Geum.ru

Ткань космоса: Пространство, время и структура реальности

Вид материалаДокументы
Подобный материал:
1   ...   10   11   12   13   14   15   16   17   ...   66


Эйнштейн, вечный скептик в отношении квантовой механики, вместе со своими коллегами, Подольским и Розеном, попытался использовать этот аспект квантовой механики как оружие против самой теории. ЭПР утверждали, что даже если квантовая механика не позволяет одновременно определить такие свойства, частицы, тем не менее, должны иметь определенные значения положения и скорости; частицы должны иметь определенные значения спина относительно всех осей; частицы должны иметь определенные значения для всех величин, запрещенных квантовой неопределенностью. ЭПР, таким образом, утверждали, что квантовая механика не может контролировать все элементы физической реальности – она не может управиться с положением и скоростью частицы; она не может управиться со спином частицы относительно более чем одной оси – и, следовательно, это неполная теория.


Долгое время проблема того, правы ли ЭПР, казалась вопросом больше метафизики, чем физики. Как говорил Паули, если вы не можете реально измерить свойства, запрещенные квантовой неопределенностью, то какую разницу может вообще принести то, что они, тем не менее, существуют в некотором скрытом изгибе реальности? Но, на удивление, Джон Белл нашел нечто, что скрылось от Эйнштейна, Бора и других гигантов теоретической физики двадцатого столетия: он нашел, что простое существование определенных вещей, даже если они находятся за пределами явного измерения или определения, вносит различие – различие, которое можно отследить экпериментально. Белл показал, что если ЭПР были правы, результаты, полученные двумя далеко разнесенными в пространстве детекторами, измеряющими определенные свойства частиц (спин относительно различных случайно выбранных осей в рассмотренной нами схеме), будут согласовываться более чем в 50 процентах случаев.


Белл получил свой результат в 1964 году, но в то время не существовала технология, чтобы провести требуемые эксперименты. В начале 1970х она появилась. Сначала в работах Стюарта Фридмана и Джона Клаузера из Беркли, затем в работах Эдварда Фрая и Рэндалла Томпсона в Техасском Университете А&М и, как кульминация, в начале 1980х в работе Алана Аспекта и сотрудников, работавших во Франции, были проведены все более совершенные и впечатляющие версии этих экспериментов. В эксперименте Аспекта, например, два детектора располагались на расстоянии 13 метров, а контейнер с возбужденными атомами кальция был посередине между ними. Хорошо известная физика показывает, что каждый атом кальция, возвращаясь в свое нормальное, низкоэнергетическое состояние, испускает два фотона, разлетающиеся спина к спине, чьи спины полностью скоррелированы, точно так же как в обсуждавшемся нами примере с коррелированными спинами электронов. В самом деле в эксперименте Аспекта всякий раз, когда настройки детекторов были одинаковы, два фотона после измерения имели спины, полностью выстроенные в одном направлении. Если к детекторам Аспекта подключался свет, вспыхивающий красным в ответ на спин по часовой стрелке и синим в ответ на спин против часовой стрелки, входящие фотоны вызывали указанные вспышки детекторов с указанными цветами.


Итак, и в этом ключевой момент, когда Аспект исследовал данные от большого числа повторений экперимента – данные, в которых левый и правый детекторы настраивались не всегда одинаково, напротив, изменялись независимо и хаотично от эксперимента к эксперименту, – он нашел, что показания детекторов не согласуются более чем в 50 процентах случаев.


Этот результат был подобен землетрясению. Это один из тех результатов, от которых перехватывает дыхание. Но в случае, если с вами этого не произошло, позвольте мне объяснить дальше. Результат Аспекта показал, что Эйнштейн, Подольский и Розен были опровергнуты экспериментом – не теорией, не размышлениями, но самой природой. И это означало, что имеется нечто неправильное в аргументации ЭПР, использованной для заключения, что частицы обладают определенными значениями величин – вроде величины спина относительно определенных осей, – для которых определенные значения запрещены принципом неопределенности.


