Republic - Физик Ален Аспе: «Да вы представляете разницу между двумя частицами и этим котом?!»

Republic - Физик Ален Аспе: «Да вы представляете разницу между двумя частицами и этим котом?!»

res_publica

https://t.me/res_publica

23 июля 2017 г. Алексей Торгашев.

Автор знаменитого эксперимента, разрешившего спор Эйнштейна и Бора.

Квантовая механика – наука очень точная. Пока не получилось опровергнуть ни одно из ее предсказаний, ни один из ее расчетов. Это наука о непредставимых для нас законах мира частиц. Там бытует истинная случайность, когда нельзя точно предсказать, куда полетит конкретная частица, когда распадется атом. Там в ящике у физика Шрёдингера сидит кот*, который одновременно и жив, и мертв, и будет пребывать в этой суперпозиции между жизнью и смертью до тех пор, пока мы не откроем ящик и не проверим. На прошлой неделе квантовый форум в Москве посетил Ален Аспе – человек, поставивший в 1981 году эксперимент, фактически решивший важнейший для квантовой механики спор Альберта Эйнштейна с Нильсом Бором. По просьбе Republic научный журналист Алексей Торгашев поговорил с Аспе о том, что он теперь думает о странном мире частиц и его связи с нашим, большим миром.

Началось все с того, что в 1927-м году Вернер Гейзенберг сформулировал принцип неопределенности. Заключался он в том, что чем точнее мы измеряем скорость (импульс) частицы, тем менее точно можно измерить ее координату. И наоборот: чем точнее мы знаем координату, тем менее точно знаем скорость. Допустим, если мы точно измерили скорость конкретного электрона, то наше знание о его положении равно нулю – он может находиться где угодно.Затем этот принцип распространили и на другие характеристики элементарных частиц и более крупных систем, подчиняющихся квантовым законам (атомов, групп атомов и так далее, в общем, на весь микромир). Например, такая же неопределенность существует для электрического и магнитного поля.

В привычном мире макроскопических объектов все не так: едет, например, человек на велосипеде, и мы точно можем узнать и его скорость и координаты. Если бы наш велосипедист существовал по законам квантовой механики, то, точно узнав его скорость, мы бы вместо человека увидели размазанное в пространстве облако. И найти велосипедиста можно было бы в каждом месте этого облака с какой-то вероятностью. Он как бы едет по множеству траекторий сразу. Квантовая механика превратила строгий детерминистический мир в мир вероятностей и абсурда. Отцами квантовой механики были написаны соответствующие формулы, проведены эксперименты, и странности микромира подтвердились. Квантовые физики научились считать вероятности чрезвычайно точно.

Принцип неопределенности и выводы ⁠из него вылились ⁠в так называемую «копенгагенскую интерпретацию» квантовой механики, авторами которой ⁠стали Вернер ⁠Гейзенберг и Нильс Бор. Это была скорее философская концепция, нежели физическая теория, ⁠она до сих пор вызывает споры, ⁠и породила альтернативные интерпретации, самой известной из которых является интерпретация Хью ⁠Эверетта о параллельных вселенных. Суть копенгагенской интерпретации вот в чем: квантовые объекты принципиально отличаются от макроскопических тем, что они действительно вероятностно размазаны. Это свойство мира, никакой более глубокой причины у этого нет. А что же происходит, когда мы, например, ловим отдельный квант света – фотон – детектором? Мы ведь ловим его в определенном месте. В этот момент он перестает быть квантовым объектом, говорят физики. Это как если бы наш велосипедист, едущий по всем траекториям, на одной из них врезался в стенку и мгновенно «собрался» в одной точке. Поэтому и восстановить его движение нельзя, даже зная, откуда он выехал и где находилась стенка. Все это крайне не понравилось Эйнштейну. И то, что реальность зависит от измерения, и сама вероятность. «Бог не играет в кости», – раздраженно писал он. «Эйнштейн, не указывайте Богу, что ему делать», – отвечал Нильс Бор.

