Квантовая запутанность или «жуткое взаимодействие» [Veritasium]
[музыка] В трих годах прошлого века квантовая механика расстраивалась. Эксперимент, в котором по теории событие в одной точке Вселенной может мгновенно повлиять на другое событие, сильно удалённое от первого. Он назвал это жутким действием на расстоянии, и Дасте Сзи казались ему абсурдом, потому что предполагали скорость выше скорости света. А их, его теория относительности, исключала.
Сейчас подобный эксперимент стал возможен, а результаты его и правда жутковатые. О чём речь? Начнём со спина. У всех фундаментальных частиц есть такое свойство — спин. Оно названо по аналогии с вращением, но частицы не вращаются. Зато у них есть момент импульса и ориентация в пространстве.
Мы можем измерить спин частицы, но сперва нужно выбрать, в каком направлении его измерять. Мы можем получить один из двух результатов: если направление, в котором измеряем, совпадает с направлением спина, это называется спин "Вверх", а если не совпадает — спин "Вниз".
А что если спин вертикален, а мы измеряем его горизонтально? Тогда есть вероятность 50%, что спин окажется направлен "Вверх", а 50% — "Вниз". После измерения частица сохранит вот такой спин, то есть измерение поменяет спин частицы.
Измерим спин под углом 60° оси Y. Это ближе к вертикальному спину частицы. Поэтому, с вероятностью 3/4, мы получим спин "Вверх", а с вероятностью 1/4 — спин "Вниз". Вероятность определяется квадратом косинуса половины угла.
Эксперимент, который предложил Эйнштейн, можно провести с двумя такими частицами, но сначала их нужно подготовить спонтанно, получив из энергии. Момент импульса всегда должен сохраняться, а значит, если мы обнаружим у одной частицы спин "Вверх", то вторая, измеренная в том же направлении, должна иметь спин "Вниз".
Важно помнить, что спины будут противоположны только если мы измеряем их в одном направлении. И вот здесь начинаются странности. Можно предположить, что частицы рождаются с изначально определённым спином, но это не так, и вот почему.
Если спины двух частиц вертикальны, противоположно направлены, и при этом измеряются горизонтально, для обеих вероятность состояния спин "Вверх" — 50%. Получается, что есть вероятность 50%, что измерения дадут одинаковый результат. А это нарушит закон сохранения момента импульса.
Так вот, по законам квантовой механики, у этих частиц вообще нет определённого спина. Они связаны между собой, то есть запутаны. Или, говоря иначе, у них противоположны. Поэтому, когда мы получаем результат для одной частицы, мы уже точно можем сказать, какой результат будет для другой.
Это явление тщательно и многократно проверяли опытным путём. И неважно, под каким углом расположены детекторы и насколько удалены друг от друга — они всегда выдают противоположные спины.
Только представьте, насколько это удивительно! У частиц нет определенного спина, мы измеряем его у первой, и тут же узнаём ответ для второй, если она на другом конце Галактики. Как будто результат первого измерения влияет на результат второго быстрее скорости света.
Именно так некоторые учёные интерпретируют этот опыт, но не Эйнштейн. Его такой ответ совсем не устраивал. Он объяснял это иначе. По мнению Эйнштейна, в частицах всегда есть информация о том, какой у неё будет спин при каждом направлении измерения, и мы просто не знаем этого, пока не измерим.
Она уже находится в частицах с момента рождения в некой точке. Никакой сигнал между ними передавать не надо. Какое-то время учёные соглашались с тем, что мы просто не знаем чего-то о частицах до того, как измерим.
Но потом пришёл Джон Белл и придумал, как проверить эту гипотезу. Предложенный опыт мог определить, есть ли в частицах изначально скрытая информация. Вот в ЧМ суть: есть два детектора, которые могут измерять спин в трёх направлениях. Эти направления выбираются случайно и независимо друг от друга.
