Космический вариант эксперимента с отложенным (на полмиллиарда лет) выбором.
Рис. 14
Неужели ученые влияют своим современным решением на прошлое фотона? Нет, конечно! Равно как не влияют на прошлое фотонов и другие опыты – широко известные лабораторные эксперименты с отложенным выбором и эксперименты с квантовым ластиком, о которых в популярной прессе часто пишут, будто «ученые доказали, что будущее влияет на прошлое».
Разумеется, не влияет! Хотя иллюзия такая создается. Но это именно иллюзия, вызванная однобоким пониманием квантовой механики, когда наивный экспериментатор всерьез полагает, будто фотон и вправду принимает решение, как ему передвигаться: в виде частицы по одной из двух траекторий или по двум путям сразу в виде волны.
Так что же происходит на самом деле? Как в действительности летят фотоны – по двум путям или по одному?
На самом деле фотоны летят по всем возможным путям сразу. А происходит при этом уже известная нам квантовая нелокальность. Пролетев по всем путям и столкнувшись с чем-то реальным, то есть классическим, объект под названием квант мгновенно стягивается в точку в непредсказуемом, но вполне конкретном месте. Даже если перед столкновением имел размеры в половину вселенной.
– Как это – в половину вселенной!? – спросите вы.
Да очень просто. Представьте себе, что квант, разделенный полупрозрачным зеркалом, полетел в разных направлениях по двум путям одновременно. И разлетелся на миллиард световых лет. После чего одна его «половинка» хлопнулась обо что-то. Все! Выбор сделан! Та, вторая «половинка», исчезает или, если хотите, «стягивается» в ту точку, в которой фотон реализовался как частица.
Почему слово «половинка» взято в кавычки? Потому что половинки кванта не бывает. Квант неделим. И даже разлетевшись на миллиард миллиардов километров он представляет собой не два независимых кусочка себя, а единый объект. Который мгновенно схлопывается практически в точку. Причем, квант можно растащить не на два «кусочка», а на сколько угодно «частей», раскидав их полупрозрачными зеркалами в разные углы вселенной.
Я долго думал: давать в этой суперпопулярной книге квантовые опыты с отложенным выбором и стиранием квантовой информации или не усложнять текст. Но опыты эти настолько на слуху и так бурно обсуждаются публикой, интересующейся квантовой механикой, что я решил немного о них рассказать.
Итак, начнем плясать от экспериментов с отложенным выбором. Их идея состоит вот в чем: а давайте уже после того, как фотон «принял решение» стать частицей и идти по одному пути или остаться волной и двигаться по обоим путям, внесем в установку изменение! Допустим, у нас установка рассчитана на регистрацию частиц, а после того, как квант в нее вошел, мы ему на пути подлянку устроим – вставим полупрозрачное зеркало, чтобы зарегистрировать его как волну!
Долгое время такой опыт не представлялось возможным осуществить чисто технически, потому что свет слишком быстр и, как только он входит в начало установки, через мгновение из нее выходит с готовым результатом. Но потом хитромудрость человеческая позволила извернуться и такой опыт провести. С понятным результатом: если свет входит в установку для частичного (корпускулярного) замера, и уже после прохода им первого полупрозрачного зеркала экспериментаторы подло меняли условия, чтобы сбить свет с толку, и ставили второе полупрозрачное зеркало, фотон словно бы тоже менял свое решение, послушно показывая интерференцию.
Разновидностью этого опыта является опыт с так называемым квантовым ластиком. Он основан на запутывании квантов (создании фотонов с «родственными» свойствами), получении квантовых характеристик и последующем стирании этой информации внутри установки. Звучит непонятно, завлекательно и весьма интригующе, поэтому гранты на такие эксперименты получить можно, но смысла в них немного, потому как великий Бор уже все нам объяснил по этому поводу.
В чем же заключается этот «отложенный выбор с ластиком»? Схема установки показана ниже. Она непроста, и, если вам не хочется с ней разбираться, смело можете пропустить этот кусок книги, ничего по смыслу не потеряете.
Итак. Слева лазером подается фотон на две щели. Далее у него два пути – верхний и нижний. Но сразу после экрана установлен кристалл бета-бората бария, который обладает интересным свойством: из одного фотона делает два с вдвое меньшими энергиями (вдвое меньшей частотой). Соответственно два фотонных потока расщепляются на четыре. Верхняя пара «лучей» направляется в главный датчик – D0. По нему определяется интерференционная картина либо ее отсутствие. Нижняя пара «лучей» с помощью призмы направляется на полупрозрачные зеркала и от них либо отражается (с вероятностью 50 %), попадая в детекторы D4 и D3, либо проходит насквозь и с помощью обычных зеркал скрещивается на третьем полупрозрачном зеркале, задача которого – «смешать информацию», то есть сделать срабатывание датчиков D1 и D2 «непонятным». В смысле при срабатывании этих датчиков непонятно, откуда в них пришел луч – от нижней щели или от верхней, потому что с равной вероятностью третье полупрозрачное зеркало может как отразить фотон, так и пропустить.
