Доказательство не локальности: эксперимент Аспекта

Ален Аспект использовал синглетный тип корреляции между двумя фотонами для доказательства наличия не опосредуемого сигналами влияния, действующего между двумя скоррелированными квантовыми объектами. Он подтвердил, что измерение одного фотона воздействует на поляризационно-скоррелированный с ним другой фотон без всякого обмена локальными сигналами между ними.

Представьте себе следующую экспериментальную обстановку: атомный источник испускает пары фотонов, и два фотона каждой пары движутся в противоположных направлениях. Каждая пара фотонов скоррелирована по поляризации — оси их поляризации лежат на одной линии. Таким образом, если вы видите один фотон через поляризующие очки с вертикальной осью поляризации (как их обычно носят), то ваш друг, находящийся на расстоянии по другую сторону от атомного источника, будет видеть второй скоррелированный фотон, только если он тоже носит поляризующие очки с вертикальной осью. Если он наклонит голову так, что ось поляризации его очков станет горизонтальной, то не сможет видеть свой фотон. Если он наклонит голову так, что это позволит ему видеть его фотон, то вы не будете способны видеть второй фотон скоррелированной пары, так как ось поляризации ваших очков не соответствует оси поляризации очков вашего друга.

Разумеется, сами лучи фотонов не поляризованы. Они не имеют конкретной поляризации, пока вы не наблюдаете их с помощью поляризующих очков; все направления лучей имеют одинаковую вероятность проявления. Каждый фотон представляет собой когерентную суперпозицию поляризаций «вдоль» и «поперек» каждого направления; именно наше наблюдение схлопывает фотон с определенной поляризацией — продольной или поперечной. В длинном ряду коллапсов будет столько же коллапсов с так называемой продольной поляризацией, сколько и с поперечной.

Предположим, что вначале оси поляризации очков у вас обоих вертикальны, так что каждый из вас может видеть один из скоррелированных фотонов (рис. 30); но затем вы внезапно наклоняете голову, так что ось поляризации ваших очков становится не вертикальной, а горизонтальной. Своим действием (поскольку вы видите фотон, только если он поляризован горизонтально) вы заставили фотон, который вы видите, принять горизонтальную поляризацию. Однако, как ни странно, ваш друг больше не видит второй фотон пары, если только одновременно не перевернет свои очки, поскольку этот скоррелированный фотон тоже принял горизонтальную поляризацию в результате вашего действия. Это нелокальный коллапс, не так ли?

Рис. 30. Наблюдения поляризационно-скоррелированных фотонов

Если вы действительно верите в материальный реализм, то видите в этом квантово-теоретическом построении событий нечто странное, поскольку то, что вы делаете с одним фотоном, одновременно влияет на его удаленного партнера. В каком бы направлении вы ни поворачивали свои поляризационные очки, чтобы видеть фотон, скоррелированный партнер этого фотона всегда принимает направление поляризации вдоль той же оси, независимо от того, где и как далеко от вас он находится. Каким образом фотон знает, куда поворачивается, если только он, в каком-то смысле, не узнает об этом от своего партнера? Как он может узнавать мгновенно, игнорируя ограничение скорости любых сигналов величиной скорости света?

Эрвин Шрёдингер в 1935 г. писал: «Весьма неудобно, что [квантовая] теория должна позволять экспериментатору по своей прихоти вводить или направлять систему в то или иное состояние, несмотря на то что он не имеет к ней никакого доступа».

Материальных реалистов в течение последних пятидесяти лет беспокоили следствия таких сильных корреляций между квантовыми объектами для их философии. До недавнего времени они все еще могли доказывать, что влияние опосредуется неведомым нам локальным сигналом между фотонами и что оно, вследствие этого, строго подчиняется принципу реализма. Однако Ален Аспект и его сотрудники в своем революционном эксперименте доказали, что влияние передается мгновенно, и без каких бы то ни было промежуточных локальных сигналов.

В качестве примера предположите, что вы по очереди вытягиваете карты из колоды. Ваш друг, сидящий спиной к вам, говорит людям, какую карту вы вытягиваете, — и каждый раз оказывается прав. Поначалу эта корреляция между вами могла бы сбивать зрителей с толку. Однако со временем люди бы сообразили, что вы каким-то образом подаете своему другу локальный сигнал. Именно так работают многие так называемые магические фокусы. Теперь предположите, что в силу обстоятельств для обмена локальным сигналом между вами и вашим другом просто нет времени. Тем не менее магия корреляции продолжает действовать — вы вытягиваете карту, и ваш друг правильно ее называет. Таков странный и чрезвычайно важный результат эксперимента Алена Аспекта.

