Читать онлайн Тайны и парадоксы квантовой физики. Книга без формул бесплатно

Повторюсь еще раз – по моему мнению, именно странности первого рода являются первичными, поскольку именно они отражают парадоксальную и в то же время объективную физическую реальность микромира, зафиксированную в результате множества экспериментов. Все теории, которые будут пытаться объяснить результаты полученных экспериментов (например, квантовая механика), по отношению к ним всегда будут являться вторичными.

Давайте посмотрим на эти странности максимально внимательно.

1.1. Странность «первого» рода №1. Корпускулярно-волновой дуализм элементарных частиц

Эта странность микромира является одной из самых известных в своем роде, она очень хорошо демонстрируется с помощью так называемого двухщелевого эксперимента.

Проводят его следующим образом.

Экспериментаторы берут источник ускоренных электронов («электронную пушку»). Далее этот поток электронов должен встретить на своем пути экран с двумя щелями и, миновав их, попасть на детектор. После этого исследователи строят график распределения количества электронов, которые на него попали (рис. 1).

В обычном случае, если бы мы имели дело, например, не с электронами, а, допустим, с ядрами, которые вылетают из обычной пушки, распределение ядер, прошедших через первую и вторую щель и затем попавших на детектор, соответствовало бы итоговой кривой P₁₂. Очевидно, что бо́льшая часть ядер, пролетевших через первую щель, скопилась бы напротив первой щели, а пролетевших через вторую – напротив второй (см. кривую P₁₂ на рис. 1).

Рис. 1. Распределение ядер при стрельбе из обычной пушки

В случае же с электронами ученые наблюдали совершенно иную картину, похожую на ту, что бывает при прохождении через щели привычных нам… волн (см. рис. 2). Как будто вместо пулемета у нас появлялся быстро ныряющий поплавок! Результаты экспериментов, которые получат исследователи, решившие провести данный эксперимент, показаны на рис. 2 в виде кривой P’₁₂. Максимум электронов будет зарегистрирован в центре детектора (а не напротив щелей), и самих максимумов будет не два, как в предыдущем эксперименте, а больше, и т. д.

Рис. 2. Распределение электронов в двухщелевом эксперименте

Такой график распределения волн в физике действительно появляется только при их интерференции. Механика образования интерференции при наличии двух щелей показана на рис. 3:

Рис. 3. Интерференционная картина при прохождении волн

через две щели

Почему же электроны ведут себя в данном эксперименте так, как волны?

На начальном этапе экспериментаторы думали, что это обусловлено взаимодействием электронов между собой на пути движения от электронной пушки к детектору. В этом случае это было бы логичным – какие-то электроны (так же, как и волны) могли бы друг друга усиливать или ослаблять.

Для того чтобы это проверить, было решено испускать электроны не пучком, а поодиночке, друг за другом, чтобы на всем протяжении пути каждый отдельно взятый электрон не мог столкнуться с другими электронами. Если бы картина интерференции исчезла, эта странность микромира была бы объяснена самым простым и понятным нам образом.

Однако полученная в результате этих экспериментов картина не изменилась! Разумеется, при выполнении эксперимента каждый выпущенный электрон (который «летел» друг за другом с некоторым интервалом) сталкивался с детектором всего в одном месте, но постепенно на детекторе вырисовывалась та же самая интерференционная картина. Этот опыт ясно показывал, что даже единичный электрон вел себя не как единичный объект, а как волна, которая проходила через обе щели одновременно!

Это было крайне интересным. Казалось бы, интерференционная картина действительно показывала, что единичный электрон представляет из себя волну. Исходя из этого можно было предположить, что единичный электрон изначально двигался к двухщелевой пластине в виде одной волны и далее, коснувшись щелей, превращался в две волны (так же, как это делала бы волна воды). Однако, коснувшись экрана, он почему-то не «размазывался» по его поверхности (как это сделала бы обычная волна), а превращался в точку. Физики называют процесс превращения волны электрона в точку коллапсом волны электрона. При этом место такого коллапса (фиксации на экране) каждый раз было различным – время от времени, исходя из интерференционной картины, единичный электрон мог быть зафиксирован, например, на самых дальних точках детектора (точках E и D). Данные точки находятся однозначно дальше от источника волн, чем, например, точки B или C. И тем не менее электрон «выбирал» именно их. Значит, в тот момент, когда электрон фиксировался в точке D, его волна точно не являлась обычной, «плоской» волной (если он все-таки волна), а предпочитала более длинный (и энергетически неэкономичный) путь! Ведь если бы, еще раз, она двигалась как обычная, «стандартная» волна, которая идет «единым фронтом» (допустим, как волна звука или воды, которые нам легко представить), то она неизбежно достигала бы на своем пути сначала ближние точки B и С, т. е. фиксировалась бы именно там! Однако в нашем случае это происходит не так – волна электрона могла «обойти» все ближние точки и зафиксироваться на одной из дальних точек (D, E и т. д.). Отсюда следует, что такая «волна электрона», если она существует, должна была выглядеть как-то иначе, чем обычные волны, к которым мы привыкли в нашей жизни, но как?.. Как может выглядеть «волна», которая, с одной стороны, показывает очень точную интерференцию, а с другой стороны – фиксируется в виде одной-единственной точки, расположенной на различных расстояниях от места своего «входа» при полном отсутствии любых иных видимых следов своей эволюции?

Проблему могла, вероятно, снять мыслительная конструкция, при которой электрон двигался все-таки как частица, но по траектории, определяемой какой-то «хитрой» и пока «невидимой для нас» пространственной волной или полем. Но какой волной или полем? Что они тогда из себя представляют? Из чего состоят? Кто их генерирует? Как они управляют электроном? Куда и как они потом деваются?.. Или в этом случае мы сталкиваемся с какой-то новой «конструкцией» пространственного расположения электронов?..

