Все экспериментаторы, с которыми я говорил, называют эти явления нелокальными. Даже Цайлингер называет их так, несмотря на свои теоретические сомнения. Технически «нелокальность» для экспериментатора просто означает что-то, что отличает квантовые частицы от классических атомов. Это может быть не настоящая нелокальность, а иллюзия, порожденная, скажем, существованием параллельных вселенных. Но большинство экспериментаторов все еще представляют себе призрачные воздействия, прыгающие через пространство. Просто так легче думать.
В общем, нелокальность получает одобрение на практике, как когда-то происходило с законом тяготения Ньютона. Ньютон предупреждал, что нелокальность, которую подразумевает закон, может быть иллюзорной, но после открытия закона выросло новое поколение физиков, которые видели, насколько он полезен, и не чувствовали потребности в его оправдании. Они приняли силу тяжести как силу, возникающую на расстоянии. Как заметил психолог Уильям Джемс в XIX в., «мы обычно не верим в те факты и теории, которые для нас бесполезны». Но ученые быстро примут даже самый диковинный факт, если вы покажете им, как они могут его использовать. Выдающийся экспериментатор в области квантовой физики, Николя Жизан[18] из Женевского университета, отмечает, что его студенты растут со знанием о нелокальности и принимают ее как должное. «Молодые считают это захватывающим, но не изумляются, — говорит Жизан. — Местные дети говорят, что мир просто так устроен».
Размышляя не только о квантах
Кроме своей полезности нелокальность также выделяется среди других предложенных объяснений тем, что она вписывается в более общую картину. В следующей главе я расскажу о случаях нелокальности в других областях фундаментальной физики, но, даже если остановиться на квантовой механике, задумайтесь об интересном факте, который состоит в том, что запутанные частицы могут достичь желаемой последовательности результатов в 85% случаев, а не в 100%. Кажущаяся произвольность этого числа, по мнению многих, свидетельствует о том, что квантовая механика — только одна из целого класса возможных нелокальных теорий. Нелокальность как явление работает не по принципу «все или ничего», а имеет целый спектр возможных исходов.
Некоторые типы нелокальности слабее той разновидности, которую описывали Эйнштейн с Беллом. В той же самой статье, где был введен термин «запутанность», Шрёдингер описал, как запутанная частица может «руководить» своим партнером: это чрезвычайно тонкий вид дистанционного управления, который даже не приводит к особой последовательности результатов в экспериментах, построенных по принципу подбрасывания монет. С тех пор физики нашли другие способы «приглушить» нелокальность. Даже такой ослабленной нелокальности достаточно, чтобы выполнять полезные задачи, например избегать слежки со стороны властей.
В то же время физики придумали типы нелокальности, которые необычайно сильны. В своей статье, оказавшей большое влияние на науку в 1990-е гг., Санду Попеску из Бристольского университета и Даниэль Рорлих из Университета имени Бен-Гуриона в Израиле описали «суперквантовые» монеты, которые достигают желаемой последовательности результатов больше чем в 85% случаев. Насколько мы знаем, суперквантовых частиц не существует, но они были полезным гипотетическим сценарием. Инженеры могли бы использовать такие частицы для создания устройств, которые без них были бы невозможны. Для примера рассмотрим одну из мелких неприятностей повседневной жизни: поиск подходящего всем времени для встречи. Это обманчиво трудная задача, и компьютеры (даже те, которые используют возможности квантовых частиц) сводят ее к просмотру календарей участников и сравнению расписаний, по одному дню за раз. Но компьютер, использующий супер квантовые частицы, мог бы найти подходящее всем время за один шаг.
Организаторы конференций и любители быстрых знакомств, конечно, были бы рады иметь немного таких суперквантовых частиц. Но за эту возможность пришлось бы заплатить. Мир, в котором могут существовать такие частицы, страдал бы от глубокой логической противоречивости или склонности сложных структур к распаду. Каким-то непостижимым образом человеческая жизнь была бы невозможна, если бы назначать даты встреч было слишком просто. Попеску и Рорлих думают, что попытка точно определить, какого количества нелокальности было бы слишком много, позволила бы узнать, почему квантовая механика такова, какова она есть. Таким образом, понятие нелокальности демонстрирует свою способность порождать новые идеи, которую физики так высоко ценят.
Нелокальность, как ее ни назови
Пожалуй, самый замечательный факт о спорах вокруг нелокальности состоит в том, что разнообразные альтернативы не так сильно отличаются от нее, как пытаются показать их сторонники. Призрачное воздействие. Абсолютная предопределенность. Предвидение. Параллельные вселенные. Нереалистичность. Вот это список! Какая бы из этих возможностей ни оказалась верной, физики остаются в выигрыше. Все они — даже те, которые якобы сохраняют локальность, — предполагают наличие уровня реальности, лежащего за пределами нашего обыденного понимания пространства. Все они связывают частицы и наблюдателей на противоположных сторонах лабораторного стола, Земли или видимой Вселенной. Единственная разница в том, как это делается.