Аспект использовал поляризационно-скоррелированные фотоны, испускаемые в противоположных направлениях атомами кальция. На пути каждого пучка фотонов был установлен детектор. Решающей особенностью эксперимента — которая делала его вывод неопровержимым — было использование переключателя, менявшего настройку поляризации одного из детекторов через каждую одну десятимиллиардную долю секунды (это время короче, чем требуется свету или другому локальному сигналу для прохождения расстояния между двумя детекторами). Но даже в этом случае изменение настройки поляризации детектора переключателем изменяло результат измерения в другом месте — как и должно было быть, согласно квантовой механике.

Как информация об изменении настройки детектора доходила от одного фотона до его скоррелирован-ного партнера? Несомненно, не с помощью локальных сигналов. Для этого было недостаточно времени.

Как это можно объяснить? Возьмем принадлежащее Пагелсу сравнение реальности с колодой карт. Результаты эксперимента Аспекта подобны тому, чтобы карты, вытягиваемые в Нью-Йорке, были тождественны картам, вытягиваемым в Токио. Остается вопрос: заключена ли тайна нелокальности в самих картах, или сознание наблюдателя тоже вступает в игру?

Материальные реалисты неохотно признают, что квантовые объекты имеют нелокальные корреляции и что если принимать сценарий коллапса всерьез, то квантовый коллапс должен быть нелокальным. Однако они отказываются видеть значение этого и потому упускают самое важное в новой физике.

Один способ разрешения парадокса ЭПР состоит в том, чтобы постулировать, что за сценой пространства-времени существует эфир, в котором допускается передача сигналов быстрее скорости света. Это решение также означало бы отказ от локальности и материализма, и потому было бы неприемлемым для большинства физиков. Кроме того, сверхсветовые сигналы делали бы возможным путешествие во времени в прошлое; такая перспектива беспокоит людей, и не без оснований.

Я предпочитаю очевидную интерпретацию эксперимента Аспекта. Согласно идеалистической интерпретации, в этом эксперименте именно ваше наблюдение коллапсирует волновую функцию одного из двух скоррелированных фотонов, заставляя его принимать определенную поляризацию. Волновая функция его скоррелированного партнера тоже немедленно схлопывается. Сознание, способное мгновенно схлопывать волновую функцию фотона на расстоянии, само должно быть нелокальным, или трансцендентным. Таким образом, вместо того чтобы считать нелокальность свойством, опосредуемым сверхсветовыми сигналами, идеалист утверждает, что нелокальность — неотъемлемый аспект коллапса волновой функции скоррелированной системы и, значит, атрибут сознания.

Итак, подозрение Эйнштейна в отношении неполноты квантовой механики, которое было рабочей гипотезой парадокса ЭПР, привело к поразительным результатам. Интуиция гения нередко оказывается плодотворной неожиданным образом, не имеющим отношения к подробностям его теории.

Это напоминает мне одну суфийскую историю. Мулла Насреддин однажды столкнулся с бандой мошенников, которые хотели завладеть его туфлями. Стараясь обмануть муллу, один из мошенников сказал, указывая на дерево: «Мулла, на это дерево невозможно залезть».

«Конечно, возможно. Я покажу вам», — сказал мулла, поддавшись на провокацию. Сперва он собирался оставить свои туфли на земле, пока он будет лезть на дерево, но потом передумал, связал их и прикрепил к поясу. Затем он начал подниматься.

Парни были обескуражены. «Зачем ты берешь свои туфли с собой?» — воскликнул один из них.

«Ох, я не знаю, возможно, наверху есть дорога, и они могут мне понадобиться!» — отозвался мулла.

Интуиция муллы подсказывала ему, что мошенники могут попытаться украсть его туфли. Интуиция Эйнштейна говорила ему, что квантовая теория должна быть неполной, поскольку она не может объяснить скоррелированные электроны. В конце концов, что, если бы мулла обнаружил, что на вершине дерева есть дорога! По существу, это и показало проведенное Аспектом экспериментальное исследование парадокса ЭПР.