В любом случае данный эксперимент поставил перед учеными массу вопросов, большинство из которых, увы, оказались не решенными до сих пор!

Но на этом сюрпризы двухщелевого эксперимента не закончились, наоборот, самое интересное открытие было впереди. Конечно же, ученые решили «обхитрить» электрон и, для того чтобы все-таки выяснить, через какую щель он пролетел, установили за пластиной, рядом с одной из щелей, специальный датчик. Если бы этот датчик сработал, это означало бы, что электрон «пролетел» именно через эту щель. Если бы не сработал – это означало бы, что электрон «пролетел» через другую щель.

Разумеется, ученые ставили и два датчика – напротив каждой из щелей – срабатывание обоих датчиков подтвердило бы, что фотон двигается как волна, идущая через обе щели сразу.

Необходимо сказать, что подобные эксперименты были выполнены огромное количество раз, с любыми конструктивными вариантами датчиков. Что же получалось? Любая попытка определить, ⠀через какую из щелей прошел данный электрон (т. е. любая попытка помещения любого работающего детектора в пространство движения электронов), безнадежно нарушала когерентность вторичных электронных волн, в результате чего интерференционная картина… просто исчезала.

После установки любого датчика электроны начинали вести себя как отдельно взятые корпускулярные объекты! После установки такой датчик всегда регистрировал пролет электронов только у одной из щелей – либо у первой, либо у второй. При этом интерференционная картина исчезала, т. е. электроны начинали фиксироваться на экране в соответствии с графиком, приведенным на рис. 1 (график регистрации «пуль»).

Если вернуться к предположению о том, что наш электрон, «пролетев» щели, превращался в две обычные волны, то получается, что, встретив помеху в виде одного из датчиков, одна из электронных волн должна была мгновенно превратиться в точечную частицу, а вторая волна должна была так же мгновенно исчезнуть.

Все это настолько важно, что я предложу вам посмотреть на двухщелевой эксперимент еще раз.

Представьте себе, что наш электрон «вылетел» из источника и двигается в направлении щелей.

Если мы при этом не поставим датчик в цепь эксперимента, то электрон, как мы отмечали ранее, пролетит через обе щели одновременно «как волна». Подтверждением данного вывода будет выступать точка, зафиксированная на экране нашего экранного детектора, которая при повторных экспериментах идеально впишется в математически выверенную интерференционную картину детектирования всех без исключения зафиксированных электронов.

С самой большой вероятностью электрон попадет в середину экрана (находящуюся не на самом коротком расстоянии от любой из щелей), туда, где находится пик самой высокой интерференционной волны на кривой P₁₂ штрих на рис. 2 (см. также точку А на рис. 3).

Если же мы в данном эксперименте поставим датчик, то он мгновенно разрушит интерференционную картину, т. е. путь электрона станет похож на частицу-ядро (см. график на рис. 1). Если поставить датчик у правой щели и он сработает, то тогда говорят, что электрон «пролетел в правую щель». Если поставить датчик у правой щели и он не сработает, то говорят, что электрон «пролетел в левую щель». При этом электрон будет практически гарантированно детектирован напротив той щели, через которую он «пролетит» (см. еще раз график на рис. 1).

Из данного результата следует несколько логических выводов, первый из которых звучит так: электрон всегда «узнаёт» о том, установлен ли датчик в цепи данного эксперимента.

В самом деле, представим, что электрон будет зарегистрирован напротив щели, рядом с которой нет датчика (т. е. он «пролетел далеко» от датчика). Однако в этом случае, как мы уже говорили, электрон также со 100% вероятностью будет зарегистрирован как частица, т. е. он все равно каким-то образом «узнает» о датчике, стоящем у другой щели, – и мы это увидим экспериментально!

Давайте спросим себя: как же электрон может это сделать? Как он может «узнать» о датчике, который стоит у щели, через которую он вроде бы «не летел»?

Это может логически произойти только в одном случае: какое-то поле (давайте назовем его «информационным полем» электрона) должно охватить пространство у обеих щелей.

Это должно выполняться обязательно!

Может ли это сделать одиночное «тело-точка», которое в итоге мы видим на датчике при любом исходе эксперимента? Очевидно, нет.

Значит, в этом месте у нас появляется 4 варианта.

1. Либо электрон в момент выхода из щелей представляет из себя две волны, из которых одна после встречи датчика превращается в «точку» (поэтому в итоге мы и получаем график распределения «частиц»). Вторая же волна тогда, например, в этом случае может просто «бесследно» исчезнуть.

Ну а мы просто не можем ее пока отследить. Волна получается не только «умной» (определяет все типы датчиков), но и «не отслеживаемой».

⠀

2. Либо электрон (который здесь может представлять из себя частицу) «ведет» какая-то одна, такая же вездесущая, таинственная и невидимая нам «волна» (или «поле», или еще какая-то «новая сущность»). Тогда она может «вести» частицу-электрон, подчиняясь следующей логике:

• «вижу» датчик (траекторию электрона можно измерить) – веду его по траектории частицы, т. е. предъявляю электрон в одном месте экрана;

Или просто «исчезаю», оставляя электрон сам по себе.

• «не вижу датчик» (траекторию электрона нельзя измерить) – веду его по «волновой траектории», т. е. предъявляю электрон в другом месте экрана.

3. В развитие предыдущего пункта можно себе представить вариант, при котором электрон вообще никуда не «летит», а сразу после своего появления помещается в другое пространство и время или в нечто, находящееся вне пространства и времени. Далее при наступлении регистрации он извлекается из этого «нечто», помещаясь в ту или иную точку нашего пространства-времени – в зависимости от наличия или отсутствия датчиков, которые могут измерить его траекторию. В этом случае данные действия, вероятно, должна делать некоторая, еще более таинственная и могущественная сила, о которой мы также пока ничего не знаем.

