Про основу "квантовой телепортации", "квантовой криптографии" и почти мистические, но совершенно реальные следствия спора Эйнштейна с Бором.
читать
Первая треть XX века была отмечены крупными спорами, до которых широкой публике дела было мало, поскольку спорили физики и спорили как всегда о чем-то своем. И до сих пор еще многие граждане даже не подозревают, что спор этот касался всех нас. Потому что это был спор о реальности сущего.
Это был не просто спор. Это была последняя битва между силами света и силами тьмы! В городе Копенгагене сошлись два титана – Эйнштейн и Бор. Все-таки поразительные кульбиты порой делает история… Тот самый Эйнштейн, который своей теорией относительности разрушил фундамент классической физики, теперь яростно набрасывался на Бора, выступая защитником именно классической, объективной физической реальности. А Бор, как новое поколение физиков, выступал против реальности.
«Старое представление о рациональном и механистическом мире, которым управляют причинно-следственные связи, кануло в Лету, уступив место таинственному миру парадоксов и «потусторонней» реальности» – напишет об этом через полвека в книге «Суперсила» английский физик Пол Девис. «Потусторонняя реальность» – лучше о современной физике не скажешь…
Когда родилась квантовая механика – физика удивительная, непохожая на прежнюю, то даже ее создатель Макс Планк так и не принял в глубине души всей причудливости этой науки. А Эйнштейн попросту считал квантовую механику абсурдной теорией, называл ее «безумием». Кризис восприятия был так велик, потому что с появлением квантовой механики (и последующих теорий микромира) под ногами физиков полностью пропала опора в виде наглядных схем и понятных интерпретаций. Физика чем дальше, тем больше становилась математикой, то есть формульной абстракцией, которую иногда даже невозможно проверить опытным путем! Причем формулы порой выдавали попросту абсурдные решения. Тогда физики над формулами немножко изгалялись – проводили так называемую «перенормировку», а попросту говоря – подгоняли теорию под ответ. Но это было уже потом, а тогда, в Копенгагене все только начиналось…
Нильс Бор, возглавлявший в 1920-е годы XX века физический институт в Копенгагене, был лидером «темных сил», наступавших на привычную реальность. Эйнштейн был лидером «светлых сил» – защитников традиционной реальности. По правую руку от него сражался Вернер Гейзенберг. Этот рыцарь печального образа практически повторил путь Эйнштейна: он был в числе тех из молодого поколения физиков, кто своими славными деяниями громил фундамент Классики. Именно он открыл знаменитый принцип неопределенности – основу основ квантовой механики! А потом поднял меч в защиту старого мира.
Да если бы не «предательство» такими, как Эйнштейн и Гейзенберг, светлого и ясного ньютоновского мира, не пришлось бы потом его и защищать! Так всегда бывает – революции поедают своих героев… Вот что написал храбрый Гейзенберг позже в своей книге «Физика и философия» (характерное, кстати, названьице, не правда ли?!..):
«Я вспоминаю дискуссии с Бором, длившиеся за полночь, которые приводили меня почти в отчаяние. И когда я после таких обсуждений отправлялся на прогулку в соседний парк, передо мной снова и снова возникал вопрос: действительно ли природа может быть столь абсурдной, какой она предстает перед нами в этих атомных экспериментах?»
…Ах, Эйнштейн и Гейзенберг, не надо было вам открывать ящик Пандоры!..
Раз за разом, день за днем сходились в великой битве титаны. Эйнштейн, блестящий гений которого позволил ему когда-то раскачать и опрокинуть элегантное и совершенное здание прежней физики, наносил Бору удар за ударом. Каждый раз он выбрасывал противнику очередную мысленную задачу, которая логически разбивала внутренне противоречивый и потому неверный (как полагал Эйнштейн) Мордор квантовой теории. Но Бор был тоже не простак. Каждый раз он не без труда, но отражал выпады Эйнштейна.