Но где они могли ошибиться? Вспомним, что аргументы Эйнштейна, Подольского и Розена держались на одном центральном предположении: в данный момент времени вы можете определить свойства объекта путем эксперимента, проводимого с другим, пространственно удаленным объектом, так что первый объект должен иметь эти свойства все время. Их обоснование для этого предположения было простым и полностью здравым. Ваши измерения проводятся здесь, тогда как первый объект удален и находится там. Два объекта пространственно разделены, поэтому ваше измерение не может оказать какое-либо влияние на первый объект. Более точно, поскольку ничто не двигается быстрее, чем скорость света, если ваши измерения над одним объектом некоторым образом повлекли изменения в другом объекте, – например, заставили другой объект принять идентичное первому вращательное движение относительно выбранной оси, – должна быть задержка перед тем, как это может произойти, задержка, как минимум, на такое время, которое потребуется свету, чтобы преодолеть дистанцию между двумя объектами. Но как в наших абстрактных рассуждениях, так и в реальном эксперименте, две частицы исследовались детекторами в одно и то же время. Следовательно, что бы мы не изучали по поводу первой частицы путем измерения второй, должно быть свойство, которым первая частица обладает полностью независимо от того, проводили ли мы эксперимент вообще. Короче говоря, ядро аргументов Эйнштейна, Подольского и Розена состоит в том, что объект, удаленный отсюда, не ощущает, что вы делаете с другим объектом тут.


Но, как мы уже видели, этот аргумент приводит к предсказанию, что детекторы должны находить одинаковые результаты более чем в половине случаев, предсказанию, которое было опровергнуто экспериментом. Мы вынуждены заключить, что предположение, сделанное Эйнштейном, Подольским и Розеном, не важно, насколько оно кажется правдоподобным, не может иметь отношения к функционированию нашей квантовой вселенной. Так что, через эту косвенную, но аккуратно рассмотренную аргументацию эксперименты привели нас к заключению, что удаленный отсюда объект должен чувствовать, что вы делаете здесь с другим объектом.


Даже если квантовая механика показывает, что частица хаотически получает то или иное свойство во время измерения, мы изучили, что хаотичность может быть связанной через пространство. Пары подходящим образом приготовленных частиц – они называются запутанными частицами – не получают свои измеряемые характеристики независимо. Они похожи на два комплекта магических игральных костей, из которых один брошен в Атлантик Сити, а другой в Лас Вегасе, каждый комплект хаотически показывает то или иное число, однако эти числа всегда каким-то образом оказываются равными. Запутанные частицы действуют сходным образом, исключая то, что им не нужна магия. Запутанные частицы, даже если они пространственно разделены, не действуют автономно.


Эйнштейн, Подольский и Розен намеревались показать, что квантовая механика обеспечивает неполное описание вселенной. На полстолетия позже теоретические построения и экспериментальные результаты, инспирированные их работой, потребовали от нас повернуть их анализ к его цели и заключить, что наиболее основная, интуитивно убедительная, классически осмысленная часть их аргументов ошибочна: вселенная нелокальна. Вывод в том, что то, что вы делаете в одном месте, может быть связано с тем, что происходит в другом месте, даже если ничто не передвигается между двумя местоположениями – даже если нет достаточно времени для чего-либо, чтобы завершить перемещение между двумя местами. Интуитивно привлекательное предположение Эйнштейна, Подольского и Розена, что такие дальнодействующие корреляции возникают просто вследствие того, что частицы имеют определенные, существующие заранее, скоррелированные свойства, исключается данными опыта. Это и делает результат настолько шокирующим.[14]


В 1997 году Николас Гизин и его ко в Женевском университете провели версию эксперимента Аспекта, в которой два детектора были удалены друг от друга на 11 километров. Результат не изменился. На микроскопических масштабах длин волн фотонов 11 километров это великанская величина. Она может с тем же успехом быть равной 11 миллионам километров – или 11 миллиардам световых лет. Имеются все основания верить, что корреляции между фотонами будут сохраняться не зависимо от того, как далеко разнесены детекторы.


