Квантовая случайность. Нелокальность, телепортация и другие квантовые чудеса - Николя Жизан

Мы можем также рассмотреть воздействие, способное распространяться на бесконечной скорости, опять же определенной относительно какой-то привилегированной системы отсчета. Математически это возможно, что и показал Дэвид Бом в 1952 году[71] (в год моего рождения). Однако эта гипотеза предполагает, что воздействия могут мгновенно соединять произвольные области пространства. Но тогда что такое пространство, если воздействия могут мгновенно соединять произвольные удаленные друг от друга области? В известном смысле принять такие воздействия как объяснение нелокальных корреляций – все равно что признать, что на самом деле они распространяются не в нашем пространстве, а следуют какому-то «черному ходу» нулевой длины вне его. Объяснительная сила такой гипотезы кажется мне слабой[72]. Немногие физики интересуются этой альтернативой, но нужно сказать, что ей сочувствуют многие философы.

Некоторые теоретики пытаются обойти сложность экспериментов, которые могут лишь установить нижнюю границу скорости этих гипотетических воздействий, показывая, что при определенных допущениях любое скрытое сверхсветовое воздействие должно с необходимостью приводить к возможности коммуникации со скоростью выше скорости света[73]. Так как это запрещено теорией относительности, мы можем сделать вывод, что скрытого воздействия не существует ни на каких скоростях. Нужна насыщенная программа исследований, чтобы раз и навсегда исключить любую гипотезу о скрытых воздействий на сверхсветовых скоростях. По счастливому совпадению, во время написания этой книги группа теоретиков смогла исключить все объяснения нелокальности, которые ссылаются на воздействия, распространяющиеся на любой конечной скорости (см. главу 10).

Алиса и Боб проводят измерения раньше друг друга

Я хотел бы вкратце обсудить другую идею, которая демонстрирует, как физики пытались придумать способы уйти от принятия нелокальности. Согласно этой гипотезе, выдвинутой Антуаном Суарезом и Валерио Скарани[74], когда прибор Алисы выдает результат, он дает информацию об этом всей Вселенной, и в частности прибору Боба, на сверхсветовой скорости. И наоборот. То есть первый из них, который выдал результат, информирует второго, который затем учитывает это, чтобы выиграть игру Белла. Но, согласно этой гипотезе, сверхсветовая скорость определена не относительно какой-то универсальной привилегированной системы отсчета, а лишь относительно той системы, в которой генерирующий прибор находится в покое. В самом деле, каждый прибор, и в частности каждая часть измерительного аппарата, определяет некоторую инерционную систему таким образом, и было бы интересно изучить следствия той идеи, что эти системы могут определять скорость информации, которую они испускают.

На вид эту гипотезу проверить трудно, и в 1997 году, когда Суарес и Скарани выдвинули ее, она не противоречила ни одному из экспериментов, которые были проведены к тому времени. Но представьте себе такую ситуацию. Алиса и Боб со своими приборами удаляются друг от друга в разные стороны на очень высокой скорости, и поэтому система отсчета, в которой покоится прибор Алисы, отличается от системы, в которой неподвижен прибор Боба. Вспомним, что, согласно теории гравитации Эйнштейна, хронология, или порядок следования двух событий, наблюдаемых из движущихся относительно друг друга систем отсчета, может быть разной. То есть мы можем построить эксперимент таким образом, что Алиса в своей системе отсчета делает выбор и фиксирует результат до Боба, и в том же самом эксперименте Боб в своей системе отсчета делает выбор и фиксирует результат до Алисы. Физики описывают этот эксперимент словами «до – до», так как каждый из двух игроков действует раньше другого! Так магия теории относительности может быть использована для проверки магии квантовой теории.

Основная сложность проведения эксперимента типа «до – до» – это добиться того, чтобы приборы Алисы и Боба двигались достаточно быстро и в самом деле обеспечили обращение хронологического порядка событий в обеих системах. Это действительно трудно, но не невозможно, по крайней мере если применить немного воображения. Конечно, не совсем реально поместить всю лабораторию Алисы в космический корабль. Однако должно быть достаточно привести в движение ее основной компонент, в котором происходит истинно случайное событие. В первом эксперименте в Женеве[75] мы установили детектор на особого рода диске, который вращался со скоростью 10000 оборотов в минуту, что соответствовало линейной скорости на краю диска в 380 км/ч или около 100 м/с[76]. Такая скорость не выглядит большой, ведь свет распространяется со скоростью почти 300000 км/с. Однако, если Алиса и Боб разделены расстоянием свыше 10 км, при хорошей синхронизации уже можно добиться релятивистского эффекта «до – до». Этот эксперимент опроверг гипотезу Суареса и Скарани, хотя в нем и было слабое место: ведь на диске был установлен не настоящий детектор, а лишь поглотитель, в то время как информация о том, был поглощен фотон или нет, эквивалентная результату Алисы, считывалась другим детектором, расположенным на выходе другого интерферометра.

