Как квазары помогут проверить квантовую механику

Как квазары помогут проверить квантовую механику

Не секрет, что Альберт Эйнштейн сомневался в достижениях коллег, занимавшихся квантовой механикой. Принцип неопределённости Гейзенберга, уравнение Шрёдингера — это всё замечательно, считал он, но... здорово подрывает стабильность микромира.

Что конкретно его не устраивало — разговор очень длинный, поэтому сосредоточимся на самых острых моментах. Квантовая механика (КМ), как было ясно уже тогда, описывает микромир в терминах волновых функций и вероятностей. То есть, несколько упрощая, координата и скорость частицы могут быть известны до какой-то степени, и с некоей вероятностью частица (электрон, скажем) будет в одном месте, а с какой-то — в ином. Точные измерения и расчёт параметров их движения а-ля определение траекторий планет нереальны, и это, полагал Эйнштейн, не очень-то похоже на то, какой должна быть физика. Если попытаться свести его возражения в единое целое, то учёный считал, что необходимость использования принципа неопределённости и вероятностного подхода к выяснению скорости и координат частиц в КМ является не результатом реальной «плавающей» природы микромира, а итогом неполного понимания КМ-поклонниками этой самой реальной картины микромира: их представлениям о нём не хватает каких-то важных деталей, чего-то мы в микромире упорно не видим.

Нельзя сказать, что он был единственным сторонником подобных взглядов. Раздавались голоса: в самом деле, почему мы не можем точно одновременно узнать скорость и координаты частицы? Возьмём квантовый объект, опять-таки электрон. Чтобы измерить его параметры, надо устроить ему сеанс взаимодействия с другим квантовым объектом. Такое взаимодействие квантовых по природе объектов непременно закончится изменением состояния измеряемого (отсюда и ноги у принципа неопределённости). Но что если есть иной способ измерения, без условных электронов, с помощью неких инструментов, которые позволяли бы, во-первых, определить параметры электрона, а во-вторых, «не трогать» его?

В 1960-х появилась так называемая теорема Белла. Чтобы ответить на вопрос, существуют ли такие «чудесные» способы измерения «скрытого параметра», влияющего на любую физическую характеристику квантовой частицы, Джон Стюарт Белл предложил провести следующий эксперимент. Под внешним воздействием любой природы атом синхронно заставляют испускать две частицы (фотоны) в противоположных направлениях. Потом эти частицы «ловятся», и инструментально определяется направление их спина. Проделать это надо было очень много раз, иначе не накопить нужной статистики, и сделать это в конечном счёте удалось, попутно заложив основы квантовой криптографии, так как оба фотона в этом случае квантово запутаны. Тогда и выяснилось, что волновая функция распределения вероятностей действительно безошибочно описывает движение частиц от источника к детектору. То есть уравнения волновой квантовой механики не содержат скрытых переменных. Победа?

Не совсем. Теоретики изобретательны, и, по идее, волновые функции могут выполняться даже не будучи верными, если есть некий неявный способ взаимодействия детекторов с квантовой системой, который маскирует наличие классических связей между ними и заставляет нас видеть неклассическую физику там, где её нет. Опять же подтянулись вот такие объяснения: если допустить возможность путешествий во времени (в прошлое, со свободой действий) или то, что далёкое общее прошлое до возникновения запутанной пары заранее определяет как её поведение, так и все скрытые переменные, связанные с измерениями её параметров, то так называемая КМ всё же может быть по сути классической.

Так что эпидемия экспериментальных проверок теоремы Белла на самом разном экспериментальном материале далеко не закончилась — как и многочисленные проверки ОТО на разнообразнейших объектах.

И вот теперь исследователи во главе с Джейсоном Галличчио (Jason Gallicchio) из Чикагского университета (США) предложили использовать свет от квазаров на противоположных сторонах неба (в разных «концах» Вселенной), чтобы проверить теорему Белла при помощи, так сказать, особо большой лаборатории.