Это звучит совершенно странно. Но теперь есть непреодолимая очевидность этой так называемой квантовой запутанности. Если два фотона запутаны, успешное измерение спина любого фотона относительно одной оси "заставляет" другой, удаленный фотон иметь такой же спин относительно той же оси; акт измерения одного фотона "вынуждает" другой, возможно, удаленный фотон схлопнуться из тумана вероятности и принять определенное значение спина – значение, которое в точности равно спину его удаленного компаньона. И это поражает разум.*


(*)"Многие исследователи, включая меня, верят, что аргументы Белла и эксперимент Аспекта убедительно устанавливают, что наблюдаемые корреляции между далеко разнесенными частицами не могут быть объяснены рассуждениями, использованными выше Скалли, – рассуждениями, которые приписывают корреляциям не больше неожиданности, чем частицам, имеющим приобретенные, определенные, скоррелированные свойства, когда они (первоначально) находятся вместе. Другие пытаются уклониться или преуменьшить ошеломляющее заключение о нелокальности, к которому это нас привело. Я не разделяю их скептицизм, но некоторые работы для широкого круга читателей, в которых обсуждаются некоторые из таких альтернатив, цитируются в разделе комментариев."[15]


Запутанность и СТО: стандартный взгляд


Я выше поместил слова "заставляет" и "вынуждает" в кавычки, поскольку, в то время как они передают ощущения, вытекающие из нашей классической интуиции, их точный смысл в этом контексте важен для определения того, насколько мы должны быть потрясены. Со своими повседневными значениями эти слова вызывают в мыслях образ волевой причинности: мы выбираем нечто, что сделаем здесь, так что это вызовет пробуждение особого чего-то, что случится там. Если это правильное описание того, как два фотона взаимосвязаны, СТО повесится. Эксперименты показывают, что с точки зрения экспериментатора в лаборатории в точный момент, когда измеряется спин одного фотона, другой фотон немедленно начинает обладать тем же самым спиновым свойством. Если нечто переходит от левого фотона к правому фотону, предупреждая правый фотон, что спин левого фотона был определен через измерение, то оно будет перемещаться между фотонами мгновенно, что противоречит установленному СТО пределу скорости.


Среди физиков достигнут консенсус, что любой такой кажущийся конфликт с СТО иллюзорен. Интуитивная причина в том, что даже если два фотона пространственно разделены, их общее происхождение устанавливает фундаментальную связь между ними. Хотя они удаляются друг от друга и становятся пространственно разделенными, их история оплетает их; даже когда они разнесены в пространстве, они являются частью одной физической системы. Раз так, в действительности нет того, что измерение одного фотона заставляет или вынуждает другой удаленный фотон принять идентичные свойства. Скорее, два фотона так тесно связаны, что оправдано рассматривать их – даже если они пространственно разделены – как части одной физической сущности. Тогда мы можем сказать, что одно измерение этой единой сущности – сущности, содержащей два фотона, – воздействует на эту сущность; то есть, оно воздействует на оба фотона сразу.


Хотя этот образ может сделать связь между фотонами немного легче для усвоения, как указано, она неуловимая – что же в действительности означает сказать, что две пространственно разделенные вещи суть одна? Более точное обсуждение следующее. Когда СТО говорит, что ничто не может двигаться быстрее, чем скорость света, "ничто" обозначает привычную материю или энергию. Но случай, рассматриваемый нами, более тонкий, так как не возникает ситуации, что любая материя или энергия путешествует между двумя фотонами, так что тут нет ничего, чью скорость мы могли бы измерить. Тем не менее, есть способ изучить, не вступили ли мы неосторожно в конфликт с СТО. Общим для материи и энергии свойством является то, что они, переносясь с места на место, могут передавать информацию. Фотоны, путешествуя от радиопередающей станции к вашему приемнику, переносят информацию. Электроны, путешествуя через кабели Интернета к вашему компьютеру, переносят информацию. В любой ситуации, где нечто – даже нечто неидентифицированное – подразумевается движущимся быстрее скорости света, безошибочным тестом будет спросить, передает ли оно или, как минимум, может ли оно передавать информацию. Если ответ нет, проходят стандартные рассуждения, что ничто не превышает скорости света и СТО остается неоспоренной. На практике этот тест физики часто применяют для определения, не нарушает ли некоторый тонкий процесс законы СТО. (Ничто не пережило этот тест). Применим его и здесь.