Эйнштейн так просто не сдался. В 1935-м году вместе с Борисом Подольским и Натаном Розеном он написал статью «Можно ли считать квантово-механическое описание реальности полным?». В статье авторы обрисовали мысленный эксперимент, вошедший в историю под названием «парадокс Эйнштейна-Подольского-Розена». Суть вот в чем: допустим, мы столкнули две частицы с заранее известными состояниями (совокупностями вероятностей, это как раз квантовая механика вычисляет точно). Затем они разлетелись, но уже в так называемом «запутанном состоянии» – все их параметры связаны между собой. Мы ловим первую частицу и узнаем ее импульс (скорость). Таким образом сразу узнаем и импульс второй частицы по закону сохранения энергии. Затем ловим вторую частицу и узнаем ее координату. Получилось! Мы узнали и импульс, и координату одновременно.

По аналогии с нашим размазанным велосипедистом: допустим, он столкнулся с другим таким же, они разлетелись в разные стороны, одного мы поймали чуть раньше и определили его скорость. Скорость второго вычисляется довольно просто еще по Ньютону: ловим второго и узнаем его местоположение. Дело сделано: мы узнали и координату, и импульс. Но это противоречит квантовой механике. Если соблюдать правила этой абсурдной науки, то второй велосипедист каким-то образом должен был узнать, что случилось с первым. Причем мгновенно и без всякого взаимодействия с окружающей средой.

На философском уровне Эйнштейн утверждал, что мы просто чего-то не знаем про частицы, поэтому нам и кажется их поведение вероятностным. Он думал, что есть какие-то скрытые параметры, свойства, которые изначально определяют поведение частиц. То есть, что всякий велосипедист движется по конкретной траектории, просто мы не умеем ее вычислить.

Спор 1935-го года не решался долгое время. Лишь в 1964-м году Джон Белл придумал, как отличить одно от другого. Он составил неравенства, для проверки которых можно было поставить эксперимент. Если мгновенной связи между запутанными частицами нет, то неравенства неверны и прав Эйнштейн. Если эта связь есть – прав Бор.

Этот самый эксперимент поставил Ален Аспе, у которого ушло на это восемь лет.

– Расскажите, в чем суть эксперимента и почему он оказался так важен? Потому что затрагивает философские вопросы?

– Нет-нет. Только физика. Фундаментальные основы, но основы физики. А суть в следующем. В 1935-м году была дискуссия между Эйнштейном и Бором. Эйнштейн открыл явление, которое мы сейчас называем квантовой запутанностью. Две частицы, находящиеся далеко друг от друга, строго коррелируют между собой: если мы измеряем какое-то свойство одной частицы, то сразу измеряем этот же параметр у другой. Такая корреляция предсказывалась квантовой механикой. Эйнштейн думал, что для того, чтобы понять это явление, нужно ввести какое-то общее свойство, которое изначально было у этих частиц. Наглядно это так: если вы возьмете братьев-близнецов, то у них будет один и тот же цвет глаз. Потому что мама дала им один и тот же набор хромосом. Вот и с частицами так же, думал Эйнштейн. Бор не согласился с этим утверждением, потому что с точки зрения квантовой механики эта связь между частицами работает совсем иначе.

– Чем это явление объясняет квантовая механика?

– В квантовой механике вы просто считаете. Бор говорил, что нельзя принести сюда никакую новую величину. Если вы это сделаете, то разрушите квантовую механику. А Эйнштейн как раз хотел добавить. В то время это был лишь вопрос интерпретации явления. Тогда не было эксперимента, чтобы проверить, есть ли эти «скрытые свойства», которые связывают частицы. А с уравнениями квантовой механики все были согласны. Через тридцать лет, в 1964-м, Белл обнаружил, что если вы принимаете точку зрения Эйнштейна, то связь между частицами не может быть столь строгой, как это предсказывает квантовая механика. Белл вывел теорему и неравенства, которые можно было проверить. Спор о скрытых параметрах перестал быть философским. Ответ можно было получить в эксперименте.