Вот пример одного из таких поединков той серии битв, на которых, без всякого сомнения решалась судьба нашего мира… Да-да! Дело в том, что главное отличие старого, традиционного мира – его принципиальная предсказуемость, фатальность, тотальная причинность. Суть этого мира в том, что если бы мы знали все координаты и импульсы всех частиц во Вселенной, мы могли бы со стопроцентной точностью предсказать будущее. В светлом, ясном мире все частицы движутся по своим траекториям, в определенных направлениях, каждая имеет вполне определенную массу и скорость, каждая частица существует в реальности и «действует» сама по себе, вне зависимости от того, смотрит на нее кто-то или не смотрит. Если умрут все ученые в мире, все наблюдатели, смотрящие за миром, мир не изменится. Он объективен. Он существует сам по себе. Он абсолютен. В нем можно физически различить добро и зло. Одна причина порождает в нем одно конкретное следствие. В этом мире есть истина.
Новый, квантовый мир совсем другой. В нет ничего абсолютного. Он принципиально относителен. В нем нет точных местоположений. В нем нет траекторий. В нем нет направлений. Этот мир принципиально непредсказуем. Неопределенен. В нем нет четких ответов. Одна причина в нем может породить тысячи разных следствий. Одно следствие в нем может быть вызвано тысячью разных причин. А главное – в этом мире нет реальности в том ее понимании, которое существовало в ньютоновском мире. В нем действуют нереальные (виртуальные) частицы. То есть этот мир отчасти нереален. Больше того – облик этого мира зависит от сознания. От того, смотрит кто-то на этот мир или нет. Этот мир требует введения в физические формулы наблюдателя. В этом смысле он един – в него на равных входят мертвая материя и наблюдатель.
Подобная позиция выглядела слишком непривычно для позитивистского научного мышления. Поэтому, борясь с принципом неопределенности, Эйнштейн предложил остроумную схему. Вы говорите, ваш мир принципиально неопределенен? Что в нем нельзя одновременно точно узнать энергию частицы и момент времени, в который эта частица данной энергией обладает? Хм, это уже лазеечка для нарушения главнейшего закона Вселенной – закона сохранения массы-энергии, что уже само по себе – немалое преступление! Мы сейчас эту лазеечку в законе перекроем!.. Смотрите, в чем ваш прокол, господин рыцарь хаоса: время я измерю непосредственно, а энергию определю взвешиванием! Я взвешиваю частицу и таким образом узнаю ее массу – по моей же формуле E = mcE2! Вот и конец вашей неопределенности! Так сказал Эйнштейн…
Удар был силен. «На этот раз Бор был обеспокоен, и те, кто видел, как он провожал Эйнштейна в гостиницу, заметили, что Бор был сильно взволнован» – пишет Девис. Однако, проведя бессонную ночь, на следующий день Бор нашел эйнштейновскую ошибку: согласно эйнштейновской же теории относительности, гравитация замедляет течение времени. А при взвешивании частицы без гравитации не обойтись, и эффект замедления времени внесет в эти измерения свои коррективы. В пользу неопределенности… Победа опять осталась за Бором.
Однако самый тяжелый и решающий бой между тьмой кванта и светом классики закончился все же вничью. Эйнштейн, как показалось тогда ему и многим, нанес почти смертельный удар Бору. Но могучий Бор выстоял. Он отразил удар. Не так успешно, как прежние выпады. И потому вопрос о победителе той битвы остался неразрешенным. До поры…
Что же сказал Бору Эйнштейн в той схватке, когда мироздание зависло в точке равноденствия между ночным и дневным дозором?
Это случилось в 1935 году. И Эйнштейн был в той схватке не один. На его стороне сражались еще два рыцаря истины – Борис Подольский и Натан Розен. Они предложили мысленный эксперимент, который с тех пор получил название «эффект Эйнштейна – Подольского – Розена» или попросту ЭПР-эффект.
Хитроумная схема трех рыцарей, общей дамой сердца коих была объективная истина, нацеливалась на основу основ теории неопределенности – может ли частица одновременно обладать определенным положением и определенным импульсом. То есть существовать в классическом смысле этого слова. Мир тьмы, мир неопределенности, ставящий под сомнение самою физическую реальность, гласил: знать все невозможно! Потому что ничего определенного не существует! Все размыто, искажено… В частности, мы не можем совершенно точно одновременно узнать координаты и импульс элементарной частицы. Либо вы меряете с точностью, где находится частица, и тогда вы не знаете ничего об ее характеристиках (импульсе), либо вы точно узнаете свойство частицы, но не знаете, где она находится.
