4 октября 2022 года Шведская королевская академия наук решила присудить Нобелевскую премию по физике 2022 года Алену Аспе из Парижа, Джону Ф. Клаузеру из Калифорнии и Антону Цейлингеру из Вены «за эксперименты с запутанными фотонами, установление нарушения неравенства Белла и новаторскую квантовую информатику».
У вопроса, на который отвечали ученые, богатая история. Обрисуем ее крупными мазками.
Спор Эйнштейна и Бора
Вопрос о реальности квантовой механики был поднят спором Альберта Эйнштейна и Нильса Бора в 1927 году на пятом Сольвеевском конгрессе.
Сольвеевсий конгресс - конференция по физике и химии в Брюсселе. Любопытно, что в 2014 году такой конгресс был посвящен астрофизике, как и Нобелевские премии 2019 и 2020 годов, а в 2022 году и конференция и премия были посвящены квантовой механике. Темы микро мира и макро мира чередуются в фокусе научных наград.
Все предопределено
До квантовой механики, вселенная физики была безгранично предсказуема: стоит узнать закон природы и начальные условия, как ученому становится известно будущее и прошлое объекта в любой момент времени. Начальные условия могут быть измерены тоже в любой момент времени: узнал условия на старте вселенной и получил всю ее историю до самого конца. Удобно.
Даже уравнения детерминированного хаоса, такие как задача трех тел или предсказание погоды тоже имеют решения, хоть и не общее. Хаотические вычисления экспоненциально чувствительны к начальным условиям, что затрудняет реальные предсказания, но не вносят настоящий непредсказуемый хаос в физику.
Двадцатый век Планк представляет
Однако, двадцатый век сказал: «забудьте все, чему вы научились раньше». Четко по календарю в 1900 году Макс Планк предполагает квантовую природу света, через 5 лет Альберт Эйнштейн объясняет откуда свет берется - излучается электронами в виде порций - «квантов» и существует только в таком виде. В 1923 году Луи де Бройль в заметке «Волны и кванты» предлагает квантовую волну, которую описывает Эрвин Шрёдингер одноименным уравнением в 1925 году. Решением уравнения стала волновая функция, и когда у физиков спросили: «что же в ней волнуется?», ответ «вероятность» многим не понравился.
В мире больших масштабов мы встречаем ужасающие и загадочные явления - всепожирающие черные дыры, невидимые силы, раздвигающие границы вселенной и гравитационные аномалии, сгребающие галактики в кучу, как песчинки. Все эти вещи непонятны, но вообразимы. А волны вероятности и представить нельзя, это математическая абстракция.
Лидером недоверия чистой непредсказуемостью оказался один из ее соавторов. Эйнштейн предположил, что существуют скрытые параметры, узнав которые все таки можно предсказать точное положение и импульс частиц.
Реализм
«Что есть реальность и как ее определить?» - основной вопрос науки, философии и всего. Но у физиков «реализм» - это предположение о том, что наблюдаемые свойства были у объекта наблюдения, как минимум, до самого наблюдения, а как максимум - всегда. Сам факт наблюдения ничего не меняет. Мы видим луну круглой и желтой и надеемся, что она такой и была секунду назад, а не имела все возможные формы и цвета, пока мы на нее не обратили внимание.
Однако, в Копенгагенской интерпретации квантовой механики «реализм» нарушается. Электрон находится во всех возможных состояниях, обходит препятствие и справа и слева одновременно и сталкивается сам с собой за ним. А если понаблюдать, куда точно он отправился, результат опыта меняется - поведение становится классическим. Именно этот эффект называют «нарушением реализма» квантовой механикой. Он подтвержден множеством опытов с «двойным путем». Впервые для одиночного электрона такой опыт проведен в 1949 году советскими учеными Валентином Фабрикантом, Николаем Сушкиным и Леонидом Биберманом.
Получается, что пересекая некую масштабную черту законы физики меняются на противоположные, а это, как минимум, подозрительно.
ЭПР-парадокс
Споры не утихали и в 1935 году Альберт Эйнштейн, Борис Подольский и Натан Розен сформулировали ЭПР-парадокс, который должен был опровергнуть принцип неопределенности Вернера Гейзенберга. Принцип Гейзенберга заключается в том, что измерить импульс и положение частицы точнее некоторой величины нельзя. Можно представить, что измеряя один параметр само измерение меняет другой (это лишь один из вариантов интерпретации такого принципа, сейчас не популярный). В таком случае неопределенность легко обойти. Если две частицы стали результатом распада третьей, то их суммарный импульс известен. Можно измерить импульс у одной частицы, а координату у другой, тогда неопределенность пропадет.
