Карло Ровелли – Гельголанд. Красивая и странная квантовая физика (страница 12)

Проблема в том, что ни одно из двух объяснений не годится. Первое предполагает слишком быстрый обмен информацией на очень большом расстоянии, а это противоречит всему, что мы знаем про устройство пространства-времени, которое не допускает слишком быстрого распространения сигналов. На самом деле можно доказать, что взаимно запутанные объекты нельзя использовать для передачи сигналов. Следовательно, эти корреляции не могут быть связаны с быстрой передачей сигналов.

Но и другая возможность – что фотоны, подобно перчаткам, еще до того, как разойтись, были уже или оба красными, или оба голубыми – тоже исключается по причинам, изложенным в великолепной статье ирландского физика Джона Белла, опубликованной им в 1964 году⁶³. Он показал с помощью элегантного, тонкого и очень техничного анализа, что если бы все коррелирующие свойства двух фотонов определялись до момента их разделения (а не случайным образом в момент наблюдения), то это влекло бы совершенно определенные последствия (сейчас их называют неравенствами Белла), которые явно противоречат результатам наблюдений. Следовательно, корреляции не являются предопределенными⁶⁴.

Кажется, что задача не имеет решения. Каким образом взаимно запутанные частицы принимают одинаковое решение, не договариваясь заранее и не обмениваясь информацией? Что их связывает?

Мой друг Ли рассказывал мне, что когда еще в юности изучал запутывание, то часами смотрел в потолок, лежа на кровати и думая о том, что каждый атом в его теле когда-то в далеком прошлом взаимодействовал со множеством атомов во Вселенной. Следовательно, каждый атом в его теле связан с миллиардами других атомов, рассеянных по Галактике… Он чувствовал себя смешанным с космосом.

Запутывание свидетельствует о том, что реальность так или иначе отличается от нашего о ней представления. У двух объектов совместно больше свойств, чем по отдельности. Точнее, бывают ситуации, когда даже при наличии всей необходимой информации для прогноза поведения одного и второго объектов я все же не могу предсказать нечто про оба объекта вместе. Ничего такого в классическом мире не может быть.

Если ψ₁ – шредингерская волновая функция одного объекта, а ψ₂ – волновая функция второго объекта, то наша интуиция говорит нам, что для предсказания всего, что можем наблюдать у двух объектов, достаточно знать ψ₁ и ψ₂. А на самом деле все не так. Шредингерская волновая функция двух объектов – это не набор из двух волновых функций. Это более сложная волновая функция, содержащая еще и другую информацию, а именно информацию о возможных квантовых корреляциях, не описываемых двумя функциями ψ₁ и ψ₂ по отдельности⁶⁵.

Короче, даже если в какой-то ситуации мы знаем все возможное об одном отдельном объекте, мы все равно не знаем о нем всего в случае его взаимодействия с другими объектами – у нас нет информации про его корреляции с другими объектами во Вселенной. Отношение между двумя объектами не содержится ни в одном из них, это нечто дополнительное⁶⁶.

Эта взаимосвязь между всеми составляющими Вселенной ставит в тупик.

Вернемся к нашей загадке: каким образом две запутанные частицы умудряются вести себя одинаковым образом, не договорившись заранее и не обмениваясь информацией, находясь вдали друг от друга?

Реляционный подход дает ответ на этот вопрос, но ответ этот говорит нам, насколько этот подход радикален.

Дело в том, что не следует забывать, что свойства существуют лишь по отношению к чему-то. Измерение цвета фотона в Пекине дает результат по отношению к Пекину, но не по отношению к Вене. Измерение цвета в Вене позволяет определить цвет по отношению к Вене, но не по отношению к Пекину. Ни один физический объект не видит оба цвета в момент совершения соответствующих измерений, и поэтому вопрос о том, одинаковы ли результаты двух измерений, не имеет смысла. Такой вопрос ничего не значит, потому что не соответствует ничему, что может быть подтверждено.

Один лишь Бог способен одновременно видеть происходящее в двух разных местах, но даже если Бог существует, он не скажет нам, что видит. То, что видит Бог, никак не связано с реальностью. Мы не можем предполагать существование того, что видит один лишь Бог. Мы не можем предполагать существование обоих цветов, за неимением того, по отношению к чему они вместе могут быть определены. Свойства существуют по отношению к чему-то, а сочетание двух цветов не существует по отношению к чему бы то ни было.

