Мгновенное воздействие

Итак, фотон делает какие-то вещи без всякой на то причины или может находиться в двух местах одновременно. Если вы думаете, что все это очень плохо, то вы ошибаетесь — дальше будет еще хуже. И вот здесь на сцене снова появляются Эйнштейн, Розен и Подольский. Они ясно обозначили: то, что вытекало из квантовой теории, было, по их мнению, настолько нелепо, что все здравомыслящие люди просто обязаны выбросить эту теорию на свалку. Вспомним о корпускулярной природе световой волны, подразумевающей абсолютную непредсказуемость, и о волновой природе фотонов, которая дает им возможность оказываться в двух местах одновременно. А теперь представим, что эти две природы соединились. Как обнаружила группа Эйнштейна, результатом этого соединения станет новое, еще более диковинное, еще более «потустороннее» явление: мгновенная связь между разными точками пространства, даже если эти точки расположены в противоположных концах Вселенной.

На самом деле для того, чтобы такой фокус получился, требуется еще один, третий ингредиент. Но этот ингредиент настолько фундаментален, что он превосходит квантовую теорию. Речь идет о законе сохранения. Физики открыли несколько таких законов. Например, есть закон сохранения энергии. Он гласит, что энергия никоим манером не может быть создана или уничтожена, она может лишь переходить из одной формы в другую. Например, в лампе накаливания электрическая энергия превращается в энергию света и тепловую энергию. В наших мышечных тканях химическая энергия, по большому счету извлекаемая из пищи, преобразуется в механическую энергию движения мускулов.

В 1918 году одна из величайших невоспетых героинь науки, немецкий математик Эмми Нётер (1882–1935) сделала удивительное открытие в области физических законов сохранения. Она выявила, что эти законы всего лишь следствие глубинных «симметрий» природы — вещей, которые остаются одними и теми же, как и с какой стороны мы их ни разглядывали бы. Например, закон сохранения энергии вытекает из симметрии, именуемой «трансляция времени». Пояснить ее довольно просто. Допустим, мы наметили провести некий эксперимент. Так вот, мы можем осуществить его прямо сейчас, а можем «транслировать» (перенести) по оси времени, скажем, на неделю или год вперед — в любом случае, при прочих равных условиях, мы получим один и тот же результат. Еще одна глубинная симметрия в природе — это «вращательная симметрия». Предположим, проводя эксперимент, мы выстраиваем наше оборудование в направлении север — юг и получаем некий результат. Если теперь мы повернем оборудование и расположим его, скажем, по линии восток — запад, то результат будет тот же. Закон, который вытекает из этой невинной симметрии, — сохранение углового момента (это величина, характеризующая количество вращательного движения). Земля, вращающаяся на своей оси, обладает очень большим угловым моментом, поэтому она, судя по всему, будет вращаться еще очень и очень долго.

Оказывается, микроскопические частицы, такие, как фотон, обладают квантовым свойством, именуемым «спин» («спин» в переводе с английского — «верчение, кружение»). Подобно неодолимой случайности, царящей в квантовом мире, это «верчение» также не имеет никаких аналогов в нашей повседневной жизни. Насколько нам известно, фотоны, летя сквозь пространство, не вертятся, подобно Земле, вокруг своей оси. Спин фотона — вещь сугубо «внутренняя». Тем не менее фотон ведет себя так, будто и впрямь крутится. Точнее говоря, у него есть две возможности: фотон может вести себя так, как если бы он ввинчивался в пространство по часовой стрелке относительно направления своего движения, причем с определенной скоростью вращения, или же он может вести себя так, словно бы ввинчивался в пространство против часовой стрелки, с той же скоростью вращения.

Самое важное здесь то, что квантовый спин подчиняется закону сохранения углового момента. И закон этот, применительно к фотонам, гласит, что если два фотона созданы вместе, то их суммарный спин никогда не изменится. То есть один всегда будет вращаться по часовой стрелке, другой — против. Их спины гасят друг друга. Говоря на языке физиков, суммарный спин двух означенных фотонов равен нулю. В этом случае закон сохранения углового момента требует, чтобы суммарный спин оставался нулевым всегда или пока какой-нибудь процесс не разрушит сами фотоны.

Пока ничего особенного и тем более противоречивого здесь нет.

Однако рассмотрим реальный процесс, при котором создаются два фотона, вертящихся в противоположных направлениях. Электрон — крохотная частица, вращающаяся внутри атома, — имеет своего близнеца — «античастицу», называемую позитроном. Для всех частиц и их близнецов из мира «антивещества» характерно то, что при встрече они взаимоуничтожаются, или «аннигилируют». Теперь следует понять, что электрон и позитрон тоже обладают «внутренним» спином, как и фотоны. Величина этого спина иная, чем у спина фотонов, но в данном случае это не важно. Важно то, что непосредственно перед аннигиляцией электрон и позитрон вращаются в противоположных направлениях и, таким образом, их спины гасят друг друга. Отсюда непременно вытекает, что у двух фотонов, рожденных при аннигиляции (да-да, аннигиляция порождает фотоны!), тоже будет нулевой суммарный спин. Один фотон должен вращаться по часовой стрелке, а другой — против часовой стрелки.