Запускаем в детекторы пару запутанных частиц и получаем какой-то результат: либо спины направлены в одну сторону — "Вверх" или "Вниз", либо в разные. Повторяем процесс снова и снова, случайно меняя направление и отмечая процент случаев, когда детекторы дают разные результаты. Это самое главное, процент зависит от того, есть ли в частицах скрытая информация о спине или нет.
Вот как это работает. Рассчитаем ожидаемую частоту показаний при условиях, что частицы всё же хранят эту информацию — такой своеобразный секретный план, о котором договорились частицы. И согласно которому, в случае если их измерять в одном направлении, спины должны смотреть в разные стороны.
Например, одна частица даёт спин "Вверх" для всех направлений измерения. А значит, вторая будет давать спин "Вниз" также во всех направлениях. Или так — одна частица выдаёт спин "Вверх" для направления один, спин "Вниз" для направления два и спин "Вверх" для направления три, а её пара — спин "Вниз" для первого направления, спин "Вверх" для второго и спин "Вниз" для третьего.
Прочие комбинации математически эквивалентны, так что можно взять только эти две, чтобы найти ожидаемую частоту исходов. Представим частицы схематично с помощью этих комбинаций вариантов скрытой информации.
Комбинация номер один даёт разные исходы в 100% случаев, и неважно, какое направление измерения выбрано. Чего не скажешь о комбинации номер два: если оба детектора направлены одинаково, то частица А даёт спин "Вверх", а частица Б — спин "Вниз". Исходы разные, но если второй детектор измеряет в направлении 2, на нём исход будет спин "Вверх", то есть спины совпадут.
Мы можем продолжить комбинировать направление измерения, и в итоге получим, что спины различаются в пяти из девяти случаев. Согласно второй комбинации, результаты должны быть разными с вероятностью 5/9, а в случае с первой — в 100% исходов.
Итак, если частицы хранят скрытую информацию, мы должны видеть разные результаты чаще, чем в пяти случаях из девяти. Но что мы видим в эксперименте? А то, что исходы разные только в половине измерений. Не сходится. Опыт исключает возможность информации о том, какой спин частица примет при разных измерениях.
А что говорит квантовая механика? Представим, что детектор А измерил спин в первом направлении с результатом — спин "Вверх". Мы тут же понимаем, что второй спин будет "Вниз", если измерять в том же направлении, то есть в трети случаев.
Но если частицу измерить в двух других направлениях, между ними и спином частицы получится угол. И, как мы говорили в начале, это даст результат спин "Вверх" в трёх случаях из четырёх. Эти два направления будут выпадать в двух случаях из трёх, и частица B будет иметь спин "Вверх" 2/3 на 3/4.
В половине случаев оба направления дают одинаковый спин, в половине случаев — и ещё в половине случаев — разный. Именно это мы видим в эксперименте. Квантовая механика права.
Однако мнение физиков расходится. ВН одни считают, что опыт доказывает отсутствие у квантовых частиц скрытой информации, и о спине есть смысл говорить только когда он измерен. Другие полагают, что запутанные частицы могут передавать сигнал с информацией о спине быстрее скорости света, когда их измеряют.
Значит ли это, что мы могли бы обмениваться сообщениями на сверхсветовой скорости? Уныло отвечают однозначно: нет. Потому что реу случай неважно, какое направление вы выбрали и что происходит в другом детекторе: вероятность 50 на 50 спин "Вверх" или спин "Вниз".
А вот если бы наблюдатели с обоих детекторов встретились и сверили данные, то увидели бы, что при одинаковом направлении измерений спины всегда разные. Данные у них были бы случайные, но случайные с противоположным знаком.
И ВМ жутковато не позволяет отправлять сигналы со сверхсветовой скоростью. А значит, теория относительности не нарушена. Так что, хотя бы этому Эйнштейн был бы рад.
Переведено и озвучено студией Верт Дайдер.