Теперь разделим коробку на две половинки там, где проходит перегородка. Левую половинку коробки мы отправим самолетом в Париж, а правую – в Токио. Когда коробки прибудут в места назначения, физик в Токио проделает эксперимент и посмотрит, находится ли электрон в правой половине коробки. Квантовая механика гласит, что результат этого эксперимента подлинно случаен – это как бросить монетку. Поскольку волновая функция поделена надвое между двумя половинками коробки, шансы, что токийский физик обнаружит присутствие электрона, – пятьдесят на пятьдесят.
Так вот, предположим, он обнаружит электрон. В этот момент волновая функция коллапсирует. Акт обнаружения электрона в токийской коробке приведет к тому, что часть волновой функции, связанная с парижской коробкой, мгновенно исчезнет. То есть парижская коробка словно бы телепатически знает результат токийского эксперимента (вроде бы случайный) и ведет себя соответственно. Если теперь парижский физик заглянет в левую половинку коробки, то точно не найдет электрона. (Разумеется, «коллапс» мог произойти и наоборот, и тогда парижский физик нашел бы электрон.)
Так все должно было бы происходить согласно ортодоксальной квантовой механике в том виде, в каком ее разрабатывали Бор, Гейзенберг и другие основатели теории. Это называется «Копенгагенская интерпретация квантовой механики», поскольку Бор руководил физическим факультетом Копенгагенского университета. Согласно Копенгагенской интерпретации, сам акт наблюдения заставляет распределенные вероятности коллапсировать в одну частицу, находящуюся в строго определенном месте. Отсюда следует и фраза, которую называли лучшим объяснением квантовой механики не более чем в пяти словах: «Не смотришь – волна, смотришь – частица».
По мнению Эйнштейна, это была бессмыслица. Каким образом простой взгляд в коробку заставляет распределенную потенциальность мгновенно схлопнуться в точечную актуальность? И если заглянуть в коробку в Токио, каким образом это мгновенно меняет физическое состояние коробки на другом краю земли, в Париже? Вот оно, «призрачное действие на расстоянии», очевидное нарушение принципа локальности. Значит, в копенгагенскую интерпретацию вкралась ошибка.
Интуиция подсказывала Эйнштейну в точности то же самое, что и здравый смысл: частица с самого начала была либо в одной половинке коробки, либо в другой. Поэтому, заключал Эйнштейн, квантовая механика неполна. Она дает размытую картину четкой реальности, а не четкую картину размытой реальности, как утверждали сторонники копенгагенской интерпретации.
Бор не пытался опровергнуть простую логику коробок Эйнштейна. Он направил свой полемический задор на более поздний и сложный мысленный эксперимент, который Эйнштейн придумал в тридцатые годы, когда уже покинул Германию и перебрался в Институт передовых исследований. Этот эксперимент называется «Парадокс Эйнштейна – Подольского – Розена», или просто ЭПР в честь Эйнштейна и двух его младших сотрудников – Бориса Подольского (из России) и Натана Розена (из Бруклина).
Мысленный эксперимент ЭПР предполагает, что существует пара частиц, которые возникли вместе, а затем пошли каждая своей дорогой. Эйнштейн считал, что согласно квантовой механике эти частицы должны быть «запутаны», то есть у них сохранится корреляция в том, как они реагируют на эксперименты, независимо от того, насколько далеко они разойдутся. В качестве примера рассмотрим, что происходит, когда «возбужденный» атом, то есть атом, уровень энергии которого искусственно повышен, делится избытком энергии, испустив пару фотонов (частиц-компонентов света). Эти два фотона разлетаются в противоположных направлениях и в конце концов достигают границ галактики и вылетают за них. Однако квантовая механика говорит, что какое бы расстояние ни разделяло два фотона, они остаются запутанными в единую квантовую систему. Если они станут субъектами одного и того же эксперимента, каждый будет реагировать в точном соответствии с партнером. Если, например, мы увидим, как ближайший фотон успешно проходит сквозь поляризационный фильтр, скажем, солнечные очки, мы автоматически узнаем, что его далекий партнер тоже это сделает, при условии, что ближний и дальний фильтр поставлены под одним и тем же углом.
Можно подумать, что такие запутанные частицы не загадочнее пары однояйцовых близнецов, разъехавшихся в разные города: если видишь в Нью-Йорке близнеца А и он рыжий, точно знаешь, что у близнеца В в Сиднее тоже рыжие волосы. Однако в отличие от цвета волос квантовые свойства остаются неопределенными, пока не подверглись измерению. Когда частица А измерена, смесь вероятностей мгновенно схлопывается в одно определенное состояние, и по всему выходит, что это вынуждает запутанную с ней партнершу частицу В тоже мгновенно перейти из смеси вероятностей в точно определенное соответствующее состояние.
