У Вселенной нет локальной реальности

Лауреаты Нобелевской премии по физике доказали это!

Элегантные эксперименты с запутанным светом обнажили глубокую тайну, лежащую в основе реальности.

Одно из самых тревожных открытий за последние полвека заключается в том, что Вселенная не является локально реальной. Объясним. «Реальность» означает, что объекты обладают определенными свойствами, не зависящими от наблюдения за ними — яблоко может быть красным, даже когда никто на него не смотрит. «Локальность» означает, что на объекты может влиять только их окружение, и что любое влияние не может распространяться быстрее скорости света. 

Исследования на границах квантовой физики показали, что оба эти утверждения неверны. Доказательства показывают, что на объекты влияет не только их окружение, а еще они могут не обладать определенными свойствами до тех пор, пока их не измерили или не посмотрели на них. Как спросил однажды Альберт Эйнштейн у своего друга: «Ты действительно веришь, что Луны нет, когда ты на нее не смотришь?».

Это, конечно же, глубоко противоречит нашему повседневному опыту. Перефразируя Дугласа Адамса, можно сказать, что гибель локального реализма очень разозлила многих людей и была воспринята как неудачный шаг.

Вина за это достижение теперь полностью возложена на плечи трех физиков: Джона Клаузера, Алена Аспекта и Антона Цайлингера. Они поровну разделили Нобелевскую премию по физике 2022 года «за эксперименты с запутанными фотонами, установление нарушения неравенств Белла и пионерство в науке о квантовой информации». («Неравенства Белла» относятся к новаторской работе североирландского физика Джона Стюарта Белла, который в начале 1960-х годов заложил основы Нобелевской премии по физике этого года). Коллеги согласились, что троица заслужила эту награду за ниспровержение реальности, какой мы ее знаем. 

“Это фантастическая новость. Это давно назрело, — говорит Санду Попеску, квантовый физик из Бристольского университета. — Без сомнения, награда заслуженная”.

Путь квантовых основ от третьестепенных к фаворитам был долгим. Примерно с 1940 и до 1990 года к этой теме относились в лучшем случае как к философии, а в худшем — как к чуши. Многие научные журналы отказывались публиковать работы по квантовым основам, а академические должности, позволяющие проводить такие исследования, было практически невозможно получить. В 1985 году советник Попеску предостерег его от получения докторской степени по этому предмету. Он сказал: «Слушай, если ты это сделаешь, то будешь лет пять развлекать ученых, а потом останешься без работы».

Сегодня наука о квантовой информации является одной из самых ярких и влиятельных областей физики. Она связывает общую теорию относительности Эйнштейна с квантовой механикой через все еще загадочное поведение черных дыр. Она диктует дизайн и функции квантовых датчиков, которые все чаще используются для изучения всего — от землетрясений до темной материи. И она проясняет часто сбивающую с толку природу квантовой запутанности — явления, которое является ключевым для современного материаловедения и лежит в основе квантовых вычислений.

реальност

“Что вообще делает квантовый компьютер «квантовым»? — риторически спрашивает Николь Юнгер Халперн, физик из Национального института стандартов и технологий. — Один из самых популярных ответов — запутанность, и главная причина, по которой мы понимаем запутанность, — это грандиозная работа, в которой участвовали Белл и эти лауреаты Нобелевской премии. Без этого понимания запутанности мы, вероятно, не смогли бы реализовать квантовые компьютеры».

По ком звонит колокол Белла

Проблема с квантовой механикой заключалась не в том, что она делала неверные предсказания — на самом деле, теория великолепно описывала микроскопический мир с самого начала, когда физики разработали ее в первые десятилетия 20-го века.

То, с чем Эйнштейн, Борис Подольский и Натан Розен не соглашались и что они изложили в своей знаковой работе 1935 года, — это неудобные последствия теории для реальности. Их анализ, известный под инициалами ЭПР, был основан на мысленном эксперименте, призванном проиллюстрировать абсурдность квантовой механики. 

