27 сентября 1972 года ученые провели первую проверку неравенства Белла. В конце концов, Бог играет в кости со Вселенной.
Одним из наиболее загадочных и противоречивых аспектов квантовой физики является очевидная связь между детерминизмом и измерением. Произведите точное измерение квантового состояния вашей частицы , ее спина, ее положения или того, через какую щель она прошла , и вы точно определите это свойство. Выберите не проводить это измерение, и это свойство будет неопределенным. Измерять или не измерять, ошеломляюще, приводит к разным экспериментальным результатам.
Может ли это быть правдой? Может ли во Вселенной существовать фундаментальная случайность: индетерминизм, присущий самой природе? Из поколения в поколение ученые спорили о том, означает ли способность предсказывать только вероятности результатов квантовую механику неполнотой. Было ли в природе нечто большее, чем все, что мы можем видеть? Вот история о том, как с помощью искусно спланированных и тщательно проведенных экспериментов мы узнали ответ.
Квантовая запутанность - это идея о том, что вы можете создать две квантово-механические частицы со связанными, но неопределенными свойствами. Если у вас есть только одна из частиц, она будет вести себя точно так же, как должна вести себя отдельная квантовая частица: действовать как волна или частица в зависимости от обстоятельств, с определенными или неопределенными свойствами в соответствии с историей ее измерений. Однако если у вас есть обе частицы - или если у вас есть одна, а у другого наблюдателя есть другая - , вы обнаружите, что результаты одной не полностью независимы от результатов другой. Даже если вы разнесете их на произвольное расстояние и произведете измерения одновременно (в любой конкретной системе отсчета), результаты все равно будут отображать эти квантовые корреляции.
Это то, что Эйнштейн назвал «жутким действием на расстоянии».
Жуткость заключается в следующем: если вы проводите измерение одной частицы, вы определяете ее квантовое состояние из массива потенциальных возможностей. Но вы также определяете (или, по крайней мере, ограничиваете) результат другой частицы, мгновенно, даже если эта частица находится где-то далеко во Вселенной.
Если вам это кажется нарушением теории относительности, вы не одиноки. Это было самой тревожной частью квантовой физики для Эйнштейна, первооткрывателя теории относительности. Информация не передается от одной частицы к другой, но корреляции по-прежнему реальны. Даже если вы сделаете эти измерения быстрее, чем теория относительности позволит передать сигнал, эффекты запутанности все равно проявятся.
Большая надежда Эйнштейна (и других), указывая на эту загадку, заключалась в том, что квантовая механика может оказаться неполной. Возможно, в основе реальности лежат невидимые нам переменные, определяющие эти, казалось бы, неопределенные квантовые состояния, и этот парадокс приведет нас туда. Эйнштейн вместе со своими сотрудниками Борисом Подольским и Натаном Розеном опубликовал научную статью, в которой количественно выразил поэтическое утверждение: «Бог не играет в кости со Вселенной».
Если бы в основе реальности лежали скрытые переменные, возможно, они могли бы стать решением этой загадки. Ключевым моментом будет разработка эксперимента, способного определить, каковы были предсказания скрытой переменной реальности, и если и как они отличаются от стандартной квантовой картины.
В 1964 году физик Джон Стюарт Белл разработал мысленный эксперимент, чтобы решить именно эту проблему, используя пары запутанных частиц. Если бы существовали скрытые переменные, определяющие реальность, они подчинялись бы классическим, а не квантовым законам. Белл был первым, кто количественно оценил, чем предсказания локального реализма и предсказания квантовой механики будут отличаться, как показано на запутанных парах частиц.
Использование одной пары не годится; вам придется взять большую выборку пар и провести их статистический анализ. Но, например, если вы попытаетесь измерить спины поляризации (+ или -) двух запутанных фотонов, предсказания для локального реализма и квантовой механики будут зависеть от угла, под которым ориентирован фотонный поляризатор. Но их зависимости немного отличаются друг от друга.
Первое испытание было проведено 27 сентября 1972 года Стюартом Дж. Фридманом и Джоном Ф. Клаузером. Хотя эксперимент, который они провели, был несколько более примитивной версией, чем современные эксперименты, он был монументальным для демонстрации того, что на самом деле существует разница в предсказаниях между детерминированной, локальной и реальной интерпретацией того, что мы рассматриваем как квантовую неопределенность. по сравнению со стандартными квантовыми предсказаниями.
Вы устанавливаете поляризатор под разными углами, отправляете множество наборов запутанных пар вниз и измеряете их поляризацию. Отношения четырех возможных исходов (+ +, + -, - + и - -) позволяют измерить, насколько коррелированы или антикоррелированы эти запутанные пары. Как показали эксперименты, квантовая механика верна, а варианты, выдвинутые Эйнштейном и его единомышленниками, - нет.
Да; даже ваши величайшие научные герои могут ошибаться, и они также могут ошибаться поразительно. Научные идеи оцениваются только по их достоинствам, а не по влиянию того, кто их выдвинул.
На сегодняшний день все тесты квантовой механики согласуются с обычными квантовыми предсказаниями, а не с детерминированным вариантом. Уверенность была увеличена до более чем 99,999999% уровня, что локальные скрытые переменные исключены, и любая закулисная физика должна быть невероятно контринтуитивной, чтобы объяснить Вселенную, которую мы видим сегодня.
Но сама квантовая физика противоречит здравому смыслу. Выступая в 1985 году, Белл сам обсуждал возможный способ управления Вселенной скрытыми переменными, известный сегодня как супердетерминизм:
Есть способ избежать выводов о сверхсветовых скоростях и жутких действиях на расстоянии. Но это предполагает абсолютный детерминизм во Вселенной, полное отсутствие свободы воли. Предположим, что мир сверхдетерминирован, и не только неживая природа работает по закулисному часовому механизму, но и наше поведение, включая нашу веру в то, что мы свободны выбирать один эксперимент, а не другой, абсолютно предопределено, включая решение экспериментатора провести один набор измерений, а не другой, трудность исчезает. Нет необходимости в сигнале со скоростью выше скорости света, чтобы сообщить частице А, какое измерение было проведено для частицы В, потому что Вселенная, включая частицу А, уже «знает», каким будет это измерение и его результат.
Квантовая механика - одна из самых философски глубоких и противоречивых идей, с которыми когда-либо сталкивалось человечество. Она выдержала испытание временем не из-за своей красоты, элегантности или убедительности теории, а скорее потому, что ее результаты согласуются с экспериментом. Квантовая физика была принята очень многими учеными неохотно из-за того, насколько ее правила расходятся не только с нашим собственным опытом, но и с одной из великих научных идей: мы можем изучить законы природы, чтобы делать точные предсказания о наших собственных действиях. будущее. У нашей предсказательной способности есть фундаментальный предел, и этот предел диктует квантовая физика.
Физика не в том, чтобы заставить вас чувствовать себя комфортно во Вселенной; его роль заключается в описании реальности. В этом квантовая физика добилась беспрецедентного успеха. Но с философской точки зрения то, что Бор сказал много лет назад: «Кто не шокирован квантовой теорией, тот ее не понял», - по-прежнему верно.