Квантовая механика – теория, управляющая микромиром атомов и элементарных частиц – определённо самая запутанная и контринтуитивная из всех областей физики. Из-за этого она поражает воображение и интригует нас. В 2022 году нобелевку по физике дали Алену Аспе, Джону Клаузеру и Антону Цайлингеру. Все трое внесли важнейший склад в исследование явления квантовой запутанности и подтверждение того, что квантовый мир принципиально невозможно описать классическими методами. Это событие вызвало радостное возбуждение и бурные дискуссии по поводу квантовой механики.
Однако все эти дебаты – будь то форумы, СМИ или даже научная фантастика – часто запутываются из-за упрямых мифов и заблуждений. Давайте разберём четвёрку самых распространённых из них.
1. Кот может быть живым и мёртвым одновременно
Эрвин Шрёдингер вряд ли мог предположить, что его мысленный эксперимент с котом в XXI веке приобретёт статус известнейшего мема. Ситуация предполагает, что неудачливый кот, застрявший в коробке со смертельным газом, который выпускает случайное квантовое событие – например, радиоактивный распад – может быть одновременно живым и мёртвым, пока мы не откроем коробку, чтобы это проверить.
Давно известно, что квантовые частицы могут существовать в двух состояниях, к примеру, быть в двух местах одновременно. Это называется суперпозицией. Это было продемонстрировано в знаменитом двухщелевом эксперименте: единственная квантовая частица, например фотон или электрон, может проходить через две щели в стенке одновременно. Но откуда нам это известно?
В квантовой физике состояние каждой частицы является волной. Когда мы отправляем фотоны по одному проходить сквозь щели, они создают на стене позади щелей рисунок интерференции двух волн. Поскольку ни у какого фотона, проходящего через щели, нет других фотонов, с которыми можно интерферировать, получается, что каждый фотон одновременно проходит через обе щели — и интерферирует сам с собой.
Однако, чтобы это сработало, состояния (волны) частицы, находящейся в суперпозиции, и проходящей через обе щели, должны быть когерентны: они должны определённым образом взаимодействовать друг с другом.
Эксперименты с суперпозицией можно проводить с объектами и более крупного размера, а также сложности. В одном знаменитом эксперименте Антона Цайлингера, проведённом в 1999 году, была показана квантовая суперпозиция крупных молекул углерода-60 (C60), известных, как бакминстерфуллерены или «бакиболлы».
Что всё это значит для нашего кота? Действительно ли он одновременно жив и мёртв, пока мы не открываем коробку? Очевидно, кота не сравнить с отдельным фотоном, находящимся в контролируемых условиях лаборатории — он гораздо больше и сложнее. Любая когерентность, которая могла бы возникнуть между триллионами составляющих кота атомов, смогла бы существовать крайне непродолжительное время.
Это не означает, что у биологических систем квантовая когерентность невозможна – просто она обычно неприменима к таким большим существам, как коты или люди.
2. Запутанность можно объяснить простыми аналогиями
Запутанность – квантовое свойство, связывающее две разные частицы так, что если вы измерите состояние одной из них, вы автоматически мгновенно узнаёте состояние другой, вне зависимости от расстояния между ними.
Для объяснения этого явления обычно используют повседневные объекты из макромира – вроде игральных кубиков, карт или даже пар носков необычных цветов. К примеру: допустим, вы сообщаете вашему другу, что кладёте синюю карточку в один конверт, и оранжевую – в другой. Если ваш друг заберёт и откроет один из конвертов и найдёт в нём синюю карточку, он поймёт, что у вас осталась оранжевая.
Но чтобы понять квантовую механику, необходимо представить, что в конвертах лежат две карты, находящиеся в суперпозиции: то есть, они обе оранжевые и синие одновременно (одна оранжево-синяя, а другая сине-оранжевая). Когда кто-то вскроет один конверт, в нём окажется карта одного цвета, который будет определяться случайным образом. Но при вскрытии другого конверта в нём всегда будет карта другого цвета, «пугающим» образом связанная с первой.