Но в квантовой механике так нельзя. Чтобы неопределенность сохранялась, когда мы измеряем что-то у одной частицы, она должна сообщить это второй и та в свою очередь добавляет неопределенность чужого измерения, словно это делали с ней.
Квантовая запутанность и нелокальность
Размышляя о ЭПР-парадоксе в 1947 году была сформулирована концепция квантовой запутанности. И сделал это главный критик всего квантового - сам Альберт Эйнштейн в одном из многочисленных писем Максу Борну.
Запутанные частицы, словно делят одно состояние на двоих. Когда они находятся во всех возможных состояниях и взаимодействуют сами с собой, то делают это вместе. Стоит одной частице определиться с квантовым состоянием, как это делает и вторая - мгновенно, быстрее скорости света и даже в прошлом, если нужно.
С момента появления специальной теории относительности в 1905 году все законы физики должны были действовать на все что угодно с конечной скоростью - в пределах скорости света в вакууме. Все что могло повлиять на наше состояние сейчас должно находиться в световом конусе прошлого, а не в любом месте пространства и времени. Только в этом случае имеют смысл понятия «причина» и «следствие», да и вообще возможно хоть как-то разобраться что на что влияет, то есть возможна наука в глобальном смысле. Физики назвали это свойство вселенной «локальностью».
Квантовая запутанность не только нарушает локальность, но и другие стандарты красоты для сил и полей. Запутанность действует избирательно, никак не затрагивая частицы вокруг связанной пары. Так же нарушение локальности не зависит от расстояния, а все известные взаимодействия зависят: гравитационное и электромагнитное убывают с расстоянием, а сильное и слабое взаимодействия сначала растут, а потом пропадают. Этот конфликт поведения - величайшая проблема физики на данный момент.
Неравенства Белла
В 1964 году сотрудник Европейского центра ядерных исследований (ЦЕРН) Джон Стюарт Белл перевел спор с уровня мысленных экспериментов к гипотезе, проверяемой реальным измерением в статье «О парадоксе Эйнштейна-Подольского-Розена».
Идея эксперимента - взять запутанные частицы, например электроны и увезти в две лаборатории подальше друг от друга. Спин у электрона +/- 1/2. Это такой магнитный эквивалент вращения для частиц. Его можно определить магнитом: частицы с одним спином полетят к южному полюсу, а с противоположным - к северному. Измерение спина одного из запутанных электронов «вверх» должно привести к измерению у другого «вниз».
Но такой опыт не устраивает критиков. Если у электронов был скрытый параметр до отправки в разные лаборатории, они могли сохранить его и как бы заранее договориться, что один пойдет вверх, а второй вниз. Белл придумал, как перехитрить критиков и квантовые трудности на основе статистики.
Обе лаборатории вращают свои магниты и случайным образом выбирают три оси, вдоль которых измеряют спины. Теперь электроны не могут заранее договориться о направлениях, потому что сами ученые их заранее не знают.
Теперь остается только сравнить вероятность получить совпадающие по направлению спины в классическом случае со скрытыми параметрами и в квантовом, где связь между разделенными частицами существует постоянно. В первом случае это 67 %, а во втором - вероятность зависит от угла между осями и при 120 градусах это 75 %. Разница измеряема, но это потребует сложного оборудования.
В 1969 году был предложен первый вариант эксперимента, проверяемый на оборудовании своего времени. Потребовалось много вариантов чтобы довести схему эксперимента до высокой точности и исключить возможность передачи информации между частицами классическим способом. В 1982 году квантовая запутанность была экспериментально подтверждена, а в 2010 году американец Джон Клаузер, француз Ален Аспе и австриец Антон Цацлингер стали лауреатами премии Вольфа по физике. В многострадальном 2022 году они стали лауреатами Нобелевской премии по физике, что отражает не только удачное проведение экспериментов, но и многолетний вклад в науку и окончание спора, длившегося 95 лет. Спор закончился, а проблемы остались.