Чтобы понять это, давайте снова пройдемся по разным вариантам. Самой простой версией является направляющее поле Бома. В доработанных версиях исходной работы Бом предлагал считать это поле жидкостью, заполняющей все пространство. Волны могут распространяться по ней, как рябь по поверхности пруда, передавая воздействие от одной частицы к другой. На самом деле эта идея не просто ширма, чтобы скрыть невежество. Волны в этом поле совсем не похожи на обычные волны на поверхности воды — с точки зрения математики они распространяются в абстрактном многомерном пространстве и делают это с бесконечной скоростью. Бесконечная скорость не идеализация, а неотъемлемый элемент этой модели. Если бы предполагаемые волны перемещались с высокой, но все же конечной скоростью, то взаимодействия внутри групп частиц передавали бы сигналы со сверхсветовой скоростью, а такого никогда не наблюдалось.
Как только вы произносите слова «бесконечная скорость», становится ясно, что здесь что-то не так. Бесконечно быстрое движение едва ли имеет право называться движением — предмет, который «перемещается», уже находится в месте своего назначения, а значит, как можно говорить, что он туда движется? Направляющее поле на самом деле является не средой, в которой могут распространяться волны, а математическим подтверждением того факта, что каждая частица зависит от всех остальных частиц. Сам Бом пришел к мысли, что направляющее поле не существует в реальном мире, а сигнализирует о том, что наши понятия о пространстве не работают. По его предположению, вместо того чтобы считать, что пространство заполнено направляющим полем или жидкостью, о пространстве вообще не нужно думать.
Про следующий вариант, супердетерминизм, говорят, что он устраняет нелокальность. При ближайшем рассмотрении ничего подобного не происходит. Он просто сдвигает нелокальность во времени из настоящего момента в момент Большого взрыва. Некий закон природы должен был определить то, как выглядела Вселенная в момент времени 0. Этот закон похож на властную мать на свадьбе дочери, которая настаивает, что все должно быть именно так, а не иначе. Частица номер 1 618 034 и частица номер 137 035 999 обрели согласованные свойства и были приведены в движение таким образом, чтобы 13,8 млрд лет спустя, после бесчисленных столкновений и взаимодействий, они встретились в лаборатории на Земле, в месте, которое тогда еще даже не существовало. Фактически, в этом законе была заранее заложена вся эволюция Вселенной, включая взаимосвязи между частицами. В чем именно состоит отличие от разрешения Вселенной развиваться и действовать нелокальным образом «на лету»? Даже ’т Хоофт, главный защитник супердетерминизма, не уверен, действительно ли это позволяет сохранить локальность. «Это действительно очень трудный вопрос, над которым я сам постоянно размышляю… Я все еще считаю, что ЭПР/эксперименты по проверке неравенств Беллаявляются проблемой», — говорит он.
Третья альтернатива, обратная причинно-следственная связь, соединяет частицы посредством сигналов, передающихся назад во времени. Эта схема привлекает своей элегантностью. Она не требует сомнительного направляющего поля, чтобы передавать воздействия от одной частицы к другой, — частицы сами переносят их через все свое существование, «помня», что происходит с ними в будущем. Поскольку воздействие перемещается вместе с частицами, оно ни в какой момент не распространяется со сверхсветовой скоростью, не говоря уже о бесконечной. Таким образом, эта схема удовлетворяет теории относительности Эйнштейна, что гарантирует ослабление противоречий между теориями. К тому же обратная причинно-следственная связь не требует тонкой настройки параметров вещества в момент Большого взрыва.
Несмотря на все эти преимущества, здесь есть несуразность. Одна из главных причин, по которым физикам не нравится нелокальность, состоит в том, что она может допустить возможность путешествий во времени. Чтобы избежать этой проблемы, сторонники обратной причинно-следственной связи предлагают… путешествие во времени. Так что же мы выигрываем? Возможно, было бы проще принять путешествия во времени, подразумеваемые нелокальностью.
Действительно, можно утверждать, что обратная причинно-следственная связь на самом деле является не альтернативой нелокальным взаимодействиям, а типом нелокального взаимодействия. Двум частицам на противоположных концах Вселенной все же удается оказывать друг на друга влияние. Новизна в том, что они делают это, тайком передавая сообщение назад во времени. Эйнштейну это понравилось бы ничуть не больше призрачного воздействия на расстоянии. Его основное возражение против нелокальности состояло в том, что она грозила лишить Вселенную постижимости. Он задавался вопросами о том, как можно точно определить причину события, когда она может находиться в какой-то галактике, слишком удаленной, чтобы видеть ее? Как провести контролируемый эксперимент, если нельзя изолировать экспериментальную систему от удаленных воздействий? Те же самые возражения применимы и к обратной причинно-следственной связи. Как точно определить причину события, если она может находиться в будущем? Как провести контролируемый эксперимент, если нельзя изолировать систему от событий, которые еще только должны произойти?