В поисках кота Шредингера. Квантовая физика и реальность

Рис. 9.26. Всю Вселенную можно представить в качестве эксперимента с отложенным выбором, в котором существование наблюдателей, замечающих, что происходит, склоняет материальную реальность к происхождению всего.

Вслед за Уилером мы погрузились в царство метафизики, и я предполагаю, что многие читатели сейчас думают: раз все это покоится на гипотетических мысленных экспериментах, можно играть по каким угодно правилам и придерживаться любой интерпретации. Чтобы обосновать наше суждение о лучшей интерпретации из ряда открытых нам метафизических вариантов, нам нужно конкретное свидетельство, полученное в реальных экспериментах. Именно такое конкретное свидетельство в начале 1980-х и получил в результате своего опыта Аспе, доказав тем самым, что квантовая странность не только реальна, но также наблюдаема и измерима.

Глава десятая

Где собака зарыта

Прямое экспериментальное доказательство парадоксальной реальности квантового мира основывается на современных версиях мысленного эксперимента ЭПР. Современные экспериментаторы измеряют не положение и импульс частиц, а их спин и поляризацию – свойство света, в чем-то аналогичное спину материальной частицы. Дэвид Бом из Биркбек-колледжа в Лондоне ввел идею об измерении спина в новую версию мысленного эксперимента ЭПР в 1952 году, но только в 1960-х были предприняты попытки провести опыты с целью проверить предсказания квантовой теории в такой ситуации. Концептуальный прорыв произошел в 1964 году, когда физик из ЦЕРНа (Европейского центра ядерных исследований неподалеку от Женевы) Джон Белл опубликовал свою работу[58]

. Однако чтобы постичь эксперименты, нам нужно сперва отойти в сторону от этой ключевой статьи и убедиться, что мы ясно понимаем, что такое «спин» и «поляризация».

Парадокс спина

К счастью, в этих экспериментах можно игнорировать многие особенности спина такой частицы, как электрон. Не имеет значения, что эта частица должна «обращаться вокруг своей оси» дважды, чтобы снова оказаться к нам той же стороной. Важным является то, что спин частицы определяет направление в пространстве, верх или низ, подобно тому как спин Земли определяет направление оси север – юг. Электрон может находиться лишь в двух возможных состояниях относительно постоянного магнитного поля: параллельно или антипараллельно ему, что соответствует «верху» и «низу» согласно произвольной договоренности. Пример Бома для ЭПР основывается на паре протонов, связанных друг с другом в конфигурацию, называемую синглетным состоянием. Суммарный угловой момент такой пары протонов всегда равен нулю, и мы можем представить молекулу, раскалывающуюся на такие частицы, которые летят в разные стороны. Каждый из тех двух протонов может обладать угловым моментом и спином, но их спин должен быть равным по величине и противоположным по направлению, чтобы сумма для пары оказывалась равной нулю, как в тот момент, когда они были вместе[59].

Это простое предсказание, на котором сходятся и квантовая теория, и классическая механика. Если известен спин одной из частиц пары, то известен также и спин второй, поскольку суммарный спин равен нулю. Но как измерить спин одной частицы? В классическом мире измерение легко. Поскольку мы рассматриваем частицы в трехмерном мире, нам нужно измерять три направления спина. Сложенные вместе, три компоненты (используя правила векторного сложения, которые я не буду описывать) дают общий спин. Однако в квантовом мире ситуация принципиально другая. Во-первых, измеряя одну компоненту спина, мы меняем другие компоненты, поскольку векторы спина являются комплементарными и не могут быть измерены одновременно, как и в случае с положением и импульсом частицы. Во-вторых, спин частицы вроде электрона или протона сам по себе квантуется. Если измерить спин в любом направлении, можно получить информацию только о направлении «вверх» или «вниз», иногда это записывают как +1 или -1. Измеряя спин в одном направлении, которое мы можем обозначить как ось 2, можно получить значение +1 (вероятность этого в эксперименте точно равна 50 %). Давайте теперь измерим спин в другом направлении, например по оси у. Какой бы ни получился ответ, давайте теперь вернемся назад и снова измерим спин в первом направлении – тот, который уже «известен». Повторите эксперимент много раз и посмотрите на получившиеся результаты. Выходит, что вне зависимости от того, измерили ли вы спин частицы в направлении % перед измерением в направлении/ и знали ли, что он был направлен «вверх», после у-измерения вы будете получать значение «вверх» для новых ^-измерений только в половине случаев. Измерение дополнительного вектора спина восстановило квантовую неопределенность состояния, которое уже было измерено[60].