Нобелевские эксперименты
Джон Клаузер
Первый эксперимент по проверке неравенств Белла провели молодые постдок Джон Клаузер и аспирант Стюарт Фридман Калифорнийского университета Беркли в 1972 году. Неравенства нарушались, но желаемая степень нарушения не была достигнута по техническим причинам.
Эксперимент повторили Дик Холт и Френк Пипикин в Гарварде и результат был противоположным: не было измерено нарушения неравенств Белла.
В 1976 году Клаузер ставит второй эксперимент с достижением требуемой точности, которую после не удалось повторить в других экспериментах.
Результат все еще не устроил критиков. Лазейка для «договоренности» между частицами заключалась в том, что положение источника частиц и детектора фиксировалось заранее, при монтаже оборудования. То есть, фотоны подозревали в сговоре с механиками. Нужно было выбрать направление детектора уже после начала движения фотона, чтобы не оставить ему шансов мухлевать.
Ален Аспе
Новый эксперимент был проведен Аленом Аспе в 1982 году в научно-техническом центре Париж-Сакле. В качестве запутанных частиц использовались фотоны, испускаемые атомами кальция. Атом возбуждали криптоновым лазером, а затем он испускал два фотона, что удобно для опыта.
Фотоны сначала попадают на оптические переключатели, где они могут либо передаваться на поляризаторы и детекторы, либо отражаться и чуть дольше лететь на другой набор поляризаторов и детекторов. Поляризаторы выполняют ту же роль что и магниты в эксперименте с электронами. Фотоны в суперпозиции поляризованы в разных направлениях одновременно, пока не произошло измерение на одном из них. Переключатели срабатывают случайно раз в 10 наносекунд, а длина пути до второго набора больше чем до первого. Фотоны не могли «знать» что с ними произойдет, ведь этого никто не знал.
Однако, эффективность детекторов все еще считалась не высокой и были вопросы к счетчику совпадений. Информация о совпадении направлений передралась на один прибор. На этот раз фотоны подозревали в сговоре с этим прибором. Кроме того, случайность переключений поляризатора исходила из звукового генератора, а это не истинная случайность.
Антон Цайлингер
Эксперименты с запутанными фотонами продолжались много лет и идут до сих пор. Однако, поворотным считается эксперимент 1998 года, который провел Антон Цайлингер в Институте экспериментальной физики Инсбрукского университета в Австрии. Технологии позволили сделать пролет фотонов гораздо дольше по времени, использовать «истинную», то есть квантовую вероятность для переключателей и независимые детекторы, синхронизированные по атомным часам. Вот теперь фотонам точно не с кем быть в сговоре?
Критики заподозрили фотоны в сговоре с со своими соседями, предположив ошибку выборки. В детекторы попадаюсь не все излучаемые фотоны, а только часть. Вдруг мы уловили чисто случайно только «плохих мальчиков», которые на зло физикам нарушали неравенства Белла, а остальным «нормальным» фотонам позволили уйти?
Эту возможность назвали «лазейкой выборки».
Эксперименты 2015 года
В 2015 году сразу три группы ученых провели эксперименты, закрывающие «лазейку выборки» для запутанных частиц. Марисса Джустина (при участии Антона Цайлингера и множества других ученых) в Институте квантовой оптики и квантовой информации Австрийской академии наук провели «Проверку теоремы Белла без существенных лазеек с запутанными фотонами». Линден К. Шалм (и множество коллег) провели «Сильный эксперимент на локальный реализм без лазеек» тоже на фотонах в Национальном институте стандартов и технологий США (с участием множества других институтов). Бас Хансен (и многие другие) поставили эксперимент «Нарушение неравенства Белла без лазейки с помощью спинов электронов, разделенных 1,3 километра» в Делфтском техническом университете в Нидерландах.
Эксперимент Хансена уже относится к квантовой коммуникации. В двух твердых телах электрон запутывается с фотоном. Два фотона из разных тел встречаются в точке между твердыми телами и запутываются сами, перенося запутанность изначальным электронам.
Стало быть, мы закрыли все «лазейки» и даже почти создали квантовое радио?
Фотону и электрону действительно не с кем договариваться о результате опыта, но мы для доказательства квантовых явлений использовали квантовую вероятность. Что если проблема в ней? Новая «лазейка» возвращает нас к самому началу спора Эйнштейна и Белла: что если чистая вероятность волновой функции принципиально не случайна, но это невозможно определить опытами? Хотелось бы создать случайную величину неквантовым способом, чтобы проверить квантовую.