Есть ли в нашем случае какой-либо способ, чтобы при измерении спина летящего налево и летящего направо фотона относительно некоторой данной оси мы могли бы послать информацию от одного к другому? Ответ нет. Почему? Ну, выходные данные, найденные в любом детекторе, левом или правом, есть ничто иное как случайная последовательность результатов, соответствующих ориентации спина по и против часовой стрелки, поскольку при любом данном эксперименте имеется одинаковая вероятность, что частица будет закручена одним образом или другим. Вы не можете проконтролировать или предсказать никаким способом результат любого отдельного измерения. Поэтому нет сообщения, нет скрытого кода, нет какой бы то ни было информации в любом из этих двух случайных списков. Единственная интересная вещь, относящаяся к этим двум спискам, это то, что они идентичны – но это невозможно распознать, пока оба списка не доставлены друг к другу и не подвергнуты сравнению некоторым традиционным более-медленным-чем-свет способом (факс, электронная почта, телефонный звонок и т.п.). Таким образом, стандартное обсуждение приводит к заключению, что хотя измерение спина фотона вызывает мгновенное воздействие на другой фотон, при этом не передается информация от одного к другому, и лимит скорости СТО остается в силе. Физики говорят, что результаты измерения спинов скоррелированы, поскольку списки идентичны, – но не находятся в традиционном причинно-следственном соотношении, поскольку ничто не перемещается между двумя разделенными пространством местами.


Запутанность и СТО: противоположный взгляд


Так ли это? Разрешен ли полностью потенциальный конфликт между нелокальностью квантовой механики и СТО? Ну, возможно. На основании предыдущих рассмотрений большинство физиков обобщают их, произнося слова, что имеется гармоничное сосуществование между СТО и результатами Аспекта по запутанным частицам. Короче говоря, СТО уцелела, оставив кусок шкуры в их зубах. Многие физики находят это убедительным, но другие имеют навязчивое чувство, что это еще не конец истории.


По-хорошему, я всегда разделял сосуществующие взгляды, но нельзя отрицать, что проблема деликатная. В конце концов, не имеет значения, какие красивые слова кто-то использовал или какой недостаток информации кто-то подчеркивал, две далеко разнесенные в пространстве частицы, каждая из которых управляется хаотичностью квантовой механики, каким-то образом находятся полностью "в соприкосновении", так что, что бы одна ни делала, другая мгновенно сделает то же. И это, кажется, наводит на мысль, что между ними действует некоторый вид чего-то, более-быстрого-чем-свет.


Где же мы остановились? Тут нет жесткого, универсально признанного ответа. Некоторые физики и философы предполагают, что прогресс тесно связан с нашим осознанием, что центр дискуссии несколько потерялся: действительное ядро СТО, ее правильное указание заключается не столько в том, что свет устанавливает лимит скорости, сколько в том, что скорость света есть нечто, с чем согласны все наблюдатели, независимо от их собственного движения.[16] Более общо, эти исследователи подчеркивают, что центральный принцип СТО заключается в отсутствии преимущественной точки наблюдения, выделенной среди всех других. Так что они предполагают (и многие согласны), что если эквивалентная трактовка всех движущихся с постоянной скоростью наблюдателей может быть согласована с экпериментальными результатами по запутанным частицам, напряженность с СТО будет разрешена.[17] Но достижение этой цели есть нетривиальная задача. Чтобы увидеть это конкретно, подумаем о том, насколько хорошо старомодный учебник квантовой механики объясняет эксперимент Аспекта.


В соответствии со стандартной квантовой механикой, когда мы проводим измерение и находим, что частица здесь, мы заставляем ее вероятностную волну измениться: предыдущий набор потенциальных исходов редуцируется к одному действительному результату, который и находит наше измерение, как проиллюстрировано на Рис. 4.7. Физики говорят, что измерение заставило вероятностную волну сколлапсировать, и они усматривают, что чем больше была начальная вероятностная волна в некотором месте, тем больше вероятность, что волна сколлапсирует в эту точку – это значит, что тем больше вероятность, что частица будет найдена в этой точке. В стандартном подходе коллапс происходит мгновенно через целую вселенную: раз вы нашли частицу здесь, то надо думать, что вероятность ее обнаружения где-нибудь еще немедленно падает до нуля, и это отражается в мгновенном коллапсе вероятностной волны.