– И вы поставили свой великий эксперимент, чтобы разрешить этот спор…

– Нужно добавить, что в то время не было никаких данных, чтобы подтвердить правоту квантовой механики. Найти предел ее законам. В конце концов, могли быть условия, в которых квантовая механика не работает. Любая физическая теория рано или поздно находит ограничения. Ньютоновская механика, например, не работает на скоростях, близких к скорости света. Подобное могло быть и с квантовой механикой.

Первый эксперимент поставили Клаузер и Фридман в 1972-м. Результат был в пользу квантовой механики, но сам эксперимент был далек от идеального.

Поэтому десятью годами позже я поставил новый эксперимент, где использовал намного более эффективный источник запутанных фотонов. И я мог менять настройки, пока летят фотоны. Если вы так делаете, вы исключаете возможность передачи сигнала со скоростью, не превышающей скорость света. Это было очень близко к идеальному эксперименту.

– Ваш эксперимент окончательно подтвердил правоту квантовой механики?

– Да, он подтвердил несправедливость неравенств Белла, что и требовалось.

– Таким образом, эйнштейновский принцип причинности не соблюдается. Частицы передают друг другу информацию быстрее скорости света. Даже вот квантовую телепортацию сделали в последние годы. Эти внепространственные связи как-то сказываются на мире больших, неквантовых объектов?

– Эффект на макроскопический мир вы не можете описать так, как вам хочется: поворачиваешь ручку здесь – смотришь на другом конце мира. Можно продемонстрировать, что квантовая механика нелокальна, но с помощью этой нелокальности вы не можете передать никакой полезной информации. Сверхсветовой телеграф не построить. Вы знаете, что что-то передается быстрее света, но вы не можете это что-то использовать. Почему? Потому что каждое квантовое событие случайно. С этим ничего нельзя сделать. Вы не можете избавиться от случайности. Когда фотон летит через стекло, он может быть отражен, или пропущен с преломлением. Но вы не можете сказать, когда случится одно, а когда другое. Если бы могли, тогда вы смогли бы передавать информацию быстрее света.

– Но не может ведь так быть, чтобы у такого свойства вообще никакого эффекта на макроуровне не было?

– Вот есть фантастическая вещь – сверхпроводники. Вы можете объяснить их существование, только использовав это свойство – запутанность частиц. Но не ожидайте, что вы увидите запутанность в этой бутылке с водой. С другой стороны, сверхпроводники – вполне макроскопические объекты. И вы не можете объяснить макромир без квантовой механики. Вообще, многие свойства мира вы должны объяснить с помощью квантовой механики.

– То есть с одной стороны мы имеем квантовую механику, с ее вероятностями и случайностями. А с другой стороны – космологию, где все детерминировано. Мне космологи так и говорили: все детерминировано от Большого взрыва и до наших дней. Все связано причиной и следствием. Где правда? И можно ли совместить эти два подхода?

– Это неверно, что все детерминировано. Возможно, вы говорите о том, что Вселенная в целом эволюционирует единственным образом. Однако в нашем мире, меньшем, чем Вселенная, все не так. Мы это можем измерить: фотон может лететь прямо сквозь стекло, а может отразиться от его поверхности. Это не детерминировано, это случайность. Некоторые космологи объясняют это тем, что существует множество вселенных. В одних фотон летит прямо, в других – отражается. А мы живем только в одной из них. Но я бы не назвал это детерминизмом.

– Вы сейчас говорите об интерпретации квантовой механики Хью Эверетта, о том, что при каждом квантовом событии мир расщепляется на две вселенные. Вы, как экспериментатор, можете придумать эксперимент, чтобы подтвердить или опровергнуть это?

– Не думаю, что такой эксперимент возможен. Эвереттовская интерпретация – чисто умственное построение. Она не противоречит тому, что я говорю… Наверное, следует сказать об одной важной вещи: физика – не то же самое, что математика. Ни один физик не столь самонадеян, чтобы считать, что есть теория, объясняющая все. Цель физики в том, чтобы описывать феномены, которые мы видим вокруг нас. В этом смысле квантовая механика работает прекрасно. «Ах, как я могу объяснить интерпретацию Эверетта?!» Запутанность проверяется на масштабе отдельных частиц, а Эвереттовская интерпретация работает на масштабе целой Вселенной. Почему я должен думать обо всей Вселенной?! Я же не господь бог.