Это непредставимо для обычного мира. Если летит пуля, мы в любой момент знаем, где она находится и какова ее скорость. Странно, если бы узнав, где пуля, мы тем самым автоматически закрывали себе знание о ее скорости. И наоборот, узнав скорость, мы полностью теряли бы информацию о ее местоположении… Где ружейная пуля, чья скорость 800 м/с? Как где? На траектории полета!.. А вот и нет, а вот и нет! Нет у нее никакой траектории! И координаты нет. Теперь пуля вполне может оказаться в Антарктиде или на Луне. Возможен вариант: есть точная координата пули на траектории (в 30 см от ружейного ствола), но тогда нет точной скорости. То есть скорость может быть нулевой. Или бесконечной.
…Запускаем ракету. Какова ее скорость через секунду после старта? – Десять метров в секунду, товарищ полковник!.. – А где она? – А кто ее знает! Квантовая механика, товарищ полковник. Теперь уже непонятно…
И прав ведь товарищ полковник в своем справедливом возмущении! Действительно, что это за блажь такая? Не может Родина стрелять вслепую. А как же баллистика? Есть же такая наука – баллистика! И этой науке все равно, какой массы пуля – хоть 9 граммов, хоть тонна, хоть с электрон размером… Подставь в формулы, получишь результат – где пуля и что с ней в данный момент происходит. Увы! В микромире баллистика работать перестает. Как же тогда рассчитывать прицел?
А по вероятности. Есть так называемая волновая функция – она описывает «размазанную в пространстве вероятность» того, что в данной точке может оказаться электрон, вздумай мы его здесь поискать… Это ключевое выражение – «вздумай мы его поискать»! Если бы мы поискать электрон не вздумали, он был бы… где? Вот в ответе на этот вопрос и разошлись Бор с Эйнштейном. Эйнштейн считал, что электрон где-то, в каком-то определенном месте да был бы. Просто мы пока не можем точно рассчитать это место. Поэтому и предсказываем вероятностно. Бор полагал по-другому. Он считал, что, пока мы не интересуемся, где находится электрон, он в определенном месте и не находится. Он действительно размазан в пространстве! И размазанность эта намного превышает диаметр самого электрона. Это как если бы пуля, вылетев из ствола, превращалась в летящее облачко тумана. Электрон как бы летит по всем траекториям сразу. Но! Но если мы проведем замер, то обнаружим частицу на вполне определенной траектории, в конкретной точке. То есть если под «туманную пулю» мы подставим мишень, то в момент удара по мишени пуля тут же локализуется, превращается в обычную твердую пулю, которая делает в мишени маленькую дырку.
Первая мысль от подобного поведения элементарных частиц именно эйнштейновская – на самом деле электрон летит по вполне конкретной траектории, как пуля, просто мы ее не знаем, а можем лишь примерно, вероятностно определить – таков наш пока несовершенный математический аппарат. Второе впечатление от дурного поведения элементарных частиц – головокружительное, и более всего кружится голова от дикости происходящего, когда знакомишься со знаменитым двущелевым экспериментом.
Сейчас я его вкратце опишу. Волны, как вам известно, умеют складываться – и морские, и звуковые, и электромагнитные. Если встречаются две волны в противофазе, они гасят друг друга. А если в одной фазе – усиливают: растет амплитуда волны. Представьте себе набегающую на берег широким фронтом волну. Мы ставим на ее пути плотину с двумя щелями, расположенными неподалеку друг от друга. Через плотину волна не проходит, а через щели – проходит, разбегаясь от щелей двумя конусами в сторону берега. Волновые конусы возле берега встречаются, перекрываясь. И в тех местах, где амплитуды волн получаются синфазными, они складываются, и о берег бьют удвоенные волны. А там, где волны гасят друг друга, берег спокоен.