Можно заставить карты показывать другие цвета – это аналогия проведения других квантовых измерений. Можно открывать конверт, задавая вопрос «зелёная там карта или красная?» Ответ вновь будет случайным – зелёная или красная. Главное, что если карты запутаны, то другая карта всегда даст противоположный ответ на тот же вопрос.
Альберт Эйнштейн пытался объяснить этот эффект при помощи классической интуиции, предположив, что у карт есть скрытый внутренний набор инструкций, сообщающий им, какой цвет принять, отвечая на определённый вопрос. Он отвергал «пугающее» взаимодействие между картами, позволяющее им вроде бы мгновенно влиять друг на друга – это означало бы возможность передачу сведений быстрее скорости света, что теории Эйнштейна запрещают.
Однако объяснение Эйнштейна было отвергнуто теоремой Белла (теоретическим испытанием, созданным физиком Джоном Стюартом Беллом) и проведёнными нобелевскими лауреатами в 2022 году экспериментами. Идея, состоящая в том, что измерение одной из запутанных карт меняет состояние другой, неверна. Квантовые частицы просто загадочным образом коррелируют друг с другом способами, которые мы со своей повседневной логикой и языком объяснить не можем. Они не обмениваются сообщениями и не содержат скрытого кода, как считал Эйнштейн. Поэтому забудьте о повседневных объектах, рассуждая о запутанности.
3. Природа нереальна и нелокальна
Часто говорят, что теорема Белла доказывает нелокальность природы – то есть, что ближайшее окружение объекта не влияет на него напрямую. Ещё одно типичное замечание – якобы, из неё следует, что свойства квантовых объектов нереальны, что они не существуют до того, как их измерят.
Но теорема Белла лишь говорит о том, что в квантовой физике природа будет нереальной и нелокальной, только если мы примем ещё несколько других предположений. Среди них – предположение о том, что у измерения может быть только один результат (а не несколько – если, например, речь идёт о параллельных мирах), что причина и следствие расположены по времени друг за другом, и что мы не живём во вселенной, похожей на часовой механизм – то есть, во вселенной, где всё предопределено с самого начала.
Несмотря на теорему Белла, природа может быть реальной и локальной – если мы откажемся от некоторых вещей, диктуемых здравым смыслом, вроде прямолинейного течения времени. Есть надежда, что дальнейшие исследования сузят количество возможных интерпретаций квантовой механики. Однако большинство упомянутых вариантов – к примеру, что время может течь назад, или отсутствие свободы воли – кажутся не менее абсурдными, чем отказ от концепции локальной реальности.
4. Никто не понимает квантовую механику
Классическая цитата (которую приписывают Ричарду Фейнману, и которая перефразирует Нильса Бора) звучит так: «Если вы думаете, что понимаете квантовую механику, вы её не понимаете».
Эта точка зрения широко распространена. Якобы квантовую физику понять невозможно – даже для физиков. Но с точки зрения XXI века квантовая физика не кажется особенно сложной для учёных ни с математической, ни с концептуальной точки зрения. Мы понимаем её очень хорошо, мы даже можем предсказывать квантовые явления с высокой точностью, симулировать сложные квантовые системы и даже начали делать квантовые компьютеры.
Для описания суперпозиции и запутанности на языке квантовой информации не требуется чего-то более сложного, чем математика из старших классов. Теорема Белла вообще не требует квантовой физики. Её уравнения можно вывести в несколько строчек при помощи теории вероятностей и линейной алгебры.
Реальная сложность состоит в том, чтобы помирить квантовую физику с интуитивной реальностью. Но отсутствие всех ответов не остановит нас на пути дальнейшего прогресса квантовых технологий. Мы можем просто «заткнуться и считать».
К счастью для человечества, Аспе, Клаузер и Цайлингер отказались затыкаться и продолжали задавать вопрос «почему». Когда-нибудь их последователи, возможно, помогут помирить квантовые странности с нашим ощущением реальности.