Рис. 15
В чем прикол эксперимента? Кристалл бета-бората дает нам два спутанных ортогонально поляризованных фотона. Фотоны, идущие на главный детектор, называются сигнальными, а идущие в нижнюю часть установки – контрольными.
Из схемы ясно, что если срабатывает детектор D3, значит, фотон прилетел из нижней щели. Если D4 – из верхней. А вот срабатывание D1 и D2 ни о чем не говорит. Видно также, что нижний путь из обоих щелей длиннее верхнего (до главного детектора), то есть вниз сигнал попадает после срабатывания D0. (Физики даже прикинули, на сколько позже – на 8 наносекунд.)
И что же получается? Сначала разделившийся на двух щелях исходный фотон «расчетверяется» на кристалле, затем срабатывает датчик D0 (с него потом снимается информация, был ли этот фотон волной, то есть прошел ли он через обе щели, внеся вклад в интерференционную картинку, либо он как частица пролетел только через одну щель и внес свой вклад в корпускулярную картину – за это различение отвечает специальный электронный счетчик совпадений). А потом, после срабатывания D0, срабатывают датчики контрольных фотонов.
Датчики D1 и D2 специально поставлены, чтобы убрать информацию о том, через какую щель пролетел фотон. То есть мы эту информацию запросто могли бы получить, если бы не ставили всех этих полупрозрачных зеркал, а поставили вместо них просто два датчика D3 и D4. Но схема усложнена специально для уничтожения информации. И когда датчики D1 и D2 срабатывают, это означает, по идее, что мы в этом случае ничего не знаем о пути прохождения фотона, а значит, он имеет право оставаться волной и, стало быть, запутанный с ним фотон чуть ранее шлепнулся о главный датчик D0 интерференционно. Такова была идея.
Так и оказалось! Если информация о пути прохождения фотона после срабатывания датчика D0 стиралась, то ранее, чем это произошло, фотон, еще не зная о том, что информация о нем в будущем сотрется, смело позволял себе остаться волной, словно получал сигнал из будущего о том, как сработают полупрозрачные зеркала – скроют от исследователей информацию о пути прохождения фотона или нет.
Разумеется, это «обратновременное» влияние – иллюзия. На которую и клюют разные корреспонденты. Фактически все происходит так, как и должно происходить, – именно первое попадание в главный датчик и определяет дальнейшую судьбу сцепленного фотона, сдвигая вероятность его фиксации теми или иными нижними датчиками. Вот и все.
Глава 2Самая волнительная функция
Судьбу квантовой системы определяют два математических выражения: волновая функция и уравнение Шрёдингера. В них и отражается вероятностная природа квантового мира. А также самая великая тайна квантовой вселенной: как и почему происходит коллапс волновой функции (редукция волновой функции в другой терминологии).
Вы уже знаете, что это такое.
Это процесс, при котором размазанный по вселенной квант вдруг неожиданно решает схлопнуться, превратив вероятность своего существования в реальность. Квантовые уравнения определяют только вероятность нахождения того же электрона в том или ином месте, а замер (воздействие) присваивает электрону реальное время и место. В этом и состоит физический смысл волновой функции, которую обозначают греческой буквой «пси» – ψ.
Теперь, немного попривыкнув к вероятностной природе мира, разберемся, что же не так в этом самом коллапсе и почему некоторые физики говорят, что здесь каким-то образом замешано сознание?
Вот электрон до замера. На картинке показана вероятность его обнаружения. Собственно говоря, волновая функция – это волна вероятности обнаружения частицы.
Рис. 16
Все дело в математическом аппарате квантовой физики. В том, что линейные уравнения квантовой механики не предполагают никакого коллапса волновой функции. Согласно математической формалистике, никакой редукции волновой функции происходить просто не может! Понимаю, что каждая формула в научно-популярной книжке, как говорят знающие люди, вдвое сокращает число читателей, поэтому у нас с вами будут тут игрушечные, упрощенные формулы. Формулы как бы понарошку, но в обрамлении совершенно непогрешимой математической логики.
Вернемся к ранее использованному прекрасному примеру. Вот есть у нас два ящика, обитых черным бархатом. И одна красивая, сверкающая, отполированная, белая, словно бильярдный шар из слоновой кости, частица, которая может по результатам эксперимента оказаться только в одном из ящиков. Ну, просто потому что реальные частицы в нашем реальном мире не могут находиться одновременно в двух местах. Это основа физического реализма. Каковой реализм так самоотверженно пытался защитить Эйнштейн (заодно с пристегнутым к нему фатализмом, о чем старик, видимо, не догадывался). Но так и не защитил: микромир оказался в своей основе квантовым, то есть принципиально неопределенным, и лишь на уровне макромира он выглядит привычно-реальным, твердым и надежным.