В эксперименте Аспекта, когда измерялся и был найден спин летящего налево фотона, скажем, ориентированный по часовой стрелке относительно некоторой оси, это схлопнуло его вероятностную волну через все пространство, мгновенно установив ориентированную против часовой стрелки часть спина равной нулю. Поскольку этот коллапс происходит где угодно, он происходит также и в точке летящего направо фотона. И, возвращаясь, это воздействует на ориентированную против часовой стрелки часть вероятностной волны летящего направо фотона, заставляя ее сколлапсировать до нуля тоже. Так что не имеет значения, как далеко находится летящий направо фотон от летящего налево фотона, его вероятностная волна мгновенно подвергнется воздействию от изменения вероятностной волны летящего налево фотона, обеспечив, что он имеет тот же спин вдоль выбранной оси, как и летящий налево фотон. Тогда в стандартной квантовой механике есть это <Надпись: Измерение> мгновенное изменение вероятностной волны, которое отвечает за влияние, более-быстрое-чем-свет.


Рис 4.7 Когда частица наблюдается в некотором положении, вероятность найти ее в любом другом положении падает до нуля, поскольку ее вероятность поднимается до 100 процентов в положении, где она наблюдается.


Математика квантовой механики делает это качественное обсуждение точным. И действительно, дальнодействующие воздействия, возникающие из коллапсирующих вероятностных волн, изменяют предсказание того, как часто левый и правый детекторы Аспекта (когда их оси выбираются хаотично и независимо) будут показывать одинаковые результаты. Чтобы получить точный ответ, необходим математический расчет (смотрите секцию [18] комментариев, если вы интересуетесь), но когда математика сделана, она предсказывает, что показания детекторов должны совпадать точно в 50 процентах случаев (вместо предсказанного согласия более чем в 50 процентах случаев – результат, как мы видели, найденный с использованием гипотезы ЭПР о локальной вселенной). С впечатляющей точностью это тот самый результат, который нашел Аспект в своих экспериментах, 50-ти процентное согласие. Стандартная квантовая механика впечатляюще соответствует данным опыта.


Это эффектный успех. Тем не менее, здесь имеется загвоздка. После более чем семи десятилетий никто не понимает, как в действительности происходит коллапс вероятностной волны или даже происходит ли. На протяжении лет предположение, что вероятностные волны коллапсируют, подтверждалось убедительной связью между вероятностями, которые предсказывает квантовая теория, и определенными результатами, которые показывают эксперименты. Однако это предположение чревато загадками. С одной стороны, коллапс не возникает из математики квантовой теории; он вводится руками, и нет согласованного или экспериментально подтвержденного пути сделать это. С другой стороны, как это возможно, что путем нахождения электрона в вашем детекторе в Нью-Йорке вы вынудите электронную вероятностную волну в галактике Андромеды мгновенно схлопнуться до нуля? Согласитесь, раз уж вы нашли частицу в Нью-Йорке, она определенно не будет найдена в Андромеде, но какой неизвестный механизм заставляет произойти это с такой впечатляющей оперативностью? Как, образно говоря, часть вероятностной волны в Андромеде и во всех других местах "узнает", что надо мгновенно схлопнуться до нуля?[19]


Мы продолжим рассмотрение этой квантовомеханической проблемы в Главе 7 (и, как мы увидим, имеются иные предложения, которые совсем обходятся без идеи о коллапсе вероятностной волны), а здесь достаточно заметить, что, как мы обсуждали в Главе 3, нечто одновременное с одной точки зрения, является не одновременным с другой точки зрения, движущейся относительно первой. (Вспомните Итчи и Скрэтчи, устанавливающих свои часы на движущемся поезде). Так что, если вероятностная волна подверглась одновременному коллапсу по всему пространству по мнению одного наблюдателя, она не подвергнется такому одновременному коллапсу по мнению другого наблюдателя, который находится в движении. По существу, в зависимости от своего движения, некоторые наблюдатели сообщат, что левый фотон был измерен первым, тогда как другие наблюдатели с равной достоверностью сообщат, что правый фотон был измерен первым. Поэтому, даже если идея коллапса вероятностной волны правильна, не может быть объективной истины по поводу того, какое измерение – левого или правого фотона – воздействовало на другой. Так что коллапс вероятностных волн, кажется, выбирает одну точку отсчета как специальную – одну, относительно которой коллапс происходит одновременно во всем пространстве, одну, относительно которой левое и правое измерения происходят в один и тот же момент. Но выбор специальной системы отсчета создает существенное противоречие с универсальным ядром СТО. Были сделаны предложения, чтобы обойти эту проблему, но продолжаются споры по поводу того, какие из них успешны, если это вообще имеет место.[20]