– Вы подтвердили правоту и полноту квантовой механики. А там, кроме запутанных фотонов, много странного. Можно ли говорить, что существует объективная реальность, если все зависит от измерения, нашего взаимодействия с ней? Вот что чувствует кот Шрёдингера*, находясь в суперпозиции, в состоянии «ни жив ни мертв»? Допустим, мы поместили человека, а не кота, в ящик Шрёдингера, что он расскажет через час, когда ящик откроют?

– Откуда вы знаете, что кот Шредингера выживет?

– Ну, если…

– Вы должны понять, что физика – о реальном мире. Если вас мучают философские вопросы, спросите философов. Я вот знаю, что запутанность была проверена на уровне мельчайших частиц. И это уже достаточно фантастично. Это настолько фантастично, что уже позволяет строить нам квантовый компьютер. Это более важно с точки зрения меня, простого физика, чем узнать… да можете вы представить себе разницу в масштабах между двумя атомами, или двумя частицами, и этим котом или человеком?! Это ведь десять в двадцать третьей степени частиц! Даже если мы проверим эти положения на миллиарде частиц, это будет очень маленьким числом по сравнению с размером кота. Что я могу сказать про кота? Ничего, у меня даже идей нет. Но вы должны воспринимать с энтузиазмом, что даже на макроскопическом уровне вы используете квантовые свойства: в криптографии, квантовых компьютерах. То, чего не было еще несколько лет назад. Вот это реальная наука.

– Но на взгляд рядового человека ваша работа имеет непосредственное отношение к фундаментальному устройству бытия.

– А разве обывателю не важнее то, что у него есть айфон или компьютер?

– Вы сейчас сказали о масштабах. Правильно ли я понял, что вы говорите о едином глобальном объекте только в отношении отдельных связанных частиц? Что это понятие нельзя применить ко всему миру в целом?

– Не знаю. Некоторые космологи считают, что можно. Но пока это вопрос веры.

– Физики частиц мне рассказывали, что формализм квантовой механики полон и завершен. Во многом, – благодаря вашей работе. Возможны ли здесь новые открытия?

– Очень заманчиво было бы что-то добавить. То, что доказана несправедливость неравенств Белла, не значит, что нельзя придумать еще каких-то вариантов. Но я их не вижу.

– А чем может быть эта связь между частицами? Какова ее физическая основа?

– Мы живем в мире, где есть такое взаимодействие. Но единственная вещь, в которой мы уверены – это математический формализм. А дальше уже каждый поступает с ним по-своему. Кто-то, например, я – рисует себе картинку в уме, кто-то, наверное, нет. Я считаю, за этим стоит какая-то физическая реальность, другие – что нет. Но мы все согласны, что когда мы ставим эксперимент, он соответствует нашим формулам. И не имеет значения, какая картинка в голове. Я не всегда уверен в визуальном представлении, но я всегда уверен в формулах.

*Упоминающийся в интервью кот Шрёдингера – объект мысленного эксперимента еще одного отца квантовой механики Эрвина Шрёдингера. Эксперимент состоял в том, чтобы посадить на час кота в герметичный ящик. В этом же ящике находится капсула со смертельным ядом и радиоактивный атом. Атом подключен к капсуле через детектор: если распадется, капсула разбивается и кот умирает. Согласно законам квантовой механики, атом может распасться в любой момент, а может и не распасться, это вероятностный процесс. Согласно тем же законам, кота нужно считать одновременно и живым и мертвым с какой-то долей вероятности. Это состояние называется суперпозицией живого и мертвого кота. Когда ящик откроют, кот окажется в одном из двух определенных состояний.

Читайте ещё больше платных статей бесплатно: https://t.me/res_publica



Report Page