4. Логически возможен и четвертый, экзотический вариант, при котором электрон знает заранее, будет ли стоять датчик или нет. И тогда, в зависимости от этого знания, он будет сразу «вылетать из прибора» в виде частицы или волны. Данный вариант называют «супердетерминизмом», мы его обязательно рассмотрим, но чуть позже.

Прочтите высказанные предположения еще раз и согласитесь – вероятно, пока мы не знаем, как на самом деле «летит» электрон в двухщелевом эксперименте с установленным датчиком или без него – через одну щель или через две. И летит ли вообще (!).

Все, что написано выше, можно назвать не только странным, но и очень странным. Но иных логических объяснений происходящему, к сожалению, похоже, нет. Если вы студент и спросите у своего преподавателя, что происходит в двухщелевом эксперименте, то он вам с высокой степенью вероятности ответит так: при встрече с датчиком произойдет «размыкание» квантовой системы электрона, в результате чего его квантовые свойства будут утеряны.

И вам сразу все станет понятно, не правда ли?

В общем, поведение электрона в этом эксперименте по-прежнему является загадкой, а значит, продолжает будоражить умы ученых уже много десятков лет. Прикрываясь красивыми и, несомненно, производящими впечатление фразами типа «размыкание квантовой системы электрона», фактического ответа на вопрос, что же происходит с электроном в двухщелевом эксперименте, наука не нашла до сих пор.

Мы еще раз рассмотрим корпускулярно-волновую природу элементарных частиц чуть позже, когда будем рассматривать эксперимент про квантовый ластик.

Пока же я предлагаю зафиксировать следующий факт: иногда электрон ведет себя как волна, а иногда – как частица. Как выглядит механизм такой трансформации, как это происходит на самом деле – пока непонятно, поведение электрона в этом смысле по-прежнему остается огромнейшей физической загадкой.

С учетом того, что электроны входят в состав любых атомов, из которых, в свою очередь, состоит материя (в т. ч. живые клетки), отсутствие понимания поведения электронов в данном эксперименте является наглядным примером того, как плохо мы сегодня понимаем суть устройства вещества.

В итоге данное явление мы можем смело назвать странностью микромира «первого» рода, странностью, показанной в результате целого ряда проведенных экспериментов.

⠀

1.2. Странность «первого» рода №2. Запутанность элементарных частиц

Без сомнения, эта странность микромира является одной из самых интересных загадок природы, открытых человеком за последние десятилетия.

Давайте вначале проясним для себя вопрос, какие частицы называются запутанными: это элементарные частицы, имевшие в своей истории некоторое общее взаимодействие друг с другом, в результате которого их поведение стало взаимозависимым.

Фактически необходимо, чтобы было определено (например, благодаря их общему происхождению) какое-то общее свойство всех этих частиц. Физики готовят запутанные частицы специальным образом, но делают это уже вполне уверенно.

Для того чтобы описать странности, с которыми мы сталкиваемся, столкнувшись с запутанностью, дадим слово профессору физики и математики Корнельского университета, известному популяризатору науки, Брайану Грину:

«Пары должным образом подготовленных частиц – они называются запутанными частицами – выбирают свои характеристики НЕ независимо друг от друга. Они уподобляются паре магических игральных костей, одна из которых бросается в Атлантик-Сити, а другая – в Лас-Вегасе; на каждой из игральных костей случайным образом выпадает то или иное число, но эти числа каким-то непостижимым образом оказываются равными. Запутанные частицы действуют аналогично, за исключением того, что им не нужна магия. Запутанные частицы, даже когда они пространственно разделены, не действуют автономно…»1

Иными словами, если вы возьмете два запутанных фотона и сделаете что-то с первым (например, измерите его), то второй фотон это мгновенно «почувствует». Мгновенно в данном случае означает именно мгновенно – скорость их взаимодействия будет бесконечной! Фактически это выглядит так, что частицы, разделенные пространством, являются единым целым. Б. Грин пишет об этом так: «Хотя два фотона пространственно разделены, но между ними существует фундаментальная связь в силу их общего происхождения. Хотя фотоны удалились друг от друга и стали пространственно разделенными, но их связывает общая история; даже на удалении друг от друга они составляют часть одной физической системы. Поэтому на самом деле это не акт измерения одного фотона вынуждает или заставляет другой удаленный фотон принимать идентичные характеристики. Скорее, фотоны столь тесно связаны, что можно и нужно считать их – хотя они пространственно разделены – частями одной физической сущности. Так что можно сказать, что акт измерения единой сущности – сущности из двух фотонов – воздействует на эту сущность, т. е. затрагивает оба фотона одновременно»2.

На какое расстояние могут быть разделены запутанные фотоны? Существующие эксперименты сейчас показывают наличие четкой связи на расстоянии более ста километров3. Однако ученые уверены, что эта связь будет работать и на расстоянии в сотни световых лет.

В последующих параграфах, когда мы будем рассматривать эксперимент с квантовым ластиком, я покажу явление запутанности наглядно. Пока же, говоря о запутанности, необходимо подчеркнуть, что она ломает самые фундаментальные представления человека об окружающей реальности. Мы привыкли думать, что одно из основных свойств пространства состоит в том, что оно разделяет и разграничивает объекты. Однако получается, что это не так. Как уже было сказано, микрообъекты могут быть разделены гигантским расстоянием и все же не иметь полностью независимого существования.

Продолжаем цитировать Б. Грина: «Квантовая связь может объединять их, делая характеристики одного из них обусловленными характеристиками другого. Пространство не разделяет такие запутанные объекты. Пространство не помогает преодолеть эту взаимную связь. Пространство, даже гигантский объем пространства, не может ослабить их квантово-механическую взаимную зависимость»4.

Как, благодаря чему осуществляется эта непостижимая связь между частицами, которая реализует рассмотренную нами запутанность? Как запутанные частицы вначале устанавливают и далее поддерживают друг с другом связь? Какова физика и принципы действия поля (?) или среды (?), самой материи (?), чего-то, что стоит «над материей» (?) которое в этом принимает (?) участие?

