Нелокальность — удивительное явление окружающего нас мира, противоречащее нашему интуитивному восприятию пространства (и времени), которому мы принадлежим. «Природа в большинстве случаев подчиняется локальности, как это и должно быть, раз мы существуем, но все же намекает на то, что она нелокальна в своих глубинных основах», — пишет Джордж Массер, автор книги «Нелокальность: Феномен, меняющий представление о пространстве и времени, и его значение для черных дыр, Большого взрыва и теорий всего», выпущенной издательством «Альпина нон-фикшн» в русском переводе Вячеслава Ионова и Марии Томс. Предлагаем читателям N + 1 ознакомиться с фрагментом из книги Массера.
Многообразие видов нелокальности
Лаборатория Энрике Гальвеза в Университете Колгейта размером примерно с гараж на пару машин и, как и большинство гаражей, забита всякой всячиной. Вдоль стен расположены столы, заставленные ящиками с инструментами, неисправными в той или иной мере электронными устройствами, а слева от входа находится самый часто используемый аппарат — кофеварка. В середине комнаты стоит пара оптических скамей: очень прочные стальные платформы размером с обеденный стол, покрытые сетью отверстий для закрепления зеркал, призм, линз и фильтров. «Как будто снова играешь в конструктор», — говорит Гальвез, веселый перуанец, который сильно напоминает Эла Франкена.
Если кто и взял на себя задачу показать миру, как выглядит квантовая запутанность, так это Гальвез. Запутанность — это наиболее известный тип нелокальности из тех, что наблюдались современными физиками, и именно он пугал Эйнштейна. Слово entanglement («запутанность») в английском языке имеет коннотации романтической связи: особые и, возможно, мучительные взаимоотношения. Две запутанные друг с другом частицы не в прямом смысле сплетаются, как клубки пряжи, скорее между ними существует особая связь, для которой пространство не имеет значения. Вы можете наблюдать это явление, создавая, отклоняя и измеряя лучи света — не обычные лучи от фонарика, а пучки запутанных фотонов. В первых версиях этого эксперимента, проведенных в 1970-х гг. в Беркли и в Гарварде, были задействованы хитроумные изобретения «безумных ученых» вроде раскаленных печей, штабелей оконных стекол и грохочущих телетайпов. Гальвез воспользовался Blue-ray лазерами и оптоволокном для того, чтобы уменьшить размеры установки, так что теперь она умещается на школьной парте.
Большинство знакомых мне физиков-экспериментаторов в глубине души изобретатели, которых хитроумные устройства приводят в восторг не меньше, чем тайны Вселенной. Один экспериментатор из Центра квантовых технологий в Сингапуре сказал мне, что в его лаборатории студенты-новички должны пройти особый тест. В нем нет ни одного вопроса по физике. Студентам предлагают рассказать, случалось ли им разобрать какой-нибудь бытовой прибор и собрать его обратно до того, как домашние узнавали об этом. Похоже, что стиральные машины пользуются в этом смысле успехом. Что касается Гальвеза, то его детской страстью была химия: ее взрывоопасная разновидность. Он провел детство в Лиме, в районе, где жили люди среднего достатка, и однажды с друзьями попытался сделать порох. У них получилась только дымовуха, что, возможно, и к лучшему. «Получилось намного веселее, чем какие-то взрывы, — вспоминает Гальвез. — Наверное, это было не очень безопасно».
По словам Гальвеза, он стал поборником нелокальности практически случайно. Как и большинство физиков, он не слишком задумывался об этом явлении до конца 1990-х гг., когда один коллега заглянул к нему в кабинет с весьма волнующими новостями: австрийский физик Антон Цайлингер и его товарищи по лаборатории использовали запутанность для телепортации частиц из одного места в другое. Телепортация?! Ни один поклонник «Звездного пути» не мог остаться равнодушным. Хотя группа Цайлингера телепортировала всего лишь отдельные фотоны, а не десантный отряд космических кораблей, восторг от этого события затмил все, что было связано с дымовухами. Причем методика была простой. Предположим, вы хотите телепортировать фотон из левой половины лаборатории в правую. Сначала вы подготавливаете телепорты, создавая пару запутанных фотонов и помещая один в одной половине лаборатории, а другой во второй половине. После этого вы берете фотон, который хотите перенести, и организуете его взаимодействие с левой частицей. Поскольку запутанные частицы находятся в особой связи друг с другом, это взаимодействие сразу же проявляется справа, что позволяет фотону там воссоздаться. (Некоторые придираются к словам и спорят, действительно ли можно называть этот процесс телепортацией. Они считают, что по смыслу это больше похоже на «кражу личности». Экспериментаторы лишают левую частицу ее свойств и навязывают их правой частице. Но частица — это всего лишь сумма ее свойств, так что эти два описания эквивалентны.)
