимент реально был проведен. Но результат стоило ждать. Каждый раз, измеряя в последний момент фотон закрытым интерферометром, исследователи видели интерференцию волн. Когда же они выбирали для измерения открытый интерферометр, то наблюдали частицы. Но потом все стало еще более странно. В декабре 2011 года другая группа исследователей предложила расширение мысленного эксперимента Уилера. Новизна их подхода заключалась в том, что решение о способе измерения фотона – как частицы или как волны – должно быть само по себе квантово-механическим, то есть не определенное «да» или «нет», а промежуточное нечеткое «да»-и-«нет».
Достичь этого можно следующим способом: вы используете свет для контроля детектора, предназначенного его анализировать. Сперва вы подготавливаете контрольный фотон, находящийся в квантовой суперпозиции двух состояний. Одно из этих состояний переключает интерферометр в открытое состояние, измеряющее частицу, а другое – в закрытое, измеряющее волну. Важно отметить, что состояние контрольного фотона измеряется только после того, как завершается измерение экспериментального «системного» фотона. Вам известно, что системный фотон проходит через интерферометр, одновременно открытый и закрытый; вы не знаете, поведение волны или частицы вы получите при измерениях. Так что вы измеряете?
Оттенки серого
Результаты этого эксперимента были неутешительными: то, что вы видите, в итоге зависит от контрольного фотона. Если вы будете наблюдать только за измерениями системных фотонов, вообще не проверяя соответствующие измерения контрольных, – так и не узнав, измерение какого типа вы провели, – то увидите распределение ударов по двум детекторам, что не характеризует ни частицу, ни волну, но все же является некоторой их неоднозначной смесью. Если частицу представить черной, а волну – белой, то это будет оттенком серого.
Проделайте то же самое, но в этот раз отслеживайте измерения контрольных фотонов, игнорируя системные, – результат будет выглядеть так, будто вы надели волшебные очки. Теперь серое четко разделяется на черное и белое. Вы можете собрать данные системных фотонов: прошедшие через открытый интерферометр однозначно являются частицами, а те, что измерялись закрытым интерферометром, выглядят как волны. «Цвета» фотонов будут полностью идентичны тому типу измерения, который, судя по контрольным фотонам, вы в итоге провели.
Теперь же странность набирает новые обороты. Квантовая механика позволяет поместить контрольный фотон в сочетание двух состояний не только в равных, но и в различающихся пропорциях. Это эквивалентно исполнению интерферометра, которое, скажем, 70% времени открыто, а 30% – закрыто. Если мы измерим группу фотонов в такой конфигурации и посмотрим на результаты перед тем, как надеть наши волшебные очки, то снова увидим признак неоднозначности – но теперь его оттенок серого сместился ближе к черному цвету частицы, а не белому волны. Надев очки, однако, мы увидим системные фотоны, 70% из которых хоть и внешне, но вполне явно вели себя как частицы, тогда как оставшиеся 30% действовали как волны.
Но что это означает для нашего понимания реальности? В некотором смысле результаты встают на сторону Бора, укрепляя его позицию в споре о квантовой реальности. Существует тесная корреляция между состоянием контрольного фотона, представляющим характер измерения, и системного, представляющего состояние реальности. Сделайте больше измерений частиц – и вы получите что-то, больше похожее на частицу, и наоборот. Как и в ранних экспериментах, теория скрытой реальности, к которой склонялся Эйнштейн, не может объяснить результаты.
Показатели более поздних экспериментов полностью это подтверждают. Мы так вцепились в понятия «частица» и «волна» только потому, что они соответствуют привычным нам обликам вещества, которые оно принимает в знакомом классическом мире. Но попытка описать подлинно квантовую реальность этими или другими «черно-белыми» понятиями – затея, заведомо обреченная на провал.
Так может ли все-таки квантовая таинственность скрывать упорядоченную реальность?
Часто игнорируемая, словно забытая падчерица, разработанная более полувека назад квантовая механика наконец может разделить одну сцену со своими более уважаемыми старшими родственниками. Если она выдержит испытание временем, то, возможно, сможет укрепить идею, что во Вселенной все невероятно взаимосвязано на громадных расстояниях.
В 1952 году физик Дэвид Бом предположил, что квантовый мир только кажется таинственным, потому что мы далеко не все знаем о лежащей в его основе реальности. За квантовой таинственностью, говорил он, реальность упорядочена, и все частицы обладают определенными положениями и следуют по определенным траекториям.
Множество недавно проведенных экспериментов продемонстрировало, что такой скрытой реальности не существует. Однако они исключили всего лишь особый класс теорий, в которых скрытая реальность любой частицы локальна и не подвергается влиянию чего-то далекого. Идеи Бома включают в себя нелокальную скрытую реальность, в которой все зависит от всего. В его Вселенной события, происходящие в далекой галактике, в тот же момент воздействуют на нас и наоборот, каким бы незначительным ни был эффект. Бомовская механика все еще остается предметом жарких споров, но после подтверждения недавними опытами ее предсказаний люди могут начать говорить о ней немного более серьезно.
Конец неопределенности
Принцип неопределенности Гейзенберга предполагает, что мы не можем знать о системе все, что необходимо. Но квантовая запутанность – за счет соединения состояний далеких объектов, означающего, что если мы определяем одно, то в тот же момент определим другое, – кажется, дает нам обходной прием. Являются ли все же эти два элемента квантовой теории принципиально несовместимыми?