Если квантовая механика верна, то запутанные частицы похожи не на пару однояйцовых близнецов, а на волшебные монетки, которые иногда представляют себе в ходе мысленных экспериментов – хотя их никто никак не подправлял и не утяжелял, они откуда-то знают, что если их бросят, нужно будет упасть одной и той же стороной вверх. Словно бы между запутанными частицами возникает телепатическая связь, дающая им возможность координировать свое поведение мгновенно на любых расстояниях, хотя, согласно теории относительности, все известные методы коммуникации ограничены скоростью света.
Из мысленного эксперимента ЭПР Эйнштейн сделал тот же вывод, что и из своих коробок: такая связь была бы «призрачным действием на расстоянии». Квантовая запутанность не может существовать в реальности. Строго срежиссированное поведение частиц, находящихся на больших расстояниях, должно быть запрограммировано заранее, с самого начала (как у однояйцовых близнецов), а не подчиняться корреллирующей случайности (как у волшебных монеток). А поскольку квантовая теория ничего не говорит о таком программировании, которое физики называют скрытыми переменными, описание мира, которое она дает, неполно.
До этого момента логика ЭПР ясна. Однако статья, которую Эйнштейн, Подольский и Розен опубликовали в 1935 году, на этом не кончается и на последних страницах пытается опровергнуть принцип неопределенности Гейзенберга, согласно которому некоторые пары физических свойств частицы, например, местоположение и импульс, нельзя определить одновременно. (Впоследствии Эйнштейн утверждал, что эта дерзость целиком и полностью на совести юного Подольского, который написал последний раздел статьи ЭПР самостоятельно.) Это настолько все испортило, что у Бора появилась долгожданная возможность поквитаться с Эйнштейном – однако его ответная статья стала шедевром темноты и таинственности. Через десять лет после ее публикации Бор сам признавался, что ему было трудновато понять, что он, собственно, написал. Но большинство физиков так устали от этих «философских», по их мнению, споров и так хотели спокойно заняться своими квантовыми вычислениями, что просто приняли на веру, что Бор выиграл спор с Эйнштейном, который, что называется, уже не тот. По словам Абрахама Пайса, биографа Эйнштейна, его «слава ничуть не померкла бы, а может быть, и засияла ярче, если бы он вместо всего этого увлекся рыбалкой».
Однако впоследствии нашелся физик, который не придерживался общепринятого мнения, и это и был Джон Стюарт Белл (1928–1990). Он был сыном торговца лошадьми из Белфаста и сделал карьеру в прикладной физике – помогал строить первый ускоритель частиц в ЦЕРНе (Европейском центре экспериментальной физики близ Женевы). Но еще он смотрел на концептуальные основы физики глазами философа. По строгости и ясности рассуждений Белл мог потягаться с Эйнштейном. И подобно Эйнштейну, относился к квантовой механике недоверчиво. «Я воздерживался от мысли, что она ошибочна, но знал, что в ней что-то не так», – говорил он. Размышляя о мысленном эксперименте ЭПР, Белл обнаружил способ хитроумно подправить его и провести на самом деле опыт, который окончательно решит вопрос о квантовой механике и локальности. Доказательство, что такое возможно – теперь это знаменитая «теорема Белла», – он опубликовал в 1964 году. Что самое поразительное, это всего пара страниц алгебраических выкладок, понятных даже старшекласснику.
Суть идеи Белла такова: если мы хотим заставить запутанные частицы проявить свою нелокальную связь (при условии, что она существует, само собой), надо подвергнуть их более деликатному допросу. А это, по мысли Белла, можно сделать, если измерить спин частиц под разными углами. Особенности квантового спина таковы, что каждое измерение – это словно заданный частице вопрос, на который можно ответить только «да» или «нет». Если задать двум разделенным, но запутанным частицам один и тот же вопрос, то есть если измерить их спины под одним и тем же углом, они с гарантией дадут один и тот же ответ – два «да» или два «нет». В таком согласии нет ничего волшебного – возможно, пара частиц, родившихся вместе, просто так запрограммирована.
Но если задать запутанным частицам разные вопросы, то есть если измерить спин каждой из них под своим углом, квантовая механика предсказывает точную статистическую закономерность совпадений и несовпадений ответов «да» и «нет». Белл доказал, что если правильно подобрать комбинацию вопросов, предсказанная квантовой механикой закономерность будет бесспорно нелокальной. Никакое предварительное программирование, никакие «скрытые переменные» в том виде, в каком их представлял себе Эйнштейн, этого не объяснят. Согласно Беллу, такая надежная корреляция может лишь означать, что разлученные частицы координируют свое поведение неизвестным науке образом: каждая «знает» не только какой вопрос задали ее далекому близнецу, но и как тот на него ответил.
Вот что сделал Белл. Сначала он придумал эксперимент, в ходе которого будет проделан определенный набор измерений пары разделенных, но запутанных частиц. Затем он привел безупречное математическое доказательство, что если