У Гальвеза с коллегой уже имелось все необходимое оборудование, и вскоре они тоже перемещали частицы по своей лаборатории. «Мы пытались понять телепортацию просто ради интереса», — говорит Гальвез. Другой коллега предложил им придумать такой эксперимент с запутанностью, который могли бы повторить даже слушатели курса физики для лириков. В нем не происходит телепортации, но выполняется первый и самый важный этап этого процесса, а именно: создаются и распределяются запутанные фотоны. Хотя установка кажется теперь очень простой, группа ученых билась над ней два года. Гальвез организовал летние семинары для ALPhA, ассоциации физического образования, чтобы показать преподавателям, как проводить этот эксперимент, а также опубликовал свои инструкции онлайн, чтобы любители делать все своими руками могли создавать запутанные частицы у себя в подвалах. Бывший президент ALPhA Дэвид ван Баак восклицает: «Мы давно прошли ту стадию, когда [изучение] запутанности было исключительно делом университетов. Оно становится массовым».
В тот день, когда я посетил лабораторию Гальвеза, одна из оптических скамей была отдана под эксперимент по изучению запутанности, цель которого заключалась не только в демонстрации запутанности, но и в исследовании возможной причины этого явления. Мне кажется, что установка по существу является высокотехнологичной машиной Руба Голдберга для подбрасывания монет. Они падают орлом или решкой в зависимости от того, проходят через фильтр или нет. Система настроена таким образом, что вероятность пройти его — 50 на 50, как в случае подбрасывания правильной монеты. В сущности, план такой: создать пару таких монет, подбросить их одновременно, посмотреть, какой стороной они упадут, создать еще одну пару, подбросить ее и т. д. Повторить опыт несколько тысяч раз и собрать статистику. Кажется, что мы тратим много усилий ради предсказуемого результата, пока не вспомнишь о том, что разговор идет о квантовых монетах. Ясно, что представление частиц в виде монет — это метафора, но если не воспринимать ее слишком буквально, то она вполне законна. Физики сами понимают явления при помощи метафор.
Чтобы привести установку в действие, Гальвез пропускает луч ультрафиолетового лазера через ряд оптических элементов, обеспечивающих должную юстировку. Этот луч попадает на небольшой кристалл бората бария, вещества, открытого китайскими учеными в начале 1980-х гг., который расщепляет ультрафиолетовый луч на два красных луча. Расщепление происходит на уровне отдельных частиц: если бы вы могли видеть луч как поток фотонов, то заметили бы, как некоторые ультрафиолетовые фотоны ударяются о кристалл и делятся на два идентичных красных фотона. Вот вам и монеты. Непосредственно перед кристаллом находится оптический элемент, известный как волновая пластинка, который Гальвез использует для того, чтобы контролировать выходной поток от кристалла. В зависимости от того, как он устанавливает волновую пластинку, красные фотоны получаются запутанными или нет.
Как только красные лучи расходятся, они перестают взаимодействовать. Гальвез направляет каждый луч в поляризационный фильтр, очень похожий на тот, что фотографы накручивают на объектив для подавления бликов. Фильтр пропускает или задерживает фотоны в зависимости от их ориентации, т. е. от их поляризации. Гальвез может с помощью лимба на боку фильтра контролировать, какие фотоны он будет пропускать. Для этого эксперимента оба фильтра настраиваются одинаково, так, чтобы они пропускали случайным образом половину фотонов, имитируя таким образом подбрасывание монет.
Фотоны, которые проходят через фильтры, направляются на детекторы, преобразующие их в электрические импульсы. Эти детекторы — самая дорогая и самая хрупкая часть установки. Из-за сверхвысокой чувствительности, позволяющей регистрировать одиночные фотоны, они стоят $4000 за штуку и легко повреждаются ярким светом. Даже в комнате с выключенным освещением детекторы регистрируют фотоны в бешеном темпе, потому что даже малейший проблеск света заставляет их срабатывать. Наблюдая за ними, я начинаю понимать, насколько светлой может быть якобы темная комната. Необходимо убедиться, что телефоны и ноутбуки полностью выключены — один-единственный включенный светодиод может испортить весь эксперимент. «Нам пришлось заклеить черной лентой все, что светилось в лаборатории, — говорит Гальвез. — Вы не представляете, сколько здесь всяких лампочек». Он накрывает приборы черной тканью и закрывает плотным пологом всю скамью.
Наконец, детекторы подключаются к счетчику с тремя цифровыми дисплеями, расположенными вне полога. Два из них показывают, какое число фотонов прошло через правый и левый поляризационные фильтры. Когда Гальвез включает лазер, эти числа мелькают как миллисекунды на секундомере. Третий дисплей показывает число «совпадений» — когда оба фотона из пары проходят каждый через свой фильтр. Продолжая метафору монет, совпадение означает, что обе монеты выпали орлом. Для Гальвеза такие совпадения являются возможностью взглянуть на квантовую нелокальность.
