Убийца теории скрытых параметров

Джон Клаузер был молодым физиком‑ теоретиком, которого только что взял на работу в Калифорнийский университет один из изобретателей лазера Чарльз Таунс[212]. Клаузер сказал Таунсу, что хочет экспериментально продемонстрировать ситуацию, в которой теория скрытых параметров лучше всего объясняет физические результаты, а копенгагенская интерпретация неверна. Таунс проконсультировался с Юджином Комминсом – профессором, разработавшим экспериментальные методы наблюдения явления, которое мы сегодня называем запутанностью, и они договорились совместно поддержать задуманное исследование. Большую часть практической работы должен был проделать аспирант Комминса Стюарт Фридман.

Фридман и Клаузер планировали поискать результат действия скрытых параметров в фотонном излучении, испускаемом группой атомов кальция; именно такой выбор объектов предложил им Эйвинд Вихман – великий теоретик, всегда, кажется, чуравшийся споров (это мое мнение). Исследователи собирались измерить поляризацию – то есть ориентацию двух фотонов, испущенных одним и тем же атомом кальция. Эти фотоны должны быть схожи, но сходство, предсказанное квантовой теорией, отличается от аналогии, прогнозируемой теорией скрытых параметров. Чуть позже я покажу это более подробно.

Я знал и Фридмана, и Клаузера (я тогда был в Беркли сначала аспирантом, а затем научным сотрудником), и мне этот их проект представлялся устрашающе сложным. Опущу это и буду считать, что оба фотона, излученные кальцием, обладают не просто схожей, а идентичной поляризацией. Я буду считать также, что все фотоны вылетают из одной и той же точки, а атомы не двигаются (в реальном эксперименте это не так). Еще возьму за аксиому, что два интересующих нас фотона излучаются в строго противоположных направлениях, а оптическая схема проста и не подвержена аберрациям. Пусть внешнее возбуждение атомов с целью заставить их излучать фотоны не дает никакого дополнительного излучения, которое могло бы привести к зашумлению детекторов, и никаких случайных или паразитных отражений тоже нет. Я буду считать также, что детекторы регистрируют фотоны со 100 %‑ ной надежностью вместо реальных 20 %. Эти упрощения позволят точно отобразить суть эксперимента, хотя он покажется обманчиво простым (по крайней мере, куда более простым, чем на самом деле).

Согласно теории скрытых параметров (с моими упрощениями), два фотона, испущенные кальцием, разлетятся в противоположные стороны, но с одинаковой, хотя и неизвестной, поляризацией. Под поляризацией подразумевается пространственная ориентация электрического поля фотона; она перпендикулярна направлению его движения, но может быть вертикальной, горизонтальной или промежуточной. Многие солнечные очки снабжаются фильтрами, которые не пропускают горизонтально поляризованный свет – именно такой отражается от горизонтальных поверхностей и бликует. Если вы повернете свои очки на 90°, то (если очки хорошие) все горизонтально поляризованные блики будут проходить сквозь них и вы увидите множество бликов. Поверните очки на 45°, и сквозь них пройдет половина. Кроме того, поляризующие очки использовались для просмотра 3D‑ фильмов; в них один глаз видел только горизонтальный свет, а другой глаз – только вертикальный. Если проецировать на экран две по‑ разному поляризованные картинки, каждый глаз будет видеть свое изображение, что и даст в целом 3D‑ эффект[213]. Вне кинотеатра такие очки работали бы плохо – они же отсекают блики только для одного глаза.

Вернемся к эксперименту Фридмана− Клаузера. Представьте, что два фотона разлетаются от атома кальция в противоположных направлениях. Вы помещаете с обеих сторон по детектору и ставите перед каждым поляризатор. Ориентируете поляризаторы перпендикулярно один к другому. Если оба фотона поляризованы вертикально, то только передний пропустит свет и только передний детектор что‑ то зарегистрирует. Если оба фотона поляризованы горизонтально, то что‑ то зарегистрирует только задний детектор. Если оба фотона имеют поляризацию под углом 45°, у каждого детектора будет 50 %‑ ный шанс на обнаружение соответствующего фотона. То есть для таких «наклоненных» фотонов существует 25 %‑ ная вероятность, что оба детектора одновременно зарегистрируют по фотону[214].