Вот тут-то и возникает очередная квантовая причуда. Закон сохранения углового момента требует только одного: чтобы спины двух фотонов, разлетающихся от точки аннигиляции, были противоположны. Есть два варианта, как это может происходить. Либо первый фотон вращается по часовой стрелке, а второй — против часовой стрелки. Либо первый фотон вращается против часовой, а второй — по часовой. Однако не будем забывать, что это мир квантов. Каждая возможность представлена квантовой волной. А если возможны две волны, то — вспомним! — возможна и их комбинация (в сущности, эта комбинация даже необходима).

Итак, новорожденные фотоны разлетаются — а разлетаются они в противоположные стороны, — но при этом обе частицы существуют в «потусторонней» квантовой суперпозиции. Так же как одиночный фотон может одновременно находиться по эту и по другую сторону оконного стекла, два разлетающихся фотона тоже одновременно вращаются «по часовой / против часовой» и «против часовой / по часовой». Возможно, вы не видите, что здесь скрывается нечто сногсшибательное. Не волнуйтесь. Никто не видел. Чтобы увидеть эту сногсшибательность, понадобился Эйнштейн.

В дополнение к закону сохранения углового момента мы пока использовали только один квантовый ингредиент — квантовую суперпозицию. Но есть и другой ингредиент — непредсказуемость. Допустим, мы устроили дело так, что у нас появился некий детектор, который будет перехватывать первый фотон и определять его спин: ведь уверенно предсказать, в каком направлении будет вращаться фотон, абсолютно невозможно — даже в принципе. Неодолимая случайность — вот главная характеристика квантового мира. Все, что мы знаем, это следующее: есть 50-процентная вероятность того, что при обнаружении фотона он будет вращаться по часовой стрелке, и 50-процентная вероятность того, что вращение фотона будет происходить против часовой стрелки.

Допустим, мы перехватили первый фотон и установили, что он вращается по часовой стрелке. И вот теперь — та самая сногсшибательность. Второй фотон мгновенно должен начать крутиться в обратном направлении. Ведь когда фотоны родились, они вращались в противоположных направлениях, а закон сохранения углового момента требует, чтобы они всегда крутились в разные стороны. Если, с другой стороны, мы, перехватив первый фотон, обнаружили, что он вращается против часовой стрелки, то второй фотон обязан мгновенно начать вертеться по часовой стрелке. Что здесь самое умопомрачительное, так это то, что не существует никакого указания, сколь велико (или мало) должно быть расстояние между фотонами. Если обнаружено, что один фотон вращается в одном направлении, то его близнец должен мгновенно отреагировать, обеспечив вращение в противоположном направлении, — даже если фотоны находятся в разных концах Вселенной.

Квантовая теория, как блестяще продемонстрировали Эйнштейн, Розен и Подольский, открыта для полного безумия: она разрешает мгновенное воздействие на расстоянии. Это означает, что частицы, родившись вместе, должны с этого момента всю оставшуюся жизнь вести себя не как две самостоятельные частицы, а, образно говоря, быть не разлей вода. Они знают друг о друге. Их свойства неразрывно переплетены или, на жаргоне квантовой физики, «запутаны». Мгновенное воздействие — это что-то вроде призрачного влияния, которое квантовые частицы оказывают друг на друга с бесконечной скоростью. Однако сей феномен бросает вызов теории относительности Эйнштейна, которая утверждает, что никакое влияние не может распространяться быстрее скорости света — 300 000 километров в секунду.

Все может быть сведено к взаимодействию трех вещей: суперпозиции, непредсказуемости и закона сохранения углового момента. Поскольку два фотона пребывают в суперпозиции, состояние этих двух частиц — вертятся ли они «по часовой / против часовой» или «против часовой / по часовой» — не может быть точно определено, пока не установлен спин одной из них. Но даже когда спин установлен, результат все равно непредсказуем. Тем не менее закон сохранения углового момента каким-то образом срабатывает: он передает второй частице знание о спине ее партнера, так что она может мгновенно начать вращаться в противоположном направлении.

Именно тонкое взаимодействие трех вышеупомянутых факторов предопределяет существование мгновенного влияния, для которого существует специальный термин — «квантовая нелокальность». И на самом деле сохранение углового момента не столь уж важно. Нет абсолютно никакой причины, почему мгновенное воздействие не может быть продемонстрировано, если мы заменим закон сохранения углового момента, скажем, законом сохранения энергии. Просто потребуется немного изобретательности, чтобы состряпать ситуацию, в которой мгновенное действие проявит себя и в этом случае.