Согласитесь, когда рассуждаешь о второй странности микромира, в голову опять приходят мысли о существовании некоторого «нечто», некого «куратора» запутанных электронов и фотонов, благодаря которому они не только мгновенно информируются о воздействии, произведенном на любые другие, запутанные с ними частицы, но и так же быстро меняют свои физические свойства.

Пока на все эти вопросы ответа нет, данная странность микромира так же продолжает будоражить умы ученых всего мира. Ну а нам надо идти дальше – как уже было сказано, запутанность частиц приводит к ощущению того, что частицы обмениваются информацией с мгновенной скоростью. Как это может происходить? Рассмотрим это в следующем параграфе.

1.3. Странность «первого» рода №3. Нелокальность

Наша интуиция, которая опирается на наш опыт, говорит о следующем: если нам надо переместить булыжник – мы должны его коснуться. Нам надо или взять палку, которой его можно сдвинуть, или дать команду, которая посредством звуковых волн достигнет уха человека с палкой, способного толкнуть этот булыжник, или выполнить еще какое-нибудь действие подобного рода. Сформулируем обобщенно: интуиция нам подсказывает, что одни предметы могут непосредственно воздействовать на другие, только находясь рядом с ними. Если предмет А воздействует на предмет В, не находясь рядом с ним, то воздействие должно быть непрямым – через цепь посредников, каждый из которых влияет на последующий непосредственно, так что в итоге расстояние между А и В должно быть непрерывно перекрыто.

Может показаться, что мы постоянно сталкиваемся с исключениями из этого правила. Например, щелкнув переключателем, можно включить в комнате лампочку или же посмотреть по телевизору в прямой трансляции чемпионат мира по футболу, проходящий на другом континенте. Конечно же, все эти примеры при более внимательном рассмотрении будут только подтверждением явления локальности.

Так, в случае включения лампочки воздействие на нее будет передано по проводам, а в случае футбольного чемпионата сигнал будет передан радиоволнами, распространяющимися в пространстве. Т. е. в итоге все эти примеры оказываются вовсе не исключениями, а подтверждениями правила, которому нас учит весь повседневный опыт нашей жизни.

Таким образом, локальностью мы назовем интуитивное представление природы взаимодействия, при котором оно будет передаваться с помощью какого-то посредника.

А теперь давайте вновь вернемся в таинственный мир элементарных частиц.

Только что, рассмотрев явление запутанности, мы зафиксировали, что фотоны, разделенные огромным, наблюдаемым нами пространством, ведут себя так, будто бы они представляют из себя одно целое. Так вот, физическое явление, в результате которого две частицы, разделенные пространством, могут мгновенно влиять друг на друга, и называют нелокальностью.

Обратите еще раз внимание: в предыдущем параграфе мы говорили, что запутанные фотоны ведут себя так, как будто бы они представляют собой единое целое. Если это действительно так и реальность содержит какую-то особую среду, таинственное поле или «нечто», т. е. «куратора», который соединяет эти фотоны, то нелокальность, в ее нынешнем понимании когда-нибудь, из нашего лексикона исчезнет. В этом случае «дальнодействие», т. е. «таинственную» и мгновенную передачу управляющего сигнала на расстоянии сменит мгновенная передача сигнала или даже материи по не менее таинственным (внепространственным? вневременным?) каналам связи (возможно, «опутывающим» всю материю мира?), которые сделают из этих двух фотонов фактически один большой «спаренный» фотон. Последняя картина будет означать «близкодействие», осуществляемое с помощью каких-то пока «невероятных» для нас передаточных звеньев – но тем не менее это будет привычный способ передачи информации по каналам, хотя и с мгновенной скоростью.

Пока же мы видим, как два фотона, разлетевшиеся на десятки километров, не имея между собой никакого видимого нам посредника, мгновенно5 передают друг другу информацию о полученном ими внешнем воздействии. Это означает, что мир пока остается для нас (и, к сожалению, для привычного здравого смысла тоже) – нелокальным.

В завершение данного параграфа я просто обязан написать о том, что нелокальность, как и сопровождающая ее запутанность, являются настолько революционными характеристиками микромира, что не могли не вызвать (и продолжают вызывать!) сопротивление множества научных оппонентов. Они пытаются объяснить полученные результаты экспериментов, которые говорят нам о нелокальности/запутанности какими-то иными, привычными нам способами.

Данная дискуссия носила и продолжает носить в квантовой физике принципиальный характер, поэтому я обязательно расскажу о ней более подробно чуть позже. Мы обязательно вернемся к данному вопросу, когда будем говорить об эксперименте Эйнштейна – Подольского – Розена и проверке неравенства Белла. Пока же давайте сохраним системность изложения и просто упомянем нелокальность. Прошу вас принять ее пока на веру, пусть в данном случае эту веру поддержит то, что нелокальности и запутанности посвящены тысячи статей в рецензируемых физических журналах6, а в 2022 году за работы, посвященные квантовой запутанности и связанной с ней нелокальности, была вручена Нобелевская премия по физике.

Наберитесь немного терпения – оно того стоит!

1.4. Странность «первого» рода №4. Отложенный выбор и квантовый ластик

Следующими парадоксами микромира, о которых мне хотелось бы вам кратко рассказать, является ситуация с отложенным выбором (ярко показанная в опыте известного американского физика Дж. Уиллера7), а также квантовый эффект, который принято называть «квантовым ластиком». В этих экспериментах проявляются целых три квантовых эффекта. С одной стороны, в них, как и в двухщелевом эксперименте, ярко проявляется корпускулярно-волновой дуализм элементарных частиц, с другой – в них показывается запутанность и нелокальность, ну и, наконец, с третьей – в них наиболее ярким образом проявляется переход частицы из одной формы в другую, которую можно объяснить наличием у экспериментатора (или в более широком смысле – во Вселенной) информации о его траектории.

