Полная путаница. Единое целое из квантовых частей

Полная путаница

В квантовом мире есть еще много (очень много! ) вещей, от которых голова идет кругом, но мне хотелось бы вкратце упомянуть самую примечательную из них — так называемую квантовую запутанность. Она заключается в том, что между двумя квантовыми частицами может существовать такая тесная связь, что они являются фактически единым целым, даже если одна из них попадает в ваш глаз, создавая зрительный образ, а другая в этот момент находится в космосе на расстоянии нескольких световых лет.

Квантовый спин — удивительная вещь. Он происходит от английского слова spin, что значит «вращение», но частица не вращается вокруг своей оси, как Земля. Спин — это просто одна из числовых характеристик частицы. Если вы проводите его измерение, то на выбор может быть только две возможности: спин направлен либо вверх, либо вниз. До начала измерений ничего сказать о спине невозможно. Существует лишь вероятность одного из двух результатов.

Предположим, что эта вероятность составляет 50: 50. Это значит, что в половине случаев измерения данной частицы вы получите «верхний» спин, а в половине — «нижний». Но пока вы не проведете измерение, определить, какой результат будет получен, невозможно, поскольку частица находится не в каком‑ то одном из этих состояний, а в обоих сразу. Точно так же фотон может следовать по любому из возможных путей до тех пор, пока вы не вычислите его местонахождение.

Представьте себе, что у нас есть тесно связанная пара таких квантовых частиц. Если мы измерили спин одной из них, то можем с полной уверенность говорить, что у второй он будет в этот момент противоположным. (Создать такую запутанность между двумя частицами можно несколькими способами. Самый простой из них состоит в том, чтобы одновременно создать два фотона из одного и того же электрона. )

А теперь начинается самое интересное. Вы можете отдалить эти частицы друг от друга на любое расстояние — хоть послать на другой конец Вселенной, — но если в ходе измерения вы определили, что у одной из них верхний спин, то можете знать наверняка, что у другой он будет нижним.

Казалось бы, что тут такого? Если мы возьмем, к примеру, монету и распилим ее вдоль, то у нас получится две половины: одна — орел, а другая — решка. Вы, не глядя, кладете одну половину к себе в карман, а другую, опять же не глядя, отправляете куда‑ то очень далеко. А теперь взгляните на половинку, которая лежит у вас в кармане. Если на ней орел, то вы сразу же понимаете, что на другой должна быть решка. Для этого не надо быть семи пядей во лбу. Однако с квантовыми частицами все обстоит не так просто.

Половинки монеты изначально являются либо орлом, либо решкой. Если же вы имеете дело с запутанными частицами, то их спин заранее не определен. Каждая из них в момент измерения может с 50‑ процентной вероятностью находиться либо в одном, либо в другом состоянии. Обе частицы идентичны. Лишь когда вы обращаете внимание на одну из них и ее спин в этот момент случайно оказывается направлен вверх, вторая частица, где бы она в это время ни находилась, будет иметь нижний спин. Информация о состоянии друг друга мгновенно преодолевает просторы Вселенной. Вполне возможно, что в будущем можно будет таким образом хранить секретную информацию и получать ее в любой момент, когда только потребуется.

Если бы можно было использовать этот механизм для пересылки сообщений, они доходили бы до адресата мгновенно, где бы он ни находился. Правда, этот эффект проявляется случайно и не может нести значимую информацию. Вы не можете произвольно выбирать верхний или нижний спин.

Но даже в этом случае свойство квантовых частиц обмениваться информацией на огромных расстояниях может найти полезное применение. С его помощью можно так надежно шифровать сведения, что современным компьютерам для расшифровки понадобилось бы время, сопоставимое с возрастом Вселенной. Существует также возможность квантовой телепортации, основанной на создании точных копий частиц на значительном удалении.

Единое целое из квантовых частей

Возможно, самым большим парадоксом квантовой теории является существование вашего тела. Как мы уже видели, каждый его атом состоит из квантовых частиц. Ваши органы чувств используют электрические и химические импульсы, в которых также задействованы квантовые частицы. Когда вы видите свет, пришедший от отдаленной звезды Альнилам, это значит, что квантовая частица пересекла пространство космоса, а квантовый процесс помог вашему глазу ее обнаружить.

Ваше тело — это квантовая машина, и все же вы способны воспринимать обычный, неквантовый мир, которому не свойственна неопределенность и в котором вещи не могут одновременно находиться в нескольких разных местах. Мне бы очень хотелось найти объяснение этому, но не получается. Ни один ученый не может понять, почему квантовые частицы ведут себя так, а материальные объекты, из которых они построены, — совершенно по‑ другому. Пока мы можем только пожать плечами и сказать: «Так уж устроен мир».