Разумеется, можно сравнить два измерения, сделанные в Пекине и в Вене, но для сравнения требуется обмен сигналами – две лаборатории могут обменяться письмами или позвонить друг другу по телефону. Но для передачи сообщения, также как и голоса, нужно время – ничто не распространяется мгновенно.

Результат пекинского измерения становится реальным также и по отношению к Вене, только когда он туда прибудет по почте или по телефону.

Но тут мы уже не имеем дела с таинственным удаленным сигналом – по отношению к Вене цвет пекинского фотона приходит только при получении в Вене сигналов с соответствующей информацией.

Что происходит по отношению к Вене в момент выполнения измерения в Пекине? Не забываем, что измерительные приборы, считывающие данные измерений ученые, тетради, в которых делаются соответствующие заметки, носители данных, на которые записываются результаты измерений, – все это тоже квантовые объекты. И до прихода информации в Вену их состояние по отношению к Вене остается неопределенным – по отношению к Вене это как суперпозиция спящего и бодрствующего котов. В нашем случае – в состоянии квантовой суперпозиции конфигурации, когда измеренный цвет оказался голубым, и конфигурации, в которой он оказался красным.

По отношению к Пекину все наоборот – венские лаборатории и отправленное из Вены сообщение находятся в состоянии квантовой суперпозиции до момента прихода результатов венских измерений в Пекин.

В обоих случаях корреляции становятся реальными только после обмена сигналами. Таким образом можно объяснить корреляции, не прибегая ни к волшебной передаче сигналов, ни к гипотезе о предопределенности результата.

Это решает проблему, но дорогой ценой: нет больше единой трактовки фактов, а есть одна трактовка по отношению к Пекину и другая – по отношению к Вене, и они не стыкуются друг с другом. Факты по отношению к одному наблюдателю не являются фактами по отношению к другому. Относительность реальности предстает здесь во всей своей красе.

Свойства объекта таковы только по отношению к другому объекту. Поэтому свойства пары объектов таковы только по отношению к какому-нибудь третьему объекту. Утверждение, что два объекта коррелированы, подразумевает некоторое высказывание по отношению к какому-нибудь третьему объекту – корреляция проявляется при взаимодействии обоих коррелирующих объектов с этим третьим объектом.

Кажущееся противоречие в связи с возможной коммуникацией на расстоянии между двумя запутанными объектами возникает потому, что мы упускаем из виду то обстоятельство, что корреляции могут стать реальными только при условии существования третьего объекта, взаимодействующего с обеими системами. Кажущееся противоречие происходит из того, что мы забываем, что любые проявления выражаются по отношению к чему-то. Корреляция между двумя объектами – это свойство двух объектов, и, как любое другое свойство, оно существует только по отношению к еще одному, третьему объекту.

Запутанность – это танец для троих, а не для двоих.

2. Танец для троих, который сплетает отношения мира

Представьте себе наблюдение некоторого свойства объекта. Цейлингер измеряет фотон и видит, что он красный. Термометр измеряет температуру пирога.

Измерение представляет собой взаимодействие объекта (фотона, пирога) с другим объектом (Цейлингером, термометром). По окончании взаимодействия один объект «получает информацию о другом объекте». Термометр получил информацию о температуре выпекаемого пирога.

Что значит, что термометр «получил информацию» о температуре пирога? Ничего сложного – это просто означает наличие корреляции между температурой и пирогом. После измерения – то есть если пирог холодный, то показание термометра «холодное» (ртутный столбик низкий); если же, наоборот, пирог горячий, то показание термометра «горячее» (ртутный столбик высокий). Температура и термометр стали как два фотона – то есть закоррелированными.

Этот пример проясняет происходящее при любом наблюдении. Но внимание! Если пирог находится в состоянии квантовой суперпозиции разных температур, то:

– по отношению к термометру пирог проявил в ходе взаимодействия одно из своих свойств (температуру);

– по отношению к любой третьей физической системе, не участвующей в этом взаимодействии, никакое свойство не было проявлено, но пирог и термометр теперь находятся в состоянии квантовой запутанности.

Именно это происходит и в случае шредингерского кота. По отношению к коту снотворное было либо открыто, либо нет. По отношению ко мне, пока еще не открывшему сейф, флакон со снотворным и кот находятся в состоянии запутанности – квантовой суперпозиции состояний «снотворное открыто/кот заснул» и «снотворное не открыто/кот бодрствует».

Так что запутанность – это не какое-то редкое явление, имеющее место в особых случаях; это то, что обычно происходит при взаимодействии, если оно рассматривается по отношению к не участвующим в нем физическим системам.