Говоря о последнем эффекте, необходимо еще раз сказать о том, что традиционная физическая логика говорит о том, что для изменения своих свойств всякое физическое тело должно испытать какое-то материальное взаимодействие. Например, для того чтобы макротело разрушилось, необходимо, чтобы на него воздействовала какая-то сила, и т. д. Однако в микромире данный постулат работать перестает. Частица может идти по одному и тому же маршруту, встречать одни и те же материальные тела и… в одном случае проявлять одни свойства, а другом – другие. Исследуя данный феномен, ряд ученых как раз и обратили внимание на то, что проявление частицей тех или иных свойств можно связать с фактом наличия во Вселенной информации о ее траектории.

Ну а теперь давайте посмотрим на все названные эффекты на практике. Для этого возьмем устройство, которое называется интерферометр Маха – Цендера. Интерферометр представляет собой прибор, содержащий один или два светоделителя.

Рис. 4. Схема простейшего эксперимента

с интерферометром Маха – Цендера

Рассмотрим вначале самую простую схему эксперимента (см. рис. 4), в котором мы пока оставим всего один светоделитель СД (полупрозрачное зеркало). Отправим на него луч света. СД сделан так, что пропускает первую половину падающего на него излучения и отражает вторую. После этого каждый луч света отражается боковыми зеркалами (1) и (2), проходит систему фазовых задержек Ф1 или Ф2 и попадает на датчики (Д1 и Д2).

Когда единичный фотон поступает на вход СД, у него с точки зрения привычного для нас физического мира появляются всего три возможности:

1. Отразиться от светоделителя, т. е. пойти путем A и попасть на датчик Д1;

2. Пройти светоделитель насквозь, т. е. пойти путем В и попасть на датчик Д2;

3. Проявив свою волновую природу, расщепиться на светоделителе на две волны и идти к этим же датчикам сразу по двум путям. В этом случае при правильном подборе фаз мы получим на датчиках ярко выраженную интерференционную картину.

Что же показали проведенные опыты?8

Каждый раз ученые фиксировали следующий результат: у них всегда срабатывал только один из датчиков, что, казалось бы, неоспоримо свидетельствовало о том, что фотон шел только по одному из возможных путей, следовательно, проявлял свою корпускулярную природу. Никакой интерференционной картины зафиксировано не было.

Однако как только исследователь добавлял в схему эксперимента второй светоделитель СД2 (рис. 5), который, заметим, стирал информацию о том, по какому пути прошел фотон, интерференция сразу же появлялась. За счет чего достигалось стирание? За счет того, что и «верхний», и «нижний» фотон могли пройти сквозь СД2 прямо, а могли – отразиться от него. Поскольку вероятность обоих событий равнялась 50%, понять, какой фотон зарегистрирует любой из датчиков – Д1 или Д2, оказывалось невозможным. Принцип «запутывания» траектории фотона, при котором наблюдатель теряет возможность понять, по какому пути он пришел, и используют в экспериментах, которые называют «квантовым ластиком».

Чрезвычайно интересно, что при этом оказывалось неважным, когда в схему эксперимента вводилось второе полупрозрачное зеркало СД2. Это могло произойти даже после того, как фотон прошел СД1 и отразился от зеркал 1 и 2, т. е. когда он практически вплотную подошел к «области Х» (см. рис. 5).

Рис. 5. Схема эксперимента с интерферометром Маха – Цендера с двумя светоделителями

Известнейший физик (лауреат премий Эйнштейна, Энрико Ферми, обладатель медали Нильса Бора и т. д.) Дж. Уиллер писал об этом так: «В этом смысле мы имеем странную инверсию нормальной временной последовательности. Теперь, вводя или выводя зеркало (СД2 – прим. авт.), мы получаем неустранимый эффект, в соответствии с которым мы имеем право сказать об уже прошлой истории этого фотона». И: «Таким образом можно решать, пройдет ли фотон по одному или по обоим путям после того, как он уже прошел» (Wheeler, 1984).

Если рассуждать исходя из привычной нам физической картины мира, то поведение фотона в этом эксперименте действительно кажется поразительным.

В привычной (макроскопической) для нас картине мира фотон должен выйти из пластины СД1 и пойти по путям А и В, уже являясь волной или частицей. И тогда мы сразу приходим к фантастическому парадоксу: получается, что фотон должен точно знать заранее, что сделает экспериментатор. В самом деле, если пути А и В будут достаточно длинными (т. е. схема эксперимента позволит это сделать), то исследователь может часами сидеть и думать, что ему сделать – оставить или изъять пластину СД2 из цепи эксперимента. Однако обмануть фотон даже при данных обстоятельствах, которые, казалось бы, должны ясно выразить всю силу свободы воли, имеющуюся у экспериментатора, у него не получится. Если фотон войдет в эксперимент как частица, то экспериментатор в этом случае должен точно не захотеть вставить в цепь эксперимента пластину СД2. И наоборот, если фотон зайдет в эксперимент как волна, то экспериментатор должен обязательно захотеть вставить в цепь эксперимента пластину СД2 (и сделать это!). Мы также понимаем, что можем заменить экспериментатора механическим устройством, работающим по невычислимому алгоритму, основанному, например, на генераторе случайных чисел, которое уберет все предположения на тему особой связи фотона и сознания человека. В итоге предложенный нами парадокс теперь может прозвучать так: вне зависимости от того, что произойдет с траекторией фотона в будущем, кто будет «управлять» эти будущим (машина или человек), он в любом случае будет «знать», что произойдет с ним в этом будущем или даже, если усилить данный тезис, «управлять своим будущим».

Очевидно, что подобные предположения являются настолько невероятными, что их хочется сразу отбросить.

Или глубоко задуматься и пойти попить чайку.

И все-таки кажется, что это должно работать как-то не так. Но как?

