огда она определит его ориентированность. Но как частица Боба узнает об этом так быстро? Как писал Сет Ллойд в своей книге о квантовой информации, эти частицы похожи на двух братьев-близнецов в разных барах: когда один заказывает пиво, другой тут же берет себе виски и когда первый говорит: «Виски», второй моментально произносит: «Пиво».[144]
В дальнейшем Белл добавил в свой эксперимент еще один вариант.[145] Предположим, что мы можем измерить спин частицы в любом направлении, а не только в вертикальном. Давайте установим два направления: вертикальное и с 30-градусным отклонением от вертикальной оси. Каждый детектор можно настроить таким образом, чтобы он измерил одно из двух возможных направлений. Обозначим вертикальное направление для детекторов как Л| и П|, а наклонное – как Л/ и П/. Итого два детектора могут быть ориентированы четырьмя возможными способами: (Л|; П|), (Л|; П/), (Л/; П|) или (Л/; П/). Так как электроны могут быть направлены по этим осям только вниз или вверх, детекторы могут показывать только два значения: +1 и –1. Следовательно, после установки детектора в нужном направлении каждое измерение будет давать нам пару возможных чисел: (+1; +1), (+1; –1), (–1; +1) или (–1; –1).
Обратите внимание, что для случаев (Л|; П|) и (Л/; П/), при которых оба детектора имеют одно направление, результаты определяются сохранением момента количества движения – фундаментальным законом природы, который говорит, что значение вращения в физической системе, не подвергающейся внешнему воздействию, остается неизменным. Если Л| = +1, то П| = –1, и наоборот. Если Л/ = +1, П/ = –1, и наоборот. В этом случае между двумя частицами наблюдается идеальная корреляция, как в случаях, которые мы обсуждали выше.
Четыре независимых результата становятся возможными, если мы предполагаем, что между разными направлениями спина частиц, попадающих на детекторы Л и П, отсутствует корреляция в соответствии с принципом локальности, который Эйнштейн и Шрёдингер так хотели увидеть воплощенным в Природе. Мы ожидаем, что со смешанными комбинациями (Л|; П/) и (Л/; П|) не произойдет ничего особенного.
Учитывая четыре возможных ориентации двух детекторов, экспериментатор может составить таблицу с результатами многочисленных повторений данного опыта и записывать в нее пары чисел для каждого измерения.[146] Иными словами, каждое повторение опыта соответствует четырем отдельным измерениям, по одному для каждой схемы ориентации детекторов. Кроме того, экспериментатор может изучить соотношения между парами значений в каждом опыте. Его может заинтересовать следующее соотношение, которое мы назовем С:
C = (Л| × П|) − (Л/ × П|) + (Л| × П/) + (Л/ × П/) = (Л| − Л/) × П| + (Л| + Л/) × П/.
Последнее выражение было получено путем перестановки условий. Экспериментатор рассчитывает С для каждого опыта, включающего в себя четыре возможных способа ориентации детекторов и расчет спина обеих частиц.[147] Если локальные теории верны, результаты будут таковы: так как Л| и Л/ могут принимать только значения +1 или –1, одно из двух условий в скобках пропадает, а второе принимает значение +2 или –2. Например, если Л| = +1, а Л/= –1, первое условие будет равно +2, а второе пропадет. Если же Л| = –1, а Л/ = +1, первое условие будет равняться –2, а второе можно будет вычеркнуть. Так как П| и П/ в каждом из опытов тоже принимают значения +1 или –1, общее значение С всегда будет составлять либо +2, либо –2.
Экспериментатор рассчитывает и записывает С для каждого опыта. Предположим, что он делает это N раз. Затем он может рассчитать среднее значение С, Cср = (С1 + С2 +… + СN)/N, где С1 будет означать С для опыта 1, С2 – для опыта 2 и т. д. до последнего СN. Так как в каждом из случаев С может принимать только значения –2 или +2, Сср является числом в промежутке от –2 до +2. Мы можем записать это так: –2 ≤ Сср ≥ +2. Например, если после четырех попыток экспериментатор получит С1 = +2, С2 = –2, С3 = +2 и С4 = +2, он рассчитает Сср как Сср = (2–2 + 2 + 2) / 4 = 1.
Таким образом, локальные теории предсказывают, что среднее значение С всегда будет находиться в диапазоне от –2 до +2. Однако если мы проводим расчет С с использованием квантовой механики, мы можем найти более сильную корреляцию между разнонаправленными частицами и, соответственно, получить другой результат: измерения спина двух частиц, движущихся в различных направлениях, не полностью независимы друг от друга. В результате значение С может выходить за пределы диапазона от –2 до +2. При некотором угловом отклонении от вертикали квантовые корреляции между спинами частиц оказываются больше, чем предсказывают локальные теории. Иными словами, в квантовой механике неравенство –2 ≤ Сср ≥ +2 должно быть нарушено. Белл разработал однозначный экспериментальный способ обнаружить разницу между традиционной квантовой механикой и модификациями со скрытыми переменными, предполагающими локальность в смысле, установленном ЭПР.