Что это даёт? Ну, смотрите сами: чёрные дыры в максимально удалённых друг от друга концах Вселенной, вызывающие свечение возле своих аккреционных дисков и выбрасывающие материю из своих окрестностей, так далеки, что информация от одной из них никакими классическими средствами не может дойти до другой за всё то время, что существует Вселенная. То есть без грубого мухлевания вроде путешествий во времени утверждать о наличии связи между такими источниками излучения не приходится. Использовав свет от далёких квазаров для настройки детекторов обычной лаборатории, можно гарантировать, что если какие-то скрытые взаимодействия между детекторами и частицами и бывают, то детекторы, сконфигурированные на основе наблюдений разных квазаров, дадут одни результаты, а сконфигурированные стандартными случайностными процедурами — другие.

Обычный тип лабораторного эксперимента по проверке теоремы Белла оперирует двумя фотонами с противоположной поляризацией. Экспериментатор не может узнать поляризационное состояние любого из них без выполнения измерения, а как только он выяснит поляризацию одного фотона, это немедленно повлияет на любые измерения состояний другого фотона, причём даже если между ними будет, например, 90 млрд световых лет. Даже если учёные рандомизируют конфигурацию обоих детекторов, чтобы гарантировать отсутствие между ними какой-либо связи, измерения обоих фотонов в разных концах Вселенной должны дать кореллирующийся результат.

Критики такого подхода объясняют нам, что всё это лишь кажется экспериментаторам. Сторонники локального реализма считают, что во вроде бы запутанном состоянии фотоны связаны посредством той самой «скрытой переменной», которая в разных районах пространства изначально неодинакова, однако за время эксперимента может быть передана посредством детекторов.

Использование двух квазаров посредством такой гипотетической «скрытой переменной» приравнивает время корреляции не к миллисекундам, как в лабораторных условиях, а к миллиардам лет. В идеале для этого нужно наблюдать пару квазаров, свет от которых шёл до Земли 12 млрд лет (и таких кандидатов много), разделённых на нашем небе 180°. Увы, для этого эксперимент надо проводить в космосе, поскольку на Земле одновременно наблюдать противоположные две точки неба таким образом не получится, но и 130°, по расчётам авторов, будет достаточно, чтобы решить все проблемы с независимостью конфигурации детекторов.

В этом случае частицы обоих далёких квазаров, по идее, никогда не взаимодействовали друг с другом со времён очень ранней Вселенной, и почти любая возможность сохранения в столь отдалённых местах пар запутанных частиц к данному моменту должна быть исчерпана. Тем самым скрытая переменная не сможет связать показания двух детекторов, поскольку в этих локациях она будет радикально разной, а временной разрыв — слишком большим.

При этом фотоны от одного квазара предлагается использовать для ориентации одного поляризационного фильтра, и так далее. Если скрытая переменная существует, тогда результаты двух фильтров будут разными — и это пойдёт вразрез с предсказаниями КМ, что укажет на её неполноту.

Ещё более выпуклым вариантом такого эксперимента может быть использование фотонов реликтового излучения с противоположных участков земного неба (идущих из мест, более отдалённых, чем любые квазары) — для такой же настройки поляризационных фильтров, хотя в этом случае некоторые проблемы может вызвать избыток шума, затрудняющего организацию эксперимента.

Увы, даже после его проведения проблемы с локальным реализмом полностью не исчезнут. Предположим, что результаты всех опытов по квантовому запутыванию были предопределены до Большого взрыва через локальные скрытые переменные. В этом случае каждый эксперимент даст одинаковые результаты вне зависимости от того, существует ли скрытая переменная или права квантовая механика, и мы никогда не узнаем, как же обстоят дела на самом деле. Но авторы не зря называют такой итог «супердетерминистским космическим заговором»: предположения такого рода, мягко говоря, сложно проверить, не говоря уже о тех допущениях, которые они требуют.

Тем не менее в случае реализации предложенного эксперимента вопрос о чайниках Рассела — принципиально непроверяемых и неопровергаемых теорий, которые нет смысла рассматривать в научной дискуссии, — отпадёт. Что, бесспорно, будет существенным КМ-достижением.

Отчёт об исследовании вскоре появится в журнале Physical Review Letters, а с его препринтом можно ознакомиться здесь.

Подготовлено по материалам Ars Technica. Изображение на заставке принадлежит Shutterstock.