Давайте пока сохраним напряжение и усложним эксперимент.

Напомню, мы разбираем квантовый эффект, который называется «квантовый ластик».

Итак, установим на каждом возможном пути фотона даунковертор (ДК) – прибор, который при попадании в него одного «нормального» фотона делит его на два фотона с половинной энергией (см. рис. 6).

Рис. 6. Схема эксперимента с интерферометром Маха – Цендера с двумя светоделителями и двумя даунконверторами

При этом один из двух «новых» фотонов (так называемый «сигнальный» фотон) будет идти по старому маршруту, а второй («холостой» фотон) – будет отправляться на детекторы (Д3) и (Д4). Как вы уже, наверное, понимаете, при повторении предыдущего опыта интерференционная картина прогнозируемо (и обязательно) исчезнет – ведь теперь при движении по своей траектории фотон неизбежно попадет на Д3 или Д4, которые точно скажут, какой он выбрал путь.

Пока удивительные свойства квантовой частицы, о которых мы уже знаем, не поменялись. Запомним это и сделаем еще один, заключительный шаг. Усложним наш эксперимент в последний раз, добавив в него еще три светоделителя и два датчика.

Рис. 7. Схема усложненного эксперимента

с интерферометром Маха – Цендера

Что произойдет после этого?

Не пугайтесь, возьмите в руки карандаш и внимательно рассмотрите путь фотона в новой схеме (см. рис. 7).

Если вы читаете электронный вариант книги – лучше этот рисунок сейчас распечатать.

Так же, как и в предыдущий раз, фотон пройдет через даунковертор ДК1 и/или ДК2 и разделится на фотоны с половинной энергией. Так же, как и в предыдущий раз, основные (или сигнальные) фотоны пойдут от ДК1/ДК2 к пластине СД2, а «холостые» фотоны пойдут к СД3 и СД4.

Однако далее перед «холостыми» фотонами возникнут две альтернативы. Давайте для простоты рассмотрим возможный путь «холостого» фотона, который идет по верхнему пути А.

1. С вероятностью 50% пройти через светоделитель СД3 и попасть в детектор Д3.

2. С такой же вероятностью 50% отразиться от светоделителя СД3 и далее попасть на светоделитель СД5. После этого у него также возникнет две альтернативы:

А) с вероятностью 50% попасть в детектор Д6 (пройти СД5 «насквозь»);

В) с вероятностью 50% попасть в детектор Д5 («преломиться» в СД5).

Если верхний «холостой» фотон выберет альтернативу 1, т. е. попадет в Д3, то мы точно узнаем, что первоначальный, неразделенный фотон прошел по траектории А.

Если верхний «холостой» фотон выберет альтернативу 2, т. е. сработает Д5 или Д6 (все равно, какой из них), то мы уже никогда не узнаем, по какому пути прошел первоначальный, неразделенный фотон.

Ну а теперь мы вплотную подобрались к самому волнующему моменту.

Если мы выделим на датчиках Д1 и Д2 регистрации «сигнальных» фотонов, которые появились при срабатывании на Д3 или Д4 их половинок – «холостых» фотонов, то, разумеется, мы обнаружим, что никакой интерференционной картины нет. Зафиксировав путь фотона, мы «лишили» его всякой возможности быть волной.

Однако если мы выделим на Д1 и Д2 подмножество точек, которые получались при срабатывании только датчиков Д5 или Д6, то мы увидим, что они образуют интерференционную картину!

Из этого следуют несколько выводов – для того чтобы осмыслить их, давайте проследим путь фотонов в различных модификациях эксперимента еще раз.

Начнем с сигнального фотона в первом, самом простом эксперименте.

Сформулируем вопрос: что является причиной изменения свойств сигнального фотона в данном эксперименте?

В первой модификации эксперимента фотон, выйдя из источника (как нам это представляется) частицей, достигал некоторого материального тела «полупрозрачного зеркала СД1». Достигнув зеркала, он или отражался от него, или проходил насквозь, или одновременно шел по обоим путям. Таким образом, мы можем легко посчитать причиной изменения траектории фотона материальное тело (зеркало), которое он встречал на своем пути. Т. е. здесь все пока выглядит логично.

Во второй модификации первого эксперимента фотон встречал на своем пути еще одно материальное тело – второе зеркало СД2, которое так или иначе (пусть мы даже не знаем как, это сейчас неважно), но также могло теоретически изменить характер движения фотона, превратив его теперь в «волну».

Причиной изменения природы фотона могло теоретически выступить материальное тело – зеркало СД2.

Во втором эксперименте, с появлением даунконверторов, сигнальный фотон, достигнув того же самого зеркала СД2, переставал менять свою природу, однако до этого на своем пути он встречал эти самые даунковерторы ДК2 и/или ДК3, приобретая половинную энергию исходного фотона. Таким образом, возможность изменить свои свойства из-за встречи с «некоторым материальным телом» у сигнального фотона сохранились все равно.

Причиной изменения природы фотона во втором эксперименте также могли теоретически выступить материальные тела – даунконверторы ДК1/ДК2.

Однако в третьей модификации эксперимента сигнальный фотон становился «волной или частицей», двигаясь по одному и тому же пути, встречая перед собой одни и те же физические элементы!

Возьмите карандаш и опять посмотрите на схему – например, сигнальный фотон, выйдя из ДК1 и далее отразившись от СД2, мог зарегистрироваться на датчике Д1, продемонстрировав нам свою волновую природу. Это он делал в случае, если пространственно разделенный с ними холостой фотон, отразившись от СД3, далее регистрировался на датчиках Д5/Д6.

Но он мог пройти точно такой же путь, так же выйти из ДК1 и далее, отразившись от СД2, зарегистрироваться на датчике Д1, продемонстрировав нам, что он – частица! Для этого надо было, чтобы пространственно разделенный с ними холостой фотон, «пройдя насквозь» СД3, зарегистрировался на датчике Д4.

Таким образом, мы видим, что в данном эксперименте состояние сигнального фотона:

А. Перестает зависеть от его траектории (перестает зависеть от любых материальных тел, которые он мог бы встретить на этой траектории), что само по себе уже является прекрасным!

Б. Начинает зависеть от траектории запутанного с ним холостого фотона;

Следствия А и Б наглядно демонстрирует нам явление квантовой запутанности и связанной с ней нелокальности.

В. Ну и, наконец, в данном эксперименте мы очень наглядно наблюдаем логику, при которой природа сигнального фотона начинает зависеть от того, существует ли в пространстве эксперимента информация, которая могла бы тем или иным образом сообщить нам траекторию такого фотона.

Действительно, получается, что как только в данном эксперименте появляется такая информация – фотон становится «корпускулой» (говоря нам о том, что в прошлом он как бы «шел по одному пути» – хотя мы этого, конечно же, не знаем), как только такая информация о траектории исчезает – фотон становится «волной» (как бы говоря нам о том, что в прошлом он шел по двум путям – хотя мы этого, конечно же, не знаем тоже). Мы можем переставлять местами датчики, добавлять или убирать полупрозрачные зеркала, двигать даунконверторы, усложнять или упрощать данный эксперимент так, как только позволит нам наша фантазия, – упомянутая логика будет работать все равно, «обмануть фотон» и узнать его путь пока не удалось никому.

Таким образом, можно привести простую и понятную причину (или следствие?), которая могла бы объяснить происходящее: как только возможность получить информацию о пути фотона стиралась из пространства эксперимента, интерференция появлялась.

Как только путь фотона становился измеряем – она мгновенно исчезала.

Исходя из того, что подобную логику можно применить практически ко всем аналогичным физическим экспериментам с фотонами, целый ряд ученых делает вывод о том, что единственной логически значимой причиной изменения свойств фотона является наличие информации о его движении.

Значит ли это, что квантовую систему меняет наличие о ней информации? Если это так, то можно ли сказать, что именно информация лежит в основе реальности? Или все-таки это свойство реальности, которым пользуется одна ее часть для того, чтобы в данном случае упорядочить другую?.. А может быть, информация – это просто следствие каких-то неизвестных для нас физических процессов?..

Мы оставим глобальные рассуждения об этом для заключительного раздела и выводов, а пока подумаем еще раз над возможной интерпретацией полученных результатов. Давайте еще раз перечислим все возможные, пусть самые невероятные, но логически непротиворечивые варианты, которые могут объяснить результаты третьего эксперимента.

1. Фотон знает свое будущее и подстраивается под него с самого начала эксперимента (или даже управляет своим будущим). Он делает это сам или с помощью каких-то «невероятных помощников». В этом случае он спокойно выходит из источника, являясь волной, потому что знает, что отразится от СД4 и что далее исследователь поставит СД5 (или же делает так, чтобы исследователь это сделал).

Фактически в этом варианте мы возвращаемся к теории «супердетерминизма», которую мы уже упомянули в разделе, посвященном двухщелевому эксперименту. Это логически непротиворечивая теория, которую, впрочем, нельзя ни доказать, ни опровергнуть. Мы рассмотрим ее чуть позже.

2. Фотон может очень быстро «прыгать» то в один оптический канал, то в оба сразу – в зависимости от текущей конфигурации того или иного эксперимента. При этом очевидно, что смена формы и пространственного положения частицы должна быть управляемым процессом, зависящим, как мы видим, от текущей конфигурации проводимого опыта. Так, если мы уберем зеркало СД5, то регистрация холостого фотона датчиком Д6 точно скажет о том, что основной (сигнальный) фотон пройдет (или уже прошел?) по пути А. Если же мы введем в эксперимент зеркало СД5, то сразу «поместим» сигнальный фотон в оба канала А и В. Таким образом, в зависимости от конфигурации и хода данного эксперимента фотон должен постоянно «прыгать» из канала в канал, находясь то «здесь», то «там», то «и здесь, и там». Как он может это делать (особенно если поместить его внутрь светодиодов с непрозрачными стенками9) – совершенно непонятно.

Как мы понимаем, данный вариант предполагает наличие некоторой неизвестной нам силы, которая бы в зависимости от текущей конфигурации эксперимента перемещала бы фотон из одного канала в другой.

3. Мы можем усилить предыдущий вариант, предположив, что фотон перемещается не из одного канала в канал, а вне пространства и времени (в иной «модус бытия») или же в другое пространство и время. В этом случае, когда его, например, «не трогают», он может «прыгнуть» в это «новое пространство» и появиться оттуда только в момент своего измерения (см.10 и ссылки в данной работе, и также см.11).

Заметим в скобках, что, согласно Эйнштейну, при скоростях, равных скорости света, время останавливается. Это значит, что время полета фотона, который летел к нам от далекой звезды 4 млрд световых лет, с точки зрения этого фотона, равняется… нулю. В его системе отсчета его полет будет выглядеть совершенно по-другому: он родился – и, «не поняв ничего», мгновенно исчез… И в этом смысле у фотона действительно нет ни прошлого, ни будущего. Так что подход, который помещает фотоны (как и все иные элементарные частицы) вне времени и пространства, в какое-то особое, неизвестное нам состояние материи, несомненно, несет в себе явное рациональное зерно.

Необходимо сказать, что второй и третий вариант в некотором смысле довольно близки. Действительно, и там и там для физического предъявления фотона в той или иной точке пространства необходима какая-то сила/посредник. Например, в третьем варианте фотон помещается вне времени и пространства и далее в зависимости от того, что происходит в поле эксперимента, опять предъявляется в нем в том или ином виде. Но кто или что это с ним делает, спросите вы? Ответов два: либо это свойство самой материи, либо это делает какое-то неизвестное науке поле или сила, которые опять-таки являются одним из свойств окружающего нас мира.

4. Вероятно, существуют и еще более экзотические варианты реальности, который бы могли объяснить поведение фотонов в данном эксперименте, такие как «мы все находимся в матрице» и т. д.

Конечно же, все четыре альтернативы, которые мы привели, кажутся крайне необычными, если не сказать больше. Все это еще раз ярко показывает степень нашего текущего непонимания квантовой реальности, которая носит абсолютно парадоксальный характер.

Я также попросил бы уважаемых читателей обратить свое внимание на то, что все варианты поведения фотона в данном эксперименте требуют введения в реальность информационно-логического «куратора» фотона! Такой «куратор» (давайте назовем его центром управления фотоном, ЦУФ) должен каким-то образом влиять на фотон во всех случаях!

В самом деле, в первом варианте такой «куратор» должен давать ему точные знания о его будущем (в т. ч. с учетом того, что сделает исследователь или какое-то устройство, включенное в цепь эксперимента).

Во втором варианте ЦУФ появляется просто явно, он не только дает указания о том, какие свойства должен показывать фотон, но и перемещает его в необходимую (ые) точку (и) пространства, которая (ые) позволит (ят) ему проявить свои волновые или корпускулярные свойства.

Третий вариант отличается от второго тем, что ЦУФ время от времени должен помещать фотон вне пространства и времени (в таинственный модус «нечто») или в другое пространство и время.

В четвертом варианте ЦУФ вообще становится главным, поскольку в «матрице» ЦУФом становится сама «матрица» – огромная «симуляция всего»…

Как может выглядеть такой ЦУФ?

В некоторых из перечисленных вариантов логически функционал такого ЦУФ можно было бы поместить в сам фотон, который в этом случае должен получить возможность не только мгновенного сбора и обмена информацией между всем веществом эксперимента, но и, например, «бесследного перемещения» самого фотона «куда-то» и такого же его «появления из ниоткуда».

Однако напрашивается более логичное предположение, при котором функции подобного, почти невероятного, управления фотоном берет на себя какое-то поле, среда или сама природа материи. Если это так, то данное поле/среда/материя должна связывать/координировать все (возможно – огромное) количество вещества пространства эксперимента, мгновенно «снимая» с него данные и безошибочно передавая в другие точки этого же пространства управляющие сигналы (внимание – полупрозрачное зеркало на месте, фотон – появись в обоих каналах! (покажи одни свойства); внимание – зеркало убрали, фотон – останься только в одном канале! (покажи другие свойства) и т. д.).

Рассуждения о том, как может выглядеть подобная реальность, мы продолжим чуть позже, в заключительной части и выводах. Для того чтобы делать выводы сейчас, нам еще не хватает фактов. Пока же, суммируя результаты эксперимента с отложенным выбором, давайте еще раз отметим, что картина микромира фотона в данном эксперименте с обыденной точки зрения является совершенно непонятной, если не сказать невероятной – так же, как и во многих других экспериментах.

И это не может не воодушевлять любого исследователя, не так ли?

Следующий парадокс квантовой физики, о котором мне хотелось бы коротко рассказать, называется парадоксом Зенона.

1.5. Странность «первого» рода №5. Квантовый парадокс Зенона

Известный греческий философ Зенон Элейский когда-то предположил, что если время разделить на множество отдельных частей, то все движение в мире может остановиться. На эту тему существует два известных примера: первый – про черепаху и спринтера, и второй – про стрелу. По своей сути они несколько похожи, суть апории Зенона про стрелу выглядит так: представьте, что мы возьмем летящую стрелу и рассмотрим ее полет в каждое мгновение времени. Очевидно, что в каждое мгновение она будет стоять на месте. Но тогда, если в каждое мгновение времени стрела стоит на месте, то, может быть, она вовсе и не движется?

Смысл апории про черепаху и спринтера следующий: представьте, что спринтеру надо догнать черепаху. Допустим, между ними 100 метров. Давайте разделим путь спринтера на два, т. е. представим, что вначале ему надо пробежать половину расстояния – 50 метров. Далее он должен пробежать половину от оставшейся половины, т. е. 25 метров. Далее еще одну половину – 12,5 метров и т. д. Но ведь этим половинам никогда не будет конца! Это значит, что он никогда не догонит черепаху!

Понятно, что стрела все-таки летит (и это подтвердит любой проведенный эксперимент), а любой спринтер легко догонит черепаху. Тем не менее парадоксы Зенона, несомненно, полезны, поскольку заставляют нас еще раз подумать о природе дискретного и непрерывного, конечного и бесконечного, аналогий математической и физической реальности.

Здесь необходимо сказать, что, в отличие от неработающих апорий Зенона, названный в его честь квантовый парадокс Зенона – работает! Подтвержденный экспериментально, он выглядит следующим образом: если начать наблюдать за квантовыми частицами, находящимися в процессе радиоактивного распада, то их распад… приостановится. В идеале, если сделать наблюдение непрерывным, такой распад станет… просто невозможным.

Почему замедляется распад во время наблюдения за квантовыми частицами?

Базовая причина этой странности является такой же, как и в других экспериментах, раскрывающих странности микромира, – повторяющееся (в идеале – непрерывное) измерение квантовой системы препятствует ее переходу в другое состояние (подробнее – см.12).

Продолжая ряд примеров с парадоксами микромира, можно также назвать парадокс нелинейного светоделителя13 и некоторые другие странности, список которых можно было бы продолжить, если бы все они в той или иной степени всякий раз не возвращали бы нас к главным парадоксам микромира: корпускулярно-волновому дуализму, запутанности, нелокальности, отложенному выбору, а также таинственному «нежеланию» элементарных частиц предъявить миру информацию о своей траектории и состоянии, т. е. к тем парадоксам, которые мы уже перечислили выше.

На этом я предлагаю завершить краткий курс изучения странностей микромира (или странностей первого рода), подведя под ним черту.