Хотя анализ был призван показать несовершенство квантовой механики, но когда провели реальные версии ЭПР, результаты вместо опровержения подтвердили самые умопомрачительные постулаты теории. Согласно квантовой механике, природа не является локально реальной — частицы не обладают такими свойствами, как вращение вверх или вниз до тех пор, пока наблюдатель не начнет измерять это вращение. А еще, похоже, они каким-то образом общаются друг с другом независимо от расстояния.

Физики, скептически относящиеся к квантовой механике, предположили, что есть некие «скрытые переменные», факторы, существующие на каком-то неощутимом уровне реальности под субатомной сферой, которые содержат информацию о будущем состоянии частицы. Они надеялись, что в теориях скрытых переменных природа сможет вернуть себе локальный реализм, в котором ей отказала квантовая механика.

«Можно было подумать, что аргументы Эйнштейна, Подольского и Розена произведут в тот момент революцию, и все начнут работать над скрытыми переменными», — говорит Попеску.

Однако «атака» Эйнштейна на квантовую механику не нашла отклика среди физиков, которые в общем и целом приняли квантовую механику как есть. Часто это было не столько вдумчивым принятием нелокальной реальности, сколько желанием не думать слишком много, занимаясь физикой — настроение «голова в песке», которое физик Дэвид Мермин позже резюмировал как требование «заткнуться и считать».

Отсутствие интереса было вызвано отчасти тем, что Джон фон Нейман, очень уважаемый ученый, в 1932 году опубликовал математическое доказательство, исключающее теории скрытых переменных. (Доказательство фон Неймана, надо сказать, было опровергнуто всего три года спустя молодой женщиной-математиком Гретой Герман, но в то время никто, похоже, этого не заметил).

Проблема нелокального реализма квантовой механики будет томиться в благодушном ступоре еще три десятилетия, пока ее решительно не разрушит Белл. С самого начала своей карьеры Белл был обеспокоен квантовой ортодоксией и симпатизировал теории скрытых переменных. Вдохновение посетило его в 1952 году, когда он узнал о жизнеспособной нелокальной интерпретации скрытых переменных квантовой механики, разработанной коллегой-физиком Дэвидом Бомом — то, что фон Нейман считал невозможным. Белл размышлял над этими идеями в течение нескольких лет, в качестве побочного проекта к своей основной работе в качестве физика частиц в ЦЕРНе.

реальност

В 1964 году Белл вновь обнаружил те же недостатки в аргументах фон Неймана, что и Герман. А затем, в триумфе строгого мышления, Белл придумал теорему, которая вытащила вопрос о скрытых переменных из метафизической трясины на бетонную почву эксперимента.

Колокол Белла звонит по тебе

В 1967 году Джон Клаузер, в то время аспирант Колумбийского университета, случайно наткнулся на библиотечную копию статьи Белла и был очарован возможностью доказать правильность теории скрытых переменных. Два года спустя Клаузер написал Беллу письмо, в котором спрашивал, действительно ли кто-то провел тест. Письмо Клаузера было одним из первых отзывов, полученных Беллом.

При поддержке Белла пять лет спустя Клаузер и его аспирант Стюарт Фридман провели первый тест Белла. Клаузер получил разрешение от своих начальников, но средств было мало, поэтому он стал, как он сказал в более позднем интервью, искусным «ныряльщиком по свалкам», чтобы найти оборудование, часть которого они с Фридманом затем склеили скотчем. В установке Клаузера — аппарате размером с каяк, требующем тщательной ручной настройки — пары фотонов направлялись в противоположные стороны к детекторам, которые могли измерять их состояние, или поляризацию.

К сожалению для Клаузера и его увлечения скрытыми переменными, когда он и Фридман завершили свой анализ, они не могли не прийти к выводу, что нашли убедительные доказательства против них. Тем не менее, результат вряд ли был окончательным из-за различных «лазеек» в эксперименте, которые могли позволить влиянию скрытых переменных проскользнуть незамеченными. Наиболее важной из них была лазейка локальности: если источник фотонов и детекторы могли каким-то образом обмениваться информацией (что вполне возможно в пределах объекта размером с байдарку), результирующие измеренные корреляции все равно могли возникнуть из-за скрытых переменных. 

