Дэйв Голдберг - Вселенная в зеркале заднего вида. Был ли Бог правшой? Или скрытая симметрия, антивещество и бозон Хиггса

Итак, Алиса начинает работу с электроном, спин у которого направлен на 80 % вверх и на 20 % вниз, однако, если ее измерения показывают, что он направлен вверх, она конвертирует исходный электрон в электрон, спин у которого направлен на 100 % вверх. Физики называют это «коллапс волновой функции». Поскольку измерения Алисы могут дать лишь два варианта ответа — вверх или вниз — она никогда не получит ту смесь, какой обладал электрон изначально, а следовательно, у нее будет недостаточно информации, чтобы его телепортировать. То, что невозможно измерить систему, не изменив ее — общее правило. Вот как говорил об этом сам Гейзенберг:

Любой эксперимент разрушает часть знаний о системе, полученных в результате прошлых экспериментов.

А как вернуть эти знания? Оказывается, недостаток знаний не помешает нам телепортировать частицы. Просто нам надо разобраться, как распутать самые запутанные квантово-механические узлы.

На практике телепортатор — это скорее факс, чем луч из частиц. Чтобы это доказать, Алиса телепортирует один-единственный электрон своему приятелю Бобу.

В результате, когда дело сделано, Боб получает электрон, представляющий собой точную копию того, который отправляла Алиса, с точностью до всех подробностей квантового спина. Если мы не уточним все подробности спина, устройство для телепортации будет способно лишь превращать человека в груду химикалий размером с человека.

Однако, как мы видели, спин — штука хитрая. Алиса не может взять и измерить спин своего электрона, а потом позвонить Бобу и сказать: «Вверх». Измерение все изменит. К счастью, есть способ это обойти — а для этого придется пошпионить еще за двумя-тремя частицами.

Чтобы сгенерировать частицы-помощницы, Алиса и Боб должны начать с нестабильной частицы без спина, которая затем распадется на электрон и позитрон. Поскольку сначала у нас не было никакого спина, спин позитрона должен быть противоположным спину электрона: в сумме они дают ноль. Это очень простой пример феномена под названием «запутанность квантовых состояний». Результат измерения электрона автоматически скажет вам что-то о позитроне.

На первый взгляд кажется, будто запутанность — это тривиально. Считайте ее худшим фокусом на свете: я кладу в мешочек два стеклянных шарика, черный и белый. Если мы с вами вслепую вытащим из мешочка по шарику, а потом я разожму кулак и увижу, что мой шарик черный, я буду точно знать , что ваш белый. Вуаля!

Знаменитый афоризм Эйнштейна гласит: «Бог не играет в кости». При этом Эйнштейн имел в виду (как оказалось, ошибочно), что спины электрона ведут себя точно так же, как черные и белые шарики. Никакой случайности, утверждал Эйнштейн, просто информация, которой мы не располагаем.

То, что Эйнштейну так претила мысль об игре в кости, объяснялось не только тем, что квантовая механика случайна, но и тем, что она, судя по всему, нелокальна. Специальная теория относительности учит, что мы не можем превзойти скорость света, не рискуя нарушить причинно-следственные связи, однако на первый взгляд запутанность квантовых состояний предполагает обратное.

С другой стороны, если принять, что (1) спин Алисиного позитрона фундаментально случаен и (2) Боб и Алиса, как бы далеко друг от друга они ни находились, всегда будут отмечать противоположные спины, единственный логичный вывод состоит в том, что какой-то сигнал распространяется быстрее скорости света. Для Эйнштейна налаживание коммуникации со скоростью больше скорости света было затеей абсолютно безнадежной, поэтому он сделал вывод, что должно быть что-то такое — он назвал это «скрытым параметром», — что заранее программирует электрон и позитрон и заставляет их координироваться так, чтобы их спины всегда были противоположны. А иначе откуда они знают, у кого какой спин?!

Сомнения Эйнштейна оставались без ответа до 1980‑х годов, когда французский физик Ален Аспе и его коллеги экспериментально показали, что никакой программы, регулирующей поведение запутанных частиц, быть не может, даже очень сложной.

Вообще-то на такой результат никто не рассчитывал, в том числе и Джон Белл, физик, заложивший теоретическую основу для экспериментов Аспе:

Мне казалось, что предположить, что фотоны [82] До сих пор мы говорили об электронах, но запутать можно все что угодно, в том числе и фотоны. в этих экспериментах несут какие-то заранее согласованные программы, определяющие их поведение, — это очень разумно. Это так рационально, что мне казалось, будто когда Эйнштейн это видел, а все остальные нет, это он вел себя рационально. А все остальные втыкали голову в песок — однако история их оправдала.