Такой же эксперимент, проведенный со световой волной, дает на экране (который здесь заменяет берег) так называемую интерференционную картину, то есть картинку сложения волн. Где световые волны складываются – там на экране яркие полосы света, а там, где вычитаются – темные полосы тени. Световая зебра.
Такой же эксперимент проводили не только с волнами, но и с частицами – электронами. Если бы электроны были большими, как, например, шарики от подшипников, никакой интерференции не получилось бы: шарики не волны, там нечему складываться – барабанили бы просто в мишень, образуя два пятна попаданий – от каждой щели по одному.
Но в микромире, как вам опять-таки известно, все частицы обладают свойствами волн. И наоборот – волны обладают свойствами частиц. И если двухщелевой эксперимент проводить с электронами, на экране образуется интерференционная картина – электроны ведут себя как волны. Получается зебра.
Когда я учился в школе, я думал, что интерференция электронов получается оттого, что электронов много – одни пролетают через левую щель, другие через правую, а за щелью как-то там складываются, взаимодействуют, и на экране получается интерференционная картина. Так многие думают. Но это не так. В эксперименте ученые запускали в установку по одному электрону. И наблюдали интерференционную картину! Что это значит? Это значит, что один электрон пролетал одновременно через две щели! И за экраном интерферировал – складывался сам с собой.
Неожиданный вывод, согласитесь. Сознание, которое привыкло относиться к электрону, как к малюсенькому шарику, противится такому поведению шарика. Один шарик не может пролететь сразу через две щели, как одна пуля не может лететь по двум траекториям сразу. Пуля не может, а электрон летит!
Слушайте, а если возле щели поставить какой-нибудь детектор, который определял бы, через какую щель «на самом деле» проскочил этот проныра? Отличная идея! Ставим детектор. Можно поставить два детектора – у каждой щели по одному, можно один – без разницы, ведь если детектор у нас стоит только у одной щели и он не фиксирует пролет электрона, значит, электрон пролетел через другую щель.
Ставим! Фиксируем! Да, электрон пролетает только через одну щель! Либо через правую, либо через левую! Ура! Но вот какой ужас – при этом интерференционная картинка пропадает! То есть как только мы начинаем знать, где пролетел электрон, как только он начинает вести себя в соответствии с нашими ожиданиями (как маленький шарик), так сразу волновая картина на экране пропадает!
Хитрые люди могут спросить: а как мы детектируем электрон – как узнаем, что он пролетел именно через эту щель? Ну, например, ставят фотонный детектор, и по рассеянию света делают вывод. «Ага! – воскликнет читатель, сторонник определенности, – Так вы забомбардировали несчастный электрон фотонами, а после удивляетесь, что он полностью изменил свое поведение! И еще сознание свое приплели зачем-то!»
Да, доля истины в этих рассуждениях есть. Если мы детектируем с помощью фотонов пулю (то есть попросту смотрим на ее полет, ловя глазами отраженные фотоны), то никак, конечно, на пулю мы этим не влияем. Во-первых, фотоны от пули и так отражаются, потому что Солнце светит, а во-вторых, что пуле фотон? Меньше, чем слону дробина! А вот электрончик – маленький, ему от фотонов больно. В микромире, чтобы получить информацию, мы воздействуем на объект сравнимыми с ним штуковинами. И, естественно, вносим при этом сильную помеху. Подставьте под пулю не фотоны, а сравнимую с ней вещь – деревянную щитовую мишень, например, и увидите, как повлияет это «измерение» на траекторию и скорость пули.
Но вот ведь какая штука… Если даже мы поставили всего один детектор на одну щель, и электрон не детектировался, то есть пролетел через другую щель, где его фотонами не бомбардировали, все равно интерференционная картина пропадает!.. Откуда электрон узнал, что его «секут» на второй щели? Квантовая механика объясняет это чудо так: та компонента (часть) волновой функции, которая подверглась бомбардировке фотонами, изменила поведение электрона – превратив его из туманного облачка в шарик, пролетевший в другую щель.
Бр-р-р… Что это еще за компонента такая? А это просто кусок формулы! Поведение электрона описывается формулой, как сумма возможных состояний. Упрощенно это можно записать так:
Состояние электрона = электрон пролетел через первую щель + электрон пролетел через вторую щель.
