Квантовая случайность. Нелокальность, телепортация и другие квантовые чудеса - Николя Жизан

Вот мы и подошли к концу книги. Как я предупреждал, вы поняли не всё. Никто не знает, почему квантовая физика нелокальна. С другой стороны, вы поняли, что природа недетерминистична и что она способна на подлинный акт творения. Другими словами, она может создавать истинно случайные события. Кроме того, раз мы подхватили идею, что эти события нередуцируемо случайны и не предопределены какой-то скрытой от нас силой, мы понимаем, что ничто не может помешать этой случайности проявиться в нескольких местах одновременно, при этом не подразумевая какой-либо коммуникации между этими местами.

Эти места не произвольны – они должны сначала быть запутаны. Запутанность переносится квантовыми объектами, такими как фотоны или электроны. Эти объекты движутся с конечными скоростями, меньшими или равными скорости света. В этом смысле понятия расстояний и пространства по-прежнему значимы, несмотря на то что нелокальная случайность может возникать в двух произвольно далеких друг от друга местах.

В этой книге я сказал, что нелокальные корреляции, кажется, появляются извне нашего пространства и времени – в том смысле, что ни одна происходящая в нашем мире история не может объяснить, как природа производит такие корреляции. В сущности, верно, что ни одна обычая история, рассказывающая нам, как предметы и события могут влиять друг на друга, двигаться и распространяться непрерывно из точки в точку, не может объяснить нам появление нелокальных корреляций. Но разве это значит, что физики должны оставить попытки понять природу? Я всегда удивляюсь, что многие ученые не особенно обеспокоены этим вопросом. Им достаточно того, что они могут провести все необходимые расчеты. Может быть, эти физики скажут, что компьютеры понимают природу?

А ведь для науки всегда был характерен поиск хорошего объяснения.

До открытия квантовой физики все корреляции, которые были предсказаны и наблюдались наукой, объяснялись причинно-следственными цепочками, которые непрерывно распространялись из точки в точку, то есть посредством локальных аргументов. Все эти доквантовые объяснения также отмечены детерминизмом. В принципе все определяется исходными условиями. Хотя на практике часто невозможно проследить все детали детерминистических причинно-следственных связей, физики никогда не сомневались в их существовании. Однако квантовая физика заставляет нас сформулировать новый вид хорошего объяснения для нелокальных корреляций.

Как мы можем объяснить нелокальность? Это было бы невозможно с нашими доквантовыми концептуальными инструментами, поэтому нам нужно больше инструментов. Один из способов – это говорить о нелокальной случайности, производимой запутанными объектами.

Представьте себе виртуальную игральную кость, примерно как те PR-приборы, которые мы обсуждали в главе 10. Ее может «бросить» как Алиса, так и Боб, а случайный результат получают они оба. Бросок этой нелокальной кости делает Алиса по своему выбору или Боб по своему выбору, чтобы провести измерение, путем отклонения джойстика на приборе Алисы или на приборе Боба. Говоря чуть более формально, случайный процесс может быть инициирован либо Алисой, которая решает сделать выбор x, либо Бобом, который решает сделать выбор y. Результаты a и b случайны, но они гарантированно соотносятся друг с другом так, что удовлетворяют основной корреляции игры Белла, выраженной в уравнении a + b = x × y. Если мы допускаем такое объяснение, то мы можем понять нелокальность, так же как мы в конце концов поняли всемирное тяготение, приняв утверждение, что все массы, и в частности люди, притягиваются к Земле. Естественно, когда дело доходит до всемирного тяготения, у нас есть знакомая аналогия с магнитом на холодильнике. Если квантовая криптография когда-нибудь станет столь же обычна, мы сможем сказать своим детям: «Понимаешь, нелокальность – это так же как квантовая криптография. Алиса не посылает тайный ключ Бобу, Боб не посылает тайный ключ Алисе, но Алиса и Боб, будучи разделенными огромным расстоянием, вместе производят тайный ключ, который материализуется одновременно у каждого из них».

Единственный ли это способ объяснить нелокальную случайность? Некоторые предпочитают говорить об обращении причинной связи, в том смысле, что выбор Алисы действует назад во времени на источник запутанности, который в свою очередь действует вперед во времени на квантовую систему Боба. То есть обратная причинная связь действует назад во времени, в прошлое. Она распространяется из одной точки в другую сквозь пространство, но при этом по направлению к прошлому. Лично я не сомневаюсь, что нелокальность, как и теория относительности, является источником некоторых сложностей для привычной нам концепции времени, но вывести отсюда хронологически обращенную причинную связь, которая развивается обратно во времени, представляется весьма радикальным шагом.

Я упоминаю этот подход как иллюстрацию к современным исследованиям. Вы поймете, что я предпочитаю свое собственное объяснение, которое основывается на идее нелокальной случайности, проявляющей себя в нескольких местах одновременно вне зависимости от расстояния между этими местами, но, быть может, будущее удивит меня, и следующие поколения придумают совсем другое объяснение. Но одно мы знаем точно: мы будем учитывать нелокальность. Физики никогда не прекратят великий поход с целью познать мир и когда-нибудь объяснят и это.

Таким образом, нелокальная случайность – это новый метод объяснения, который мы возьмем на вооружение наряду со всеми другими инструментами, накопленными за столетия изучения природы. И это подлинная концептуальная революция! Так как квантовая теория предсказывает существование нелокальных корреляций, у нас нет выбора, кроме как работать с ними и принять этот новый вид объяснения мира.

Квантовая нелокальность прошла долгий путь, прежде чем оказалась на центральном месте в физике. Даже сегодня многие физики отвергают термин «нелокальность»^[109]. И все же еще в 1935 году Эйнштейн и Шрёдингер и некоторые другие утверждали, что этот аспект квантовой теории является ее основной чертой. Кажется, все эти недоверчивые физики не уловили того, что квантовая нелокальность не разрешает обмен информацией. Ничто не перемещается от Алисы к Бобу или от Боба к Алисе. Лишь случайное событие проявляет себя в нескольких местах способом, который не может быть описан локально, то есть нелокальным способом. Эйнштейн был неправ, говоря о «нелокальном воздействии», так как никакого воздействия Алисы на Боба или Боба на Алису попросту нет. Но он был совершенно прав, подчеркивая значимость этого аспекта квантовой теории, так как именно он лучше всего отличает квантовую физику от классической. Сегодня, когда мы хотим убедиться, что система является квантовой, мы должны показать, что с ее помощью можно производить нелокальные корреляции, другими словами, что с ее помощью можно победить в игре Белла. Сегодня нарушение неравенств Белла – это характерная черта квантового мира.