Закрыть лазейку локальности легче сказать, чем сделать. Настройки детектора должны быть быстро изменены, пока фотоны находятся в полете — «быстро» означает за считанные наносекунды. В 1976 году молодой французский специалист по оптике Ален Аспект предложил способ такого сверхбыстрого переключения. Экспериментальные результаты его группы, опубликованные в 1982 году, только подтвердили результаты Клаузера: локальные скрытые переменные выглядели крайне маловероятными. «Возможно, природа не настолько странная, как квантовая механика, — написал Белл в ответ на первые результаты Аспекта. — Но экспериментальная ситуация не очень обнадеживает с этой точки зрения».

Однако другие лазейки все еще оставались. Увы, Белл умер в 1990 году, так и не увидев их закрытия. Никто не бросился закрывать эти лазейки с большим рвением, чем Антон Цайлингер, амбициозный и общительный австрийский физик. В 1998 году он и его команда усовершенствовали предыдущую работу Аспекта, проведя испытание Белла на беспрецедентном в то время расстоянии почти в полкилометра. Эпоха предсказания нелокальности реальности с помощью экспериментов размером с байдарку подошла к концу. Наконец, в 2013 году группа Цайлингера сделала следующий логический шаг, решив проблему нескольких лазеек одновременно.

реальност

«До квантовой механики меня интересовала инженерия. Мне нравится создавать вещи своими руками, — говорит Марисса Джустина, квантовый исследователь из Google, которая работала с Цайлингер.  — Оглядываясь назад, можно сказать, что эксперимент Белла без лазеек — это гигантский системно-инженерный проект». 

Одним из требований для создания эксперимента, закрывающего множество лазеек, было найти идеально прямой, свободный 60-метровый туннель с доступом к оптоволоконным кабелям. Как оказалось, подземелье венского дворца Хофбург было почти идеальным местом, если не считать того, что оно было покрыто вековой пылью. Их результаты, опубликованные в 2015 году, совпали с аналогичными тестами двух других групп, которые также обнаружили, что квантовая механика безупречна, как никогда.

Тест Белла достиг звезд

Оставалось закрыть или хотя бы сузить одну последнюю, но большую лазейку. Любая предварительная физическая связь между компонентами, независимо от того, насколько далеким было прошлое, может повлиять на достоверность результатов теста Белла. 

В 2017 году команда, включающая Кайзера и Цайлингера, провела испытание космического Белла. Используя телескопы на Канарских островах, команда получала случайные решения для настроек детектора от звезд, расположенных достаточно далеко друг от друга в небе, чтобы свет от одной не достигал другой в течение сотен лет, обеспечивая вековой разрыв в их общем космическом прошлом. Но даже тогда квантовая механика снова одержала победу.

Одна из главных трудностей при объяснении важности тестов Белла общественности — а также скептически настроенным физикам — заключается в представлении, что истинность квантовой механики была предрешена. В конце концов, исследователи измерили многие ключевые аспекты квантовой механики с точностью более 10 частей на миллиард. 

«На самом деле я не хотела работать над этим. Я думала: «Да ладно, это старая добрая физика. Мы все знаем, что произойдет”, — говорит Джустина. Но точность квантовой механики не могла исключить возможность существования локальных скрытых переменных; это могли сделать только тесты Белла.

«Что привлекло каждого из этих нобелевских лауреатов к этой теме, и что привлекло самого Джона Белла к этой теме, так это вопрос о том, что: «Может ли мир существовать таким образом?» — говорит Кайзер. — И как мы можем это знать достоверно?». Тесты Белла позволяют физикам убрать из уравнения предвзятость антропоцентрических эстетических суждений. Очистить их от тех частей человеческого познания, которые бегут от возможности жутко необъяснимой запутанности или насмехаются над теориями скрытых переменных как над очередными дебатами о том, сколько ангелов может танцевать на кончике иглы”. 

Награда присуждена Клаузеру, Аспекту и Цайлингеру, но она является свидетельством всех исследователей, которых не удовлетворяли поверхностные объяснения квантовой механики, и которые задавали свои вопросы даже тогда, когда это было непопулярно.

Теперь мы можем по-новому взглянуть на реальность. И теперь она совсем другая.

Читайте также: Вы лишь наблюдаете за реальностью или вы её создаете?