Запутанность. Связь быстрее света

Запутанность

Эксперимент Фридмана− Клаузера – самый яркий пример явления, широко известного в настоящее время как запутанность. Регистрируются две частицы, находящиеся далеко друг от друга, но имеющие общую волновую функцию. Можно сформулировать и иначе: их индивидуальные волновые функции (если вам нравится представлять их отдельными) спутаны между собой. В момент регистрации частицы могут находиться одна от другой на расстоянии метр, 100 метров или 100 километров, но регистрация одной из них мгновенно повлияет на регистрацию второй. Это моментальное дальнодействие – нелокальное поведение, не похожее ни на один из вариантов, которые можно было увидеть в прежних теориях.

Положение о том, что электрическое, магнитное и гравитационное поля не могут меняться быстрее скорости света, как и надлежит в соответствии с принципом причинности, никуда не делось. Однако квантовое дальнодействие скрыто в волновой функции или каком‑ то другом призрачном квантовом свойстве, незаметно присутствующем за кулисами. Дальнодействие происходит мгновенно, несмотря даже на то, что, согласно Эйнштейну, мгновенно (или даже одновременно ) в разных системах отсчета может означать разные вещи.

Нам не нужны непременно две частицы, чтобы квантовая физика нарушала законы относительности. Это происходит и в том случае, когда волновая функция одиночного электрона коллапсирует бесконечно быстро при его регистрации. Но термин запутанность обычно приберегается для случаев, когда волновая функция содержит две или более частиц. Мне кажется, это потому, что случай с двумя частицами представляется более вопиющим.

Если бы Эйнштейн был жив, когда Фридман и Клаузер опубликовали свои результаты, думаю, их эксперимент убедил бы его. Великий ученый понял бы, что скрытые переменные не заслуживают его любви, а копенгагенская интерпретация верна. Он убедился бы в этом, но был бы страшно расстроен. Эйнштейн все‑ таки жаловался, что копенгагенская интерпретация говорит о неполноте квантовой физики. Абсолютно полное знание прошлого не позволяет верно предсказать будущее. Должна существовать теория получше.

Позже я постараюсь доказать, что не только квантовая теория неполна, но и вся физика, а возможно, и вся наука вообще, фундаментально неполна.

Связь быстрее света

Интересно, можно ли использовать коллапс волновой функции для передачи мгновенных сигналов на произвольные расстояния? Реально ли применить двухфотонный метод Фридмана− Клаузера, чтобы переслать информацию от одного поляризационного устройства к другому быстрее скорости света? Думая об этом, многие полагают, что должен существовать какой‑ то способ. Не исключено, что я мог бы подать какой‑ то сигнал, просто пытаясь зарегистрировать один из этих фотонов – или наоборот, не предпринимая такой попытки. Но если поразмыслить об этом как следует, станет понятно, что передать какой бы то ни было сигнал таким образом невозможно. На удаленном детекторе половина фотонов все же будет наблюдаться, но человек в этой локации не сможет получить из них никакой информации. Зарегистрированные фотоны будут выглядеть как случайная выборка из всех прибывающих фотонов. У удаленного экспериментатора не будет никакой возможности понять, что результаты его измерений каким‑ то образом коррелируют с вашими.

Вероятно, я мог бы отправить сообщение, изменив ориентацию своего поляризатора? Нет, это не работает. Обнаруженные в удаленной локации фотоны все равно будут казаться случайными. При этом они не случайные на самом деле; они будут коррелировать с фотонами, которые регистрирую я, а их характеристики зависят от ориентации моего поляризатора, но выглядеть они все равно будут как случайные. Попытка передать таким образом информацию терпит неудачу, потому что экспериментаторы никак не могут контролировать момент регистрации частицы.

Все попытки разобраться, как использовать коллапсирующую волновую функцию для мгновенной передачи сигнала, до сих пор провальны. Попытайтесь сами придумать такой способ – но не тратьте на это слишком много времени. Сегодня мы точно знаем, что ваши усилия ни к чему не приведут. В 1989 году была доказана теорема о невозможности передачи информации[216], которая показывает, что если правила квантовой физики и копенгагенская интерпретация верны, то невозможно передать какую бы то ни было информацию с использованием коллапса волновой функции – ни со сверхсветовой скоростью, ни с какой‑ то иной.

Интересно, смягчила бы эта теорема возражения Эйнштейна против квантовой теории? Она показывает, что никакая измеримая величина не нарушает законов относительности; это возможно только для волновой функции, которая измерению не поддается. Подозреваю, что это его не успокоило бы. Присутствие в теории какой бы то ни было структуры, нарушающей принципы относительности, внушает опасение, даже если эта структура необнаружима. Кроме того, никуда не делась неполнота квантовой теории; она по‑ прежнему содержит элемент случайности (Бог бросает кости), подрывающий физику, по твердому убеждению Эйнштейна.

Работа над теорией измерений продолжается. В главе 21 я рассказываю про теорему о запрете клонирования, которая гласит, что невозможно продублировать неизвестную волновую функцию, не разрушив ее. Это не позволяет нам изготовить несколько тысяч копий одной и той же волновой функции, а потом исследовать их последовательно чуть разными способами, чтобы подробно разобраться в структуре этой волновой функции. Такая структура находится за рамками наших измерительных возможностей. Именно поэтому волновая функция навсегда останется призрачной.