Текст книги "Квантовые миры и возникновение пространства-времени"

Не успев как следует задуматься, мы уже видим, что «амплитуды в квадрате» обладают подходящими свойствами, чтобы описывать вероятности исходов: это множество неотрицательных чисел, в сумме всегда дающих единицу, поскольку длина волновой функции равна единице. В этом вся суть: правило Борна сводится к теореме Пифагора, применяемой к амплитудам вероятностей различных исходов. Вот почему речь идет об амплитудах в квадрате, а не о самих амплитудах, не о квадратных корнях из амплитуд или о чем-нибудь столь же безумном.

Векторная картина позволяет красиво объяснить и принцип неопределенности. Как вы помните, электроны с верхним спином распределяются в соотношении пятьдесят на пятьдесят, превращаясь в электроны с левым и правым спинами, когда их пропускают через «следующий», горизонтально ориентированный магнит. Это говорит о том, что электрон в состоянии верхнего спина находится в суперпозиции правого и левого спинов, как и электрон с нижним спином.

Так, идея левого или правого спина определенным образом связана с идеей верхнего или нижнего спина; каждую из этих возможностей можно рассматривать как суперпозицию двух других. Мы уже говорили, что чистые состояния с верхним и нижним спинами образуют базис для определения произвольного состояния кубита – любое квантовое состояние можно записать как суперпозицию двух этих чистых состояний. Однако чистые состояния с левым и правым спинами образуют другой, но тоже вполне хороший базис. Так что любое состояние кубита можно также разложить и по этому базису.

Рассмотрим эту картину с точки зрения векторов. Если изобразить плоскость и отложить верхний спин по оси абсцисс, а нижний спин – по оси ординат, то из приведенных выше соотношений мы увидим, что направления правого и левого спинов окажутся под углом в сорок пять градусов к этим осям. Любую волновую функцию можно разложить как по осям «вверх-вниз», так и по осям «вправо-влево». Одна система координат повернута относительно другой, однако обе эти системы прекрасно подходят, чтобы разложить по ним любой интересующий нас вектор.

Теперь понятно, откуда берется принцип неопределенности. Для единственного спина принцип неопределенности гласит, что состояние не может иметь определенного значения спина одновременно и в исходном базисе (вверх-вниз), и в повернутом базисе (вправо-влево). Именно это и показано на рисунке: если состояние соответствует чистому верхнему спину, то автоматически является некоторой комбинацией левого и правого спинов, и наоборот.

Как нет квантовых состояний, которые были бы одновременно локализованы по координате и импульсу, так нет и состояний, которые были бы одновременно локализованы по горизонтальному и вертикальному спинам. Принцип неопределенности отражает взаимосвязь того, что существует в реальности (квантовые состояния), и того, что мы можем измерить (одна наблюдаемая величина в каждый момент времени).

5
Запутанные вдали
Многочастичные волновые функции

Научно-популярные описания дискуссий между Эйнштейном и Бором часто создают впечатление, будто Эйнштейн никак не мог уложить в голове принцип неопределенности, поэтому тратил время на изобретение хитрых способов его обойти. На самом деле в квантовой механике его смущала ее очевидная нелокальность – событие в одной точке пространства, казалось бы, может непосредственно влиять на эксперимент, который проводится очень далеко. Ему потребовалось некоторое время, чтобы облечь свои опасения в хорошо сформулированное возражение, и, занимаясь этим, он помог осветить одну из самых глубоких особенностей квантового мира: феномен запутанности.

Запутанность возникает, поскольку существует только одна волновая функция для всей Вселенной, а не отдельные волновые функции для каждого ее фрагмента. Откуда нам это известно? Почему не может быть отдельной волновой функции у каждой частицы или поля?

Рассмотрим эксперимент, в котором мы стреляем друг в друга двумя электронами, движущимися с одинаковой скоростью в противоположных направлениях. Поскольку заряд у обоих электронов отрицательный, они оттолкнутся друг от друга. В классической физике, зная исходные координаты и скорости электронов, мы могли бы в точности вычислить те направления, в которых они отскочат друг от друга. Но в квантовомеханическом контексте все, что мы можем – это рассчитать вероятность, с которой они могут наблюдаться на тех или иных траекториях после взаимодействия друг с другом. Волновая функция каждой частицы распределяется, условно говоря, сферическим образом, пока мы наконец не пронаблюдаем частицу и не зафиксируем конкретное направление, в котором она движется.

Если действительно провести этот эксперимент и посмотреть, в каких направлениях будут разлетаться электроны, то мы заметим кое-что важное. Поскольку изначально у электронов были равные скорости и противоположные направления движения, их суммарный импульс был нулевым. А поскольку импульс сохраняется, то и после взаимодействия их суммарный импульс должен быть равен нулю. Таким образом, хотя нам и может казаться, что каждый из электронов может двигаться в любом направлении, на самом деле, в каком бы направлении ни двигался один из них – другой будет двигаться в строго противоположном.