После небольшой экскурсии для меня Гальвез готов к проведению эксперимента. Желая убедиться, что все работает правильно, он сначала воспроизводит подбрасывание обычных монет, настраивая пластинку так, чтобы фотоны получались незапутанными. Счетчик показывает около 25 совпадений в секунду. Для сравнения: если бы каждый фотон в каждой паре проходил через фильтр, было бы 100 совпадений в секунду. Таким образом, частота совпадений равна примерно четверти максимально возможного значения. Именно этого можно ожидать, исходя из законов теории вероятностей. Если подбрасывать две монеты, каждая будет выпадать орлом в половине случаев, а обе будут выпадать орлом в четверти случаев.
Теперь Гальвез настраивает волновую пластинку так, чтобы фотоны оказывались запутанными. Частота совпадений подскакивает почти до 50 в секунду. Может показаться, что в изменении показаний счетчика в подвальной лаборатории с 25 до 50 нет ничего особенного. Но такова физика. Нужно немало усилий, чтобы приподнять завесу тайны над окружающим нас миром, и намеки на ее разгадку очень слабые, но от этого они не менее значимы. Годы ожиданий и приготовлений к этому моменту того стоили, поскольку, глядя на эти 50, я понимаю, что именно наблюдаю, и трепещу. Фотоны ведут себя как пара волшебных монет. Гальвез подбрасывает тысячи таких пар, и обе монеты всегда выпадают одной и той же стороной: либо обе орлом, либо обе решкой. Такого не бывает по чистой случайности.
Если бы кто-нибудь из моих друзей показал этот фокус на вечеринке: подбрасывал бы монеты так, чтобы они одновременно выпадали орлами в два раза чаще, чем должны, я бы подумал, что это розыгрыш. Должно быть, мой друг сходил в магазин для фокусников и купил специальные монеты, одинаковые с обеих сторон, результат подбрасывания которых предопределен. Мог ли подобный трюк объяснить ту закономерность, которую я наблюдал в лаборатории Гальвеза? Чтобы исключить возможность жульничества, Гальвез использует тактику, которую предложил в 1960-е гг. ирландский ученый, изучавший физику элементарных частиц, Джон Стюарт Белл. Он поворачивает один из фильтров на 90 градусов, что, так же как и подбрасывание монеты левой рукой вместо правой, не изменяет вероятность прохождения частицы через него, и если результат действительно предопределен, ничего не должно измениться. Но это, казалось бы, безобидное изменение влияет на фотоны. Частота совпадений падает практически до нуля — если один фотон проходит через фильтр, то второй нет. Другими словами, волшебные монеты вместо того, чтобы выпадать одной стороной, теперь всегда выпадают разными сторонами. Если бы кто-то хотел вас разыграть, ему бы понадобилась особая ловкость рук, чтобы справиться с этим фокусом. Проводя дальнейшие усовершенствования, Гальвез исключает все мыслимые придирки.
Я подхожу и еще раз изучаю оптическую скамью. Между фильтрами расстояние шириной с мою руку. В экспериментах Цайлингера и других ученых оно доходит до сотен миль, а исследователи Центра квантовых технологий работают над проведением этого эксперимента в космосе, где расстояния будут еще больше. Для крошечной частицы это равносильно другому краю Вселенной. Фотоны ведут себя согласованно на таком расстоянии. Они не контактируют друг с другом, никакая известная сила не связывает их, и тем не менее они ведут себя как единое целое. Когда Гальвез поворачивает поляризационный фильтр в левой части скамьи и фотон проходит через него, этот фотон поляризуется в том же направлении, что и фильтр. Его запутанный партнер в точности следует за ним: он приобретает такую же поляризацию и соответствующим образом взаимодействует со своим фильтром. Таким образом, происходящее слева влияет на фотон справа, даже когда на преодоление этого расстояния каким-либо воздействием нет времени. Такое воздействие должно было бы мгновенно распространяться от левой части к правой, т.е. бесконечно быстро, быстрее скорости света, что явно противоречит теории относительности. Это одна из многих загадок, которые нам задает нелокальность. Физики отмечали, что все это ближе к волшебству, чем что-либо, виденное ими ранее. «Студенты обожают это, — говорит Гальвез. — Хорошие студенты говорят: “Я хочу выяснить, в чем тут дело”».
Полностью читайте:
Массер Д. Нелокальность: Феномен, меняющий представление о пространстве и времени, и его значение для черных дыр, Большого взрыва и теорий всего / Джордж Массер ; Пер. с англ. Вячеслав Ионов, Мария Томс ; [науч. ред. д. ф.-м. н. Дмитрий Горбунов]. — М.: Альпина нон-фикшн, 2018. — 360 с.