Пока я писал эти строки, группа Цайлингера вместе с коллегами из других стран, включая Национальный институт стандартов и технологий США и специалистов из Германии, провела уникальный эксперимент со связанными фотонами, подтверждающий, что в Природе отсутствуют мистические «влияния на расстоянии».[148]
Новизна этого опыта состояла в том, что в нем рассматривались одновременно все фотоны, участвующие в эксперименте, чего до сегодняшнего дня добиться было трудно (раньше какая-то часть фотонов не попадала на детектор и поэтому не учитывалась). Это очень важный аспект, так как он исключает возможную предвзятость в отношении как источника, так и улавливающего фотоны оборудования (желание принимать к рассмотрению только «важные» фотоны). Соответственно, результат становится более объективным. Эксперимент Цайлингера стал последним в длинном ряду опытов, которые начались еще в 1972 году, когда Джон Клоузер и Стюард Фридман из Университета Калифорнии в Беркли обнаружили случай нарушения неравенства Белла, соответствующий принципам квантовой механики. В начале 1980-х этим вопросом занялись Алейн Аспект и его команда, а в 1990-х эстафету перенял Цайлингер со своими коллегами. Результаты впечатляли: в каждом опыте неравенство Белла не просто нарушалось, нарушение полностью соответствовало квантовой механике.
Чистый результат этих экспериментов несколько сбивает с толку. Выходит, что надежда Эйнштейна на появление локальной теории, объясняющей происходящее и способной изгнать квантовый призрак (чего-то вроде его собственного дополнения ньютоновской теории притяжения), оказалась ложной. В совокупности эти эксперименты опровергают все локальные теории, в которых используются скрытые переменные для объяснения мгновенного действия на расстоянии. Нелокальность (или делимость, то есть взаимодействие между элементами связанной пары, разделенной в пространстве, на световых скоростях) – это вовсе не призрак. Реальность не просто удивительнее, чем мы предполагали, – она удивительнее, чем мы могли предположить.
Если вы прочли предыдущие абзацы и вас ничто в них не удивило, перечитайте их еще раз. Если же вы их пропустили, читайте дальше, но приготовьтесь – вы будете шокированы. Тот факт, что один объект может влиять на другой на расстоянии без привычного обмена информацией, кажется довольно пугающим. Да что там, он вообще не сочетается со здравым смыслом. Он добавляет к нашей реальности дополнительное измерение, совершенно не соответствующее нашему повседневному восприятию времени и пространства. Более того, в нем вообще нет ни времени, ни пространства, ведь оно действует мгновенно (или, по крайней мере, со сверхзвуковой скоростью) на любом расстоянии – насколько мы можем судить на основании наших измерений.
Что это значит для нашего восприятия реальности? Может быть, это какое-то проявление микромира, крошечный квантовый эффект, который мы не замечаем за более масштабными событиями нашей жизни? Или же он имеет значение для нашего взаимодействия с физической реальностью и друг с другом? Люди часто говорят о синхроничности, то есть о сверхъестественной способности (или вере в способность) чувствовать что-то или кого-то мгновенно, как бы вне времени: «Я знал, что ты сегодня сюда придешь!» или «Недавно мы ехали в машине с кузиной, и стоило мне сказать, что я люблю кленовый сироп, как мы увидели дорожный знак с его рекламой!». Можно ли списать все эти случаи исключительно на совпадения? На заблуждения людей, которые хотят во всем видеть связи? Или же существует какая-то более масштабная запутанность, связь между вещами, которую чувствует наш мозг?
Прямо сейчас мы балансируем на тонкой грани между серьезной наукой и безумными домыслами. Наука прочно стоит на своем: квантовая нелокальность существует и в ближайшее время никуда не денется. Рассуждения о том, как она влияет на события макромира, не имеют под собой оснований (по крайней мере, на данный момент). После неравенства Белла и экспериментального подтверждения эффекта нелокальности между двумя связанными частицами лишь немногие физики осмелятся утверждать, что квантовая механика неверна. Большая часть ее пробелов была заполнена экспериментами. Но когда мы задаемся вопросом, насколько глубоко в реальность проникают странные квантовые эффекты, начинаются споры и разногласия. Еще десять лет назад от них легко было отмахнуться и заявить, что они действуют лишь в малых масштабах, далеких от реальной жизни, но последние эксперименты резко изменили эту удобную позицию.