Антуан Суарес, который внимательно следил за нашим экспериментом, немедленно заметил, что в движении должен быть не детектор, а последний светоделитель интерферометра. Для Суареса именно это зеркало было тем местом, где делался окончательный выбор, то есть тем компонентом, в котором окончательно принимается решение, влекущее результат (истинно случайным образом, как вы теперь понимаете). Но как сделать, чтобы светоделитель двигался настолько быстро? Однако моему коллеге Гюго Збиндену не понадобилось много времени на ответ, и он предложил: «Давайте использовать акустическую волну, которая распространяется в кристалле». Поскольку такая волна распространяется со скоростью около 2,5 км/с, мы могли провести эксперимент в лаборатории. И квантовая теория была вновь подтверждена[77]: даже с двигающимися зеркалами Алиса и Боб выигрывали чаще, чем 3 раза из 4. Через несколько трудных дней Антуан Суарес принял этот результат. Несмотря на то что их теория была опровергнута, они могли гордиться собой как авторами вполне разумной научной теории.

Сверхдетерминизм и свободная воля

Какие же еще пути остается открыть? Одна довольно отчаянная гипотеза отрицает, что Алиса и Боб могут свободного выбирать направление отклонения джойстика. По сути, это означает отрицание существования свободной воли. Если Алиса действительно не делает свободный выбор, а запрограммирована наклонять джойстик в некотором предопределенном направлении, то мы можем представить, что Боб или его прибор уже знает выбор Алисы. В этом случае мы также можем предположить, что результаты Алисы предопределены и Боб, который знает об этом, легко побеждает в игре Белла. Заметьте, что он может выиграть с полной гарантией – даже чаще, чем это позволила бы квантовая физика[78].

Но что за странное предложение – отрицать существование свободной воли! Неужели идея нелокальности настолько шокирует нас, что мы станем отрицать одну из вещей, столь хорошо нам знакомых? Мы можем заниматься самообучением, узнавая математику, химию, физику и множество других предметов, но мы никогда не будем знать ни одного уравнения, ни один исторический факт или даже простейшую химическую реакцию так же хорошо, как то, что говорит нам личный опыт. По моему мнению, это не что иное, как серьезная гносеологическая ошибка.

Если бы не было свободной воли, мы никогда не решились бы проверить научную теорию. Мы могли бы жить в мире, где объекты умеют летать, но были бы запрограммированы смотреть на них только тогда, когда они падают. Должен признаться, у меня нет доказательства, что у вас есть свобода воли, но я определенно наслаждаюсь ею, и у вас не получится меня переубедить. Такого рода дискуссии часто ходят по кругу. Это логически возможно, но совсем неинтересно, как солипсизм, который утверждает, что я единственный человек в мире, а все остальные – это лишь иллюзии, населяющие мое сознание.

Эта гипотеза сверхдетерминизма вряд ли достойна упоминания и приводится здесь лишь для того, чтобы показать степень отчаяния, до которой многие из физиков и даже из специалистов по квантовой механике доходят в попытках объяснить истинную случайность и нелокальность квантовой физики. Для меня ситуация проста: свободная воля не просто существует, но и является непременным условием для науки, философии и самой возможности человека думать рационально и здраво. Без свободы воли не было бы рационального мышления. Как следствие, наука и философия просто не могут отрицать свободу воли. Некоторые физические теории детерминистичны, примерами чего являются механика Ньютона или некоторые интерпретации квантовой теории. Но возвышение этих теорий до статуса непререкаемой истины, почти религиозной догмы, по существу, является логической ошибкой, так как они противоречит нашему восприятию свободы воли. Заметим, что Ньютон никогда не заявлял, что его теория способна объяснить все на свете (и это вовсе не потому, что он не хотел славы!). Совсем наоборот. Он ясно утверждал, что его теория гравитации с допущением о нелокальном притяжении на расстоянии абсурдна, но за неимением лучшей, по крайней мере, может использоваться для расчетов. Теория Ньютона получила свой квазирелигиозный статус благодаря Лапласу, когда он сделал свое знаменитое заявление[79]: