Technologyes World

Запутанность*, как многие квантовые эффекты, противоречит некоторым из наших глубочайших интуитивных представлений о мире. Она может <взорвать> специальную теорию относительности Эйнштейна

Наша интуиция, исходящая из всего прошлого опыта, говорит нам, что если, например, требуется переместить камень, то нужно его непосредственно коснуться, или взять палку, которой его можно сдвинуть, или дать команду, которая посредством колебаний воздуха достигнет уха человека с палкой, способного толкнуть этот камень или выполнить еще какое-нибудь действие подобного рода. Сформулируем обобщенно: интуиция подсказывает нам, что одни предметы могут непосредственно воздействовать на другие, только находясь с ними рядом. Если предмет А воздействует на предмет В, не находясь рядом с ним, то воздействие должно быть непрямым - через цепь переносчиков, каждый из которых влияет на последующий непосредственно, так что в итоге непрерывно перекрывается расстояние между А и В. Может показаться, что мы постоянно сталкиваемся с исключениями из этого правила. Например, щелкнув переключателем, можно включить уличные фонари (но мы знаем, что это воздействие передается по проводам), или послушать радиопередачу из студии, находящейся за сотни километров от приемника (а в этом случае мы понимаем, что сигнал передан радиоволнами, распространяющимися в пространстве). И все это оказывается вовсе не исключениями, а подтверждениями правила, о чем говорит повседневный опыт всей нашей жизни.

Мы выражаем это интуитивное представление понятием "локальность действия"

Квантовая механика опровергла многие наши интуитивные представления, но ни одно из опровержений не было таким фундаментальным, как связанное с локальностью. И пока противоречие не разрешено, оно таит угрозу специальной теории относительности - краеугольному камню физики XXI в.

ОСНОВНЫЕ ПОЛОЖЕНИЯ

• В нашем восприятии Вселенной мы можем непосредственно воздействовать только на те предметы, к которым можем прикоснуться; мир представляется нам локальным.
• Однако квантовая механика предусматривает возможность непосредственного взаимодействия на расстоянии с помощью свойства, называемого запутанностью. Оно заключается в том, что две частицы синхронно меняют состояние без участия какого либо переносчика взаимодействия; их мир нелокален.
• Этот эффект не просто противоречит интуитивным представлениям: он представляет серьезную угрозу специальной теории относительности Эйнштейна, покушаясь на самые основы физики.

Факты окружающего мира

Вернемся немного назад. Когда квантовой механики еще не сущест вовало, а по большому счету еще с самого начала научного исследования природы, ученые были уверены, что полное описание физического мира в принципе можно получить, описывая одну за другой каждую из мельчайших и наиболее элементарных его физических составляющих, - т.е., что полное описание мира есть сумма описаний всех его составляющих.

Квантовая механика разрушила эту уверенность.

Реальные, поддающиеся измерению физические свойства ансамбля частиц могут вполне конкретным образом превосходить сумму свойств составляющих его частиц, отличаться от нее или даже не иметь с ней ничего общего. Так, согласно квантовой механике, можно добиться того, чтобы две частицы находились точно на расстоянии двух футов одна от другой, но при этом ни одна из них не имела точно определенного положения. Более того, общепринятый подход к истолкованию законов квантовой механики (так называемая копенгагенская интерпретация, выдвинутая великим датским физиком Нильсом Бором в начале XX в. и преподававшаяся поколениям студентов) утверждает: дело не в том, что мы не знаем каких-то сведений о точных координатах отдельных частиц, а в том, что этих сведений вообще не существует. Вопрос о координатах отдельной частицы столь же бессмыслен, как и вопрос о семейном положении числа пять. Проблема является не гносеологической (то, что мы знаем), а онтологической (то, что существует).

Частицы, связанные таким образом, физики называют квантовомеханически запутанными друг с другом. Запутанной может быть не только координата: частицы могут иметь противоположно направленные спины при том, что направление спина ни одной из них не является определенным. Или одна из двух частиц может быть возбужденной, но неизвестно, какая из них возбуждена. Запутанность может связывать частицы вне зависимости от их местоположения, их природы и сил взаимодействия между ними. Это вполне могут быть электрон и протон на противоположных краях Галактики. В общем, запутанность - такой род близости, почти интимной, между элементами материи, который прежде невозможно было даже представить.

Запутанность лежит в основе новой и исключительно перспективной области квантовых вычислений и квантовой криптографии, которая может открыть путь к решению задач, лежащих за пределами практических возможностей обычных компьютеров, а также возможность связи с гарантией защиты от перехвата (см.: Монро К., Уайнленд Д. Ионы для квантовых компьютеров // В мире науки, № 11, 2008).

А еще запутанность влечет за собой совершенно "противоестественное", противоречащее "здравому смыслу" явление, называемое нелокальностью, - возможность взаимодействия объектов без непосредственного контакта и физического присутствия каких-либо промежуточных объектов, передающих действие. Нелокальность взаимодействия означает, что кулак в Де-Мойне может сломать нос в Далласе, не оказывая никакого воздействия на любой физический объект (будь то молекула воздуха, электрон в проводе или вспышка света) гделибо в пространстве между ними.