Если призадуматься, то это довольно забавно. Для первого электрона существует вероятность отскочить под разными углами, и для второго тоже. И если бы у каждого из них была отдельная волновая функция, то эти возможности были бы совершенно не связаны друг с другом. Можно было бы представить, что мы наблюдаем всего один из электронов и измеряем, в каком направлении он движется. Второй электрон остается нетронут. Откуда ему «знать», что он должен двигаться в направлении, противоположном первому, когда мы начнем его измерять?

На этот вопрос мы уже ответили. Дело в том, что электроны не имеют двух отдельных волновых функций: их поведение описывается единой волновой функцией Вселенной. В данном случае мы игнорируем всю остальную Вселенную, сосредоточившись только на этих двух электронах. Но мы не можем игнорировать один электрон, сосредоточившись лишь на другом: прогнозы, которые мы делаем для наблюдения за любым из двух электронов, могут кардинально меняться в зависимости от исхода наблюдения за вторым. Электроны находятся в состоянии запутанности друг с другом.

Волновая функция – это присваивание комплексного числа, амплитуды, любому возможному исходу наблюдения, и квадрат этой амплитуды равен вероятности того, что мы будем наблюдать данный результат, если сделаем такое измерение. Если речь идет о более чем одной частице, это означает, что мы присваиваем амплитуду каждому возможному результату наблюдения всех частиц одновременно. Например, если бы мы наблюдали их координаты, то волновую функцию Вселенной можно рассматривать как присвоение амплитуды каждой возможной комбинации координат всех частиц во Вселенной.

Напрашивается вопрос – а возможно ли визуализировать нечто подобное? Можно визуализировать простой случай, когда одиночная воображаемая частица перемещается всего в одном измерении. Допустим, это электрон, заключенный в тонком медном проводе: рисуем линию, которая соответствует возможным координатам этой частицы, и чертим график функции, представляющей амплитуду в каждой точке этой линии. (На самом деле мы жульничаем даже в этом простом примере, так как откладываем на графике вещественные числа, а не комплексные, но пусть будет так.) Для двух частиц, ограниченных таким же одномерным движением, можно начертить двумерную плоскость, в которой будут представлены координаты каждой из двух частиц, а затем сделать трехмерный контурный график для волновой функции. Обратите внимание: речь идет не о единственной частице в двумерном пространстве, а о двух частицах, каждая из которых находится в одномерном пространстве, так что волновая функция, определенная на двумерной плоскости, описывает координаты обеих частиц.

Поскольку скорость света конечна, а с момента Большого взрыва прошло конечное количество времени, мы можем видеть лишь ограниченную область космоса, которую называем «наблюдаемая Вселенная». В наблюдаемой Вселенной примерно 10⁸⁸ частиц, в основном это фотоны и нейтрино. Это число гораздо больше двух. Причем каждая частица расположена в трехмерном пространстве, а не на одномерной линии. Как в таком мире предполагается визуализировать волновую функцию, присваивающую амплитуду каждой из возможных конфигураций 10⁸⁸ частиц, распределенных в трехмерном пространстве?

Мы не можем этого сделать, увы. Человеческое воображение не приспособлено для визуализации столь колоссальных математических пространств, работа с которыми в квантовой механике – в порядке вещей. Но мы можем что-то сообразить для одной-двух частиц. Ко всему прочему, нам придется описывать эти феномены словами и уравнениями. К счастью, уравнение Шрёдингера прямо и определенно характеризует поведение волновой функции. Стоит нам понять, что происходит с двумя частицами, и обобщение этой картины до 10⁸⁸ частиц сведется к обычной математике.

⚪ ⚪ ⚪

Поскольку волновые функции так велики, может показаться, что работать с ними немного неудобно. К счастью, практически все интересное, что можно сказать о квантовой запутанности, сводимо к гораздо более простому контексту, описываемому всего несколькими кубитами.

Позаимствовав причудливую традицию из книг по криптографии, физики любят рассматривать двух людей по имени Алиса и Боб, которые делятся кубитами. Итак, допустим, у нас есть два электрона, A и B, первый из них принадлежит Алисе, второй – Бобу. Спины этих электронов образуют двухкубитную систему и описываются соответствующей волновой функцией. Волновая функция присваивает амплитуду каждой конфигурации системы в целом относительно какого-либо ее свойства, которое мы можем наблюдать, например вертикального спина. Итак, в данном случае у нас будет четыре возможных результата измерения: оба спина верхние, оба спина нижние, спин A верхний, а спин B нижний и спин A нижний, а спин B верхний. Состояние системы представляет собой некую суперпозицию четырех этих возможностей, которые являются ее базисными состояниями. Далее в каждой паре скобок первый спин принадлежит Алисе, а второй – Бобу.

Само наличие двух кубитов еще не означает, что они