Или короче: Е = Ф1 + Ф2
где Е – функция электрона,
Ф1 – состояние электрона, соответствующее пролету через первую щель,
Ф2 – состояние электрона, соответствующее пролету через вторую щель.
То есть полностью поведение электрона описывается как сумма всех его возможных состояний. Это и есть знаменитая вол новая функция.
При измерении, то есть при воздействии или на «сам» электрон или на некую «виртуальную» его часть, то есть попросту на одно из формальных слагаемых в формуле, электрон локализуется в пространстве. То есть обретает в нем конкретное место взамен размазанного.
Еще раз, это важно: детектируя электрон, мы можем облучать фотонами не только его самого, пролетающего через щель, но и тот кусок формулы, которая «пролетает» (описывает пролет) через другую щель – эффект будет один! То есть, либо «живой» электрон пролетает через щель, и мы это прямо фиксируем детектором (интерференционная картина при этом пропадает), либо электрон пролетает через другую щель, где нет фотонного детектора, и мы облучаем фотонами ту часть электрона, которая не пролетает через эту щель (интерференционная картина при этом тоже пропадает).
Мистика какая-то, правда?
Вывод: воздействие локализует частицу. Она перестает описываться волновой функцией. И становится конкретной штукой в конкретном месте. Это называется редукцией волновой функции. Еще раз: редукция волновой функции – это когда мы путем воздействия на частицу превращаем ее из размазанного, вероятностного состояния в определенное. То есть измерение не выясняет истину, а присваивает частице эту истину.
Вот против чего так яростно выступал Эйнштейн. Ему вообще все это активно не нравилось. Неопределенность не нравилась… И он придумал, как эту неопределенность перехитрить.
Ладно, рассуждали Эйнштейн, Подольский и Розен – три героя, решившие перехитрить принцип неопределенности, – пусть мы не можем измерить у частицы импульс и координату одновременно. Но узнать можем! Это делается так.
Нужно «спутать» две частицы, чтобы их свойства были взаимосвязаны. Аналогия далекая, но тем не менее… Это, примерно, как в бильярде – бьем шаром по шару, шары разлетаются… Суммарный импульс шаров до соударения равен суммарному импульсу после соударения – простая механика, закон сохранения импульса, в школе проходят. То есть измерив импульс у одного шара, мы можем вычислить импульс другого, не измеряя его скорости.
Сталкиваем две частицы, они разлетаются, поделив импульс. Далее мы измеряем координату у первой частицы и импульс у второй. И таким образом узнаем и координату первой частицы (которую измерили непосредственно), и ее импульс (который просто вычислили, измерив импульс у второй частицы). Такова была схема мысленного эксперимента, предложенная троицей ЭПР.
Это было сильным ударом, от которого великий Бор покачнулся. Спор их в тот день закончился вничью. Бор назвал натяжкой рассуждения Эйнштейна. Эйнштейн полагал, что импульс, как объективная характеристика, уже имеется у частицы. И путем вычисления мы его узнаем. Бор же считал, что, пока мы импульс не измерили, приписывать частице конкретное значение импульса нельзя: импульс присваивается измерением, стало быть, мы не обманули неопределенность.
Много позже, а именно в 1960-е годы физик Джон Белл из швейцарского ЦЕРНа, размышляя над ЭПР-парадоксом, формализовал эту придуманную схему, написав некое математическое неравенство, которое позже назвали неравенством Белла. Из формулы вытекало, что если в эксперименте справедливость неравенства подтвердится, значит, прав Эйнштейн. Если не подтвердится – Бор.
Такой эксперимент удалось поставить только в 1982 году. Поставил его Ален Аспек. Результат эксперимента с двумя поляризованными фотонами неопровержимо показал: прав был Бор. Никакой «объективной физической реальности», о которой грезил Эйнштейн, в микромире не существует.Закономерный вывод: Незакрепленность. Мысль материальная. И все вокруг - лишь порождение нашего сознания. Что доказывает наука квантавая физика, и товарищ Бор в частности.
@темы:
наука,
размышления на вольные темы