Основная угроза нелокальности (если исключить ее поразительную внутреннюю сущность), связана с тем, что она таит в себе колоссальные противоречия со специальной теорией относительности в том виде, в каком мы ее знаем. В последние годы эти старые противоречия - в конце концов привлекшие внимание серьезных физиков - оказались в центре обсуждений, которые могут в итоге заставить пересмотреть или даже разрушить самые основы современной физики.

МЫСЛЕННЫЙ ЭКСПЕРИМЕНТ ЭПР
Альберт Эйнштейн, Борис Подольский и Натан Розен (ЭПР) указали, что квантовая запутанность двух частиц приводит к не поддающемуся объяснению результату, если одну частицу наблюдает один человек (Алиса), а другую - другой Боб), находящийся на большом расстоянии от первого
Квантовые спины
Электроны обладают свойством, называемым спином и показанным здесь стрелками. Они могут иметь любые направления. Когда Алиса измеряет спин электрона (внизу), она выбирает ось. При измерениях вдоль вертикальной оси она может получить направление спина вверх или вниз с определенной вероятностью для каждого из направлений. Проводя измерения вдоль горизонтальной оси, она получит спин, направленный или на восток, или на запад
Измерения
Запутанность двух частиц может проявляться в том, что при неопределенности обоих спинов они будут разнонаправлены. Предположим, что такую пару наблюдают Алиса и Боб, причем спин <частицы Алисы> направлен вверх (ниже). Тогда Боб, как бы далеко от Алисы он ни находился, при измерении вдоль вертикальной оси обязательно должен получить <свой> спин направленным вниз, т.е. в направлении, противоположном спину <частицы Алисы>
Запутанные спины
ЭПР рассуждают, что если результат измерения Боба - это всегда спин, направленный вниз, то <его> спин должен был быть направленным именно так еще до измерения. Но ведь Алиса (которая не сигнализирует заранее о выборе оси) могла с той же вероятностью измерять спин вдоль горизонтальной оси и получить, например, значение <восток>. А тогда частица Боба должна была иметь спин, направленный на запад
Аргумент ЭПР
Никакое квантовое состояние не позволяет <частице Боба> иметь спин, направленный определенно вниз или определенно на запад; отсюда ЭПР заключают, что квантовая механика не может быть полной теорией

Радикальный пересмотр реальности

Квантовая механика вызывала у Эйнштейна серьезную озабоченность. В частности, тем, что она слишком уж связана с вероятностями (известна фраза Эйнштейна: "Бог не играет в кости"). Однако единственное возражение, сформулированное им официально и изложенное на бумаге, касается странностей квантовомеханической запутанности. Это возражение лежит в основе ЭПР-парадокса, названного по фамилиям трех его авторов -

Эйнштейна и его коллег Бориса Подольского и Натана Розена (врезка на стр. 22). В своей статье 1935 г. "Можно ли считать квантовомеханическое описание физической реальности полным?" они ответили на поставленный ими вопрос хорошо аргументированным "нет".

Свою аргументацию они основывали на конкретном мысленном эксперименте, рецепт и математическое обоснование которого изложили. Предположим, что мы измеряем положение частицы, квантовомеханически запутанной с другой частицей, причем ни одна из них не имеет определенного положения, как сказано выше. Естественно, когда мы получаем результат эксперимента, мы изменяем описание первой частицы, поскольку мы теперь знаем, где она была в момент измерения. Однако алгоритм требует также, чтобы мы изменили и описание второй частицы, причем сделали это мгновенно, как бы далеко она ни находилась и что бы ни лежало между ними.

Запутанность была несомненным фактом квантовомеханической картины мира, но о вытекающих из этого факта следствиях никто до Эйнштейна не задумывался. А он видел в запутанности нечто не просто странное, но сомнительное. Она поразила его своей физической противоестественностью. Она лишала теорию локальности.

ИЗМЕНЕНИЕ ВЗГЛЯДОВ НА "РЕАЛЬНОСТЬ"
Наш повседневный опыт подсказывает нам, что все взаимодействия в мире локальны: мы можем сдвинуть камень, только прикоснувшись к нему, толкнув его палкой и т.д., создав таким образом ту или иную непрерывную цепь прямых локальных воздействий. Однако с самого начала современной науки в XVII в. ученые сталкивались с взаимодействиями, которые представлялись им нелокальными
	1687 г.: закон всемирного тяготения Исаака Ньютона, первое научное (в современном понимании) описание природы тяготения (гравитации), содержал понятие <действия на расстоянии>. Ньютон был уверен, что должно существовать объяснение природы гравитации без нелокальности, и даже выдвинул гипотезу о том, что все представляющееся пустым пространство заполнено крошечными невидимыми колеблющимися частицами. Гипотеза не получила подтверждения
1785 г.: Шарль Кулон открыл закон, согласно которому сила взаимодействия электрических зарядов обратно пропорциональна квадрату расстояния между ними, как и сила гравитационного взаимодействия по Ньютону. Электрические эффекты также выглядели <действием на расстоянии>