Джон Гриббин – В поисках кота Шредингера. Квантовая физика и реальность (страница 43)
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
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
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, Y и Z, 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 Y-спин (или Z-спин, но не сразу оба) его пары, и в таком случае должно быть возможно получить информацию
Даже в принципе это вовсе не легко и требует измерения спинов множества случайных пар фотонов, после чего необходимо отбросить те случаи, когда измеренным оказался один и тот же спин-вектор для обоих протонов в паре. Однако это может быть сделано, и это в принципе дает экспериментатору набор результатов, в которых пары спинов идентифицированы для пары фотонов - можно записать эти комбинации как ХУ, XZ и YZ. В 1964 году в своей ставшей классической статье Белл показал, что если провести такой эксперимент, то, согласно локальным реалистическим взглядам на мир, число пар, для которых X- и Y-компоненты оба имеют положительный спин (Х+ Y+), всегда должно быть меньше совокупного числа пар, для которых измерения XZ и YZ показывают положительное значение спина (X+Z++Y+Z+). Расчет получается прямо на основании очевидного факта, что если измерение показывает, что конкретный протон имеет спин, например Х+ и Y-, то общее состояние спина должно быть либо X+Y-Z+, либо X+Y-Z-. Остальное основывается на математически простом аргументе, вытекающем из теории множеств. Но в квантовой механике действуют иные математические законы, и, если правильно применить их, они приведут нас к противоположному предсказанию о том, что число пар
Так как расчеты, как было изначально заявлено, отталкивались от локального реалистического взгляда на мир, обычно говорится, что первое неравенство называется «неравенством Белла» и что если неравенство
Белла нарушено, то локальный реалистический взгляд на мир является ложным, но квантовая теория прошла еще одну проверку.
Доказательство
Этот эксперимент одинаково хорошо применим и для весьма трудного измерения спина материальных частиц, и для измерения поляризации фотонов, провести которое легче, но все же довольно трудно. Поскольку фотоны имеют нулевую массу покоя, движутся со скоростью света и не различают время, некоторые физики с трудом подходят к экспериментам с фотонами. Не вполне ясно, что именно подразумевается под локальностью в случае фотона. Поэтому, хотя большая часть проведенных к настоящему времени экспериментов по неравенству Белла включала в себя измерение поляризации фотонов, крайне важно, что единственный проведенный к настоящему времени эксперимент с измерением спина протонов дал результаты, нарушающие неравенство Белла и тем самым подтверждающие квантовый взгляд на мир.
Это была не первая проверка неравенства Белла, но о ней в 1976 году сообщила команда из Центра ядерных исследований в Сакле (Франция). Опыт очень близок к оригинальному мысленному эксперименту и включает в себя бомбардировку низкоэнергетическими протонами цели, содержащей большое количество атомов водорода. Когда протон ударяет ядро атома водорода, которое тоже является протоном, две частицы вступают во взаимодействие с участием синглетного состояния и компоненты их спина поддаются измерению. Провести это измерение чрезвычайно трудно. Только часть протонов регистрируется детекторами и, в отличие от идеального мира мысленного эксперимента, даже после проведения измерений не всегда есть возможность однозначно записать компоненты спина. Тем не менее результаты этого французского эксперимента явно демонстрируют ложность локальных реалистических взглядов на мир.
Первые эксперименты для проверки неравенства Белла были проведены в университете Калифорнии в Беркли с использованием фотонов. О них сообщили в 1972 году. К 1975 году состоялось уже шесть таких опытов, и результаты четырех из них нарушали неравенство
Белла. Какими бы ни были сомнения о значении локальности для фотонов, это еще одно веское свидетельство в пользу квантовой механики, особенно учитывая то, что в экспериментах использовались две фундаментально различные техники. В самой ранней версии эксперимента с фотонами фотоны производились атомами кальция или ртути, элементов, которые можно легко возбудить светом лазера до нужного энергетического состояния 61 . Обратный путь из этого возбужденного состояния на основной уровень предполагает два перехода электрона: сперва в другое, менее возбужденное состояние, а затем на основной уровень - ив процессе каждого из этих переходов вылетает фотон. В выбранных в этих экспериментах переходах получаются два фотона, поляризации которых коррелируют. Фотоны из каскада могут быть впоследствии проанализированы с использованием счетчиков фотонов, расположенных позади поляризационных фильтров.
В середине 1970-х годов экспериментаторы провели первые измерения с использованием вариации на тему. В этих экспериментах фотоны были гамма-лучами, полученными при аннигиляции электрона и позитрона. И снова поляризации двух фотонов должны быть согласованы, и снова сухой остаток таков, что при попытке измерить эти поляризации получается результат, нарушающий неравенство Белла.
Итак, из первых семи опытов для проверки неравенства Белла пять сообщали о верности квантовой механики. В статье для