В поисках кота Шредингера. Квантовая физика и реальность

Рис. 10.4. Два поляризатора под углом в 45 градусов пропускают половину волн, которые прошли через первый поляризатор!

Рис. 10.5. Три таких поляризатора пропускают одну четверть волн, прошедших через первый, – хотя, если убрать средний поляризатор, волны не будут проходить вообще.

Это сразу же дает новую вариацию уже известной ЭПР-темы. Вместо материальных частиц мы имеем дело с фотонами, однако основа эксперимента остается неизменной. Теперь мы представляем некоторый атомный процесс, который рождает два фотона, летящих в противоположных направлениях. Существует много реальных процессов, делающих это, и в таких процессах всегда существует корреляция между поляризацией двух фотонов. Они либо должны быть поляризованы одинаково, либо в некотором смысле противоположным образом. Для простоты представим в нашем мысленном эксперименте, что две поляризации должны быть одинаковы. Спустя достаточное количество времени, после того как два фотона покинули точку своего рождения, мы решаем измерить поляризацию одного из них. Мы вольны совершенно случайно выбрать, в каком направлении мы поставим фрагмент поляризующего материала, и, когда мы сделаем это, существует некоторая вероятность, что фотон пройдет через него. После этого мы узнаем, поляризован ли фотон «вверх» или «вниз» относительно этого выбранного направления в пространстве, и мы понимаем, что где-то далеко в пространстве другой фотон поляризован таким же образом. Но как другой фотон знает об этом? Как он может ориентироваться таким образом, чтобы пройти тот же тест, что проходит и первый фотон, и провалить тот же тест, что проваливает и первый? Измеряя поляризацию первого фотона, мы редуцируем волновую функцию не только одного фотона, но и другого, находящегося далеко, и делаем это одновременно.

Однако при всех своих особенностях это не более чем загадка, которую Эйнштейн с коллегами выдвинули в 1930-х годах. Один настоящий эксперимент гораздо ценнее, чем полвека рассуждений о значении мысленного эксперимента, и Белл предоставил экспериментаторам способ измерить эффекты этого таинственного действия на расстоянии.

Эксперимент Белла

Бернар д’Эспаньят из университета Париж-Юг является теоретиком, который, как и Дэвид Бом, посвятил много сил осмыслению последствий серии экспериментов ЭПР. В уже упомянутой статье в журнале Scientific American, а также в работе для сборника «Взгляд физиков на природу вещей» под редакцией Мехры он рассказал об основах подхода Белла к решению этой проблемы. Д’Эспаньят утверждает, что наш повседневный взгляд на реальность базируется на трех фундаментальных предположениях. Во-первых, о том, что реальные вещи существуют вне зависимости от того, наблюдаем мы за ними или нет. Во-вторых, о том, что можно делать общие выводы на основании постоянных наблюдений или экспериментов. И, в-третьих, о том, что никакое взаимодействие не может передаваться со скоростью большей, чем скорость света, – это он называет «локальностью». Все вместе эти фундаментальные предположения создают основу для «локального реалистического» взгляда на мир.

Эксперимент Белла начинается с локального реалистического взгляда на мир. Если говорить об эксперименте со спином протона, то хотя экспериментатор никак не может узнать все три компоненты спина для одной частицы, он может измерить любую из них. Если обозначить эти три компоненты X, Υ и Ζ, то экспериментатор обнаружит, что каждый раз, когда он получает для Х-спина одного протона значение +1, то для другого протона он получает значение Х-спина, равное -1 – и так далее. Однако он может измерять Х-спин одного фотона и Υ-спин (или Ζ-спин, но не сразу оба) его пары, и в таком случае должно быть возможно получить информацию и

об X-, и об Υ-спине каждого протона пары.

Рис. 10.6. Частицы с полуцелым спином могут ориентироваться только параллельно или антипараллельно магнитному полю. Частицы с целым спином могут также ориентироваться вдоль поля.