Закрытие лазейки истинной случайности
Проект «Большой эксперимент Белла» в 2016 году попросил 100 тысяч добровольцев сыграть в онлайн-игру. Случайные числа на основе результатов игры были направлены в 12 лабораторий на пяти континентах, где 13 экспериментов зафиксировали нарушение локального реализма с использованием фотонов, одиночных атомов, групп атомов и сверхпроводящих устройств.
В 2018 году международная команда использовала свет от двух квазаров, использовав спектральные данные в качестве случайных числе для управления переключателями в эксперименте. Один квазар образовался примерно восемь миллиардов лет назад, а другой двенадцать миллиардов лет назад. Эти объекты могли обменяться информацией только 7,8 миллиардов лет назад. Неравенства Белла снова были признаны нарушенными.
Таким образом, если допустить возможность существования скрытых параметров для квантовой вероятности, то эти параметры управляют умами геймеров по всей Земле и тратят по пол жизни вселенной чтобы испортить один эксперимент физикам. На этом моменте критики признали себя параноиками и в общем и целом были удовлетворены результатами экспериментов.
И все таки, она не настоящая
Квантовая механика реальна в нашем мире и это доказано? Да, но…
Волновая функция частицы ненаблюдаема, это чистая математика, а не физика. Она определена не в нашем физическом (трех или четырех мерном, смотря как считать) пространстве, а в конфигурационном пространстве, где число измерений зависит от чиста точек.
Кроме того, все чудесные квантовые явления работают только если частица маленькая и ее в начале никто не наблюдает, а когда нужно произвести измерение ее наблюдает большой классический измерительный прибор. В чем критерий между большим и меленьким? Как работала квантовая механика в ранней вселенной, когда не было ничего большого и классического?
Копенгагенская интерпретация отвечает на все подобные вопросы словами Дэвида Мермина «Shut up and calculate» («Заткнись и считай»). То есть, непонятно что именно происходит с частицей между измерениями, непонятно что такое «измерение», что такое «коллапс волновой функции» во время измерения и как долго он длится?
Копенгагенская интерпретация ничего не объясняет, то есть не интерпретирует вычисления в принципе. Есть другие версии, с объяснениями всех сортов шизофрении. У них может быть даже другая математика, но абсолютно те же самые предсказания результатов экспериментов. А там где нет разводящих экспериментов остается чистая схоластика.
Однажды мы сделаем экскурс по палатам с мягкими стенами со всеми видами квантовой философии, но это будет уже не физика.
О чем мы не сказали
Ради читаемости и целостности статьи пришлось упустить несколько серьезных поворотных моментов в физике микромира:
В 1932 году Джон фон Нейман доказал что квантовую механику невозможно дополнить скрытыми параметрами, как предлагал Эйнштейн, а так же написал «Математические основы квантовой механики»;
В 1957 году Хью Эверетт предложил «многометровую интерпретацию» квантовой механики, в которой частица взаимодействует не сама с собой, а с двойниками из других вселенных;
В 1960 году Дэвид Бом опубликовал еще одну интерпретацию квантовой механики: «квантовую теорию с нелокальными скрытыми переменными», так же известную как «Бомовская» или «пилот-волновая»;
Передачу информации основанную на запутанных частицах называют «квантовой телепортацией», первый эксперимент поставлен Антоном Цайлингером в 1997 году;
В 1999 году Юн-Хо Кимом из Южной Кореи, Ронгом Ю., Сергеем Куликом из МГУ и Яньхуа Ши японцем из Мэрилендского института в США проведен эксперимент «квантовый ластик с отложенным выбором», передающий информацию в прошлое. Можно ли таким образом писать себе сообщения в детство пока непонятно;
Физики весьма неуверенно считают что квантовая механика не нарушает напрямую теории относительности и их симбиоз возможен, а так же скептически настроены по поводу квантового радио;
Наблюдателей в опытах принято называть Алиса и Боб, поэтому в англоязычном интернете ходят шутки о квантовой связи Алисы в зазеркалье Кэррола и Боба Марли.
Этим темам стоит посвятить отдельные циклы статей и выступлений, чем мы неизбежно займемся однажды.