Поразительно, но это предсказание теории скрытых параметров, а не квантовой физики. В квантовой физике «наклоненный» фотон содержит две компоненты (амплитуды) – для вертикальной и горизонтальной составляющих поляризации. Эти две амплитуды – как для мертвого и живого кота; ситуация представляет собой не какую‑ то промежуточную смесь, а суперпозицию двух возможностей. Когда один фотон попадает в поляризатор – скажем, вертикальный, – проходит сквозь него и регистрируется, амплитуда второго фотона мгновенно меняется. Горизонтальная компонента его волновой функции исчезает – коллапсирует, оставляя одну только вертикальную компоненту. А поскольку второй детектор горизонтальный, фотон сквозь него не пройдет.

Каким бы ни был угол поляризации, как только один из двух фотонов обнаружен, волновая функция мгновенно схлопывается, и поляризация второго фотона уже никогда не сможет пройти сквозь второй поляризатор, перпендикулярный первому. То есть результат будет одинаковым вне зависимости от угла поляризации. Вывод: вы никогда не получите совпадения! Таково квантовое предсказание для этого идеализированного эксперимента. Теория скрытых параметров предсказывает, что при усреднении по всем углам 12, 5 % результатов должны составить совпадения.

Предположим, что два наши поляризатора располагаются на расстоянии в несколько – а может, и в миллион – километров друг от друга. В квантовой теории, как только один фотон обнаружен, одна из амплитуд обязательно коллапсирует, исчезнет, мгновенно, всюду, даже за миллион миль от этого места. Именно это Эйнштейн называл жутким дальнодействием.

Более того, если оба поляризатора вертикальны, квантовая теория предсказывает, что любое событие даст совпадение. Половина фотонов пройдет сквозь поляризатор, но всякий раз при прохождении первого фотона второй поляризатор тоже будет пропускать свой фотон. Классическая теория предсказывает, что многие фотоны не дадут совпадений; к примеру, если угол поляризации составит 45°, лишь 1/4 событий пройдут сквозь оба поляризатора и, соответственно, регистрацию на обоих детекторах.

Фридман и Клаузер опубликовали эти результаты в 1972 году. Квантовая теория и копенгагенская интерпретация верно предсказали экспериментальные результаты. Теория скрытых параметров была опровергнута. Этого было почти достаточно, чтобы заставить поверить в привидения. К несчастью, в 1955 году Эйнштейн умер. Жуткое дальнодействие удалось наблюдать в лаборатории. Убедительно.

Клаузер был удручен. По версии Брюса Розенблюма и Фреда Каттнера (Кюттнера) (приведенной в их книге Quantum Enigma [ «Квантовая загадка»]), Клаузер сказал: «Мои собственные… тщетные надежды об опровержении квантовой механики были разбиты вдребезги этими данными».

Фридман и Клаузер показали, что Эйнштейн ошибался. Очень мало кому в нашем мире это удалось. Их работу продолжил и усовершенствовал Ален Аспе[215]; ему удалось разобраться с некоторыми возможными прорехами, на которые указали скептики‑ квантоненавистники. Розенблюм и Каттнер однозначно заявили, что, по их мнению, эта работа достойна Нобелевской премии. Я с ними согласен. Фридман и Клаузер экспериментально проверили копенгагенскую интерпретацию – фундаментальное предположение квантовой физики; ученые выяснили, что она лучше подхода, связанного со скрытыми параметрами; кроме того, они вместе с Комминсом положили начало современному увлечению таким явлением, как квантовая запутанность. Подозреваю, что их эксперимент не привлек более широкого внимания только потому, что большинство физиков просто не заморачивались этой проблемой. Они изо всех сил старались не думать об этом, чтобы не сойти с ума.