В некоторых популярных книгах утверждается, что две запутанные частицы похожи на пару перчаток. Вообразите: вы достали из ящика перчатку, не посмотрев на нее, положили в сумку, сели за руль, пустились в путь и, лишь проделав немалое расстояние, решили открыть сумку и проверить, что там лежит. Если вы обнаруживаете левую перчатку, то можете с уверенностью утверждать, что дома, в ящике, осталась правая, и наоборот. Но сказать так — значит недооценить (и даже опошлить!) магию запутанности. Две отдельные квантовые частицы вовсе не похожи на пару перчаток. В случае с перчатками одна из них подходит для левой руки, а вторая — для правой, и так будет всегда, ну, по крайней мере, все то время, пока эти перчатки существуют на белом свете. Если перчатка, которую вы прихватили с собой, оказалась правой, она и была правой до того, как вы открыли сумку, а это означает, что левая перчатка осталась дома. Нет ни малейшей необходимости в том, чтобы какой-то сигнал полетел домой и приказал оставшейся там перчатке непременно быть левой. Она и так была левой, есть левая и будет левой.

Сравним это с двумя фотонами. Если каждый подобен перчатке, то это странная, «потусторонняя» перчатка, она не левая и не правая, а точнее, это перчатка, в которую изначально вообще не заложено свойство «левости» или «правости». Таковое свойство возникает, только когда вы достаете перчатку из сумки и разглядываете, с какой стороны она более округлая, — причем для данной конкретной перчатки эта округлость совершенно случайна, ей, перчатке, абсолютно все равно, правая она или левая. И тогда оставшаяся дома перчатка — в которую тоже изначально не было заложено свойство «правости» или «левости» — должна мгновенно отреагировать, став противоположностью своей партнерши. Именно то обстоятельство, что перчатка (или фотон) не имеет конкретного состояния, — а также то, что «левое» либо «правое» состояние затем определяется совершенно случайным образом, — и понуждает к образованию призрачной связи между данной перчаткой (фотоном) и ее партнершей (вторым фотоном) как раз тогда, когда происходит определение этого состояния.

С этой «нелокальностью» Эйнштейн окончательно убедился в своей правоте — его предсказание было настолько смехотворным, отдавало таким оголтелым помешательством, что это могло означать только одно: квантовая теория — вовсе не последнее слово природы. Беда в том, что нелепый феномен, предсказанный Эйнштейном, был подтвержден экспериментально — это сделал французский физик Ален Аспе (р. 1947). В 1982 году, спустя четверть века после смерти Эйнштейна, Аспе продемонстрировал, как фотоны в одном конце его лаборатории (Университет Париж-Юг) ответили фотонам в другом конце лаборатории — словно бы призрачное воздействие перепорхнуло с одних частиц на другие, причем со скоростью, значительно превышавшей скорость света. Эйнштейн ошибся. Квантовая теория выдержала еще один труднейший экзамен. Реальность, которую она описывает, может показаться нелепой, неприятной, отталкивающей, но это жесткая реальность. Просто так все устроено в природе.

Ах, как было бы замечательно, если бы мы могли передавать сообщения на бесконечной скорости, дерзко нарушая эйнштейновский скоростной предел — скорость света! Однако — хотите верьте, хотите нет — то, что природа дает одной рукой (соблазнительную возможность мгновенной коммуникации, как в сериале «Звездный путь»), она тут же забирает другой. Все опять сводится к случайности. Единственная информация, которая может быть передана при помощи мгновенного воздействия, — это спиновое состояние фотона. Но если отправитель хочет использовать «нелокальность», он должен посылать каждый фотон своего сообщения в суперпозиции двух вращений — по часовой стрелке и против. Допустим, вращению по часовой стрелке можно придать значение «0», а вращению против часовой стрелки — «1». Но если каждый фотон пребывает в суперпозиции своих состояний, у него будет только 50-процентная вероятность служить «нулем» и такая же 50-процентная вероятность — служить «единицей». Получается, единственное сообщение, которое может быть отправлено, это случайная последовательность «нулей» и «единиц», — смысла в таком сообщении ровно столько же, сколько в послании, составленном из результатов случайных бросков монетки. Эйнштейновский скоростной предел, выражаемый скоростью света, не нарушается, потому что эта скорость — так уж получается! — представляет собой верхний предел скорости передачи информации. Природа не накладывает ограничений на скорость передачи бесполезной тарабарщины. Эта мгновенность бессмыслицы и есть то единственное, что разрешает нам «нелокальность», казавшуюся на первый взгляд столь поразительной.

Мы проделали немалый путь, начав с отражения вашего лица в окне. Ваш размытый образ, взирающий на вас «из-за стекла», говорит о том, что микроскопическим миром фотонов дирижирует Его Величество случай. Затем мы разобрались с волноподобным поведением фотонов — оказалось, они могут делать две вещи одновременно, — и это привело нас к «нелокальности». Многие физики считают, что мгновенное воздействие — величайшая загадка квантовой теории. Сказать по справедливости, никто не знает, что означает эта самая «нелокальность» для Вселенной в целом. Однако есть одна вещь, которую мы знаем наверняка. Все бесчисленные частицы Вселенной родились совместно 13, 7 миллиарда лет назад в огненном облаке Большого взрыва. А следовательно, призрачные узы, что соединяют два «вертящихся» фотона, должны — в каком-то смысле, но этот смысл мы пока не можем уловить — связывать вас и меня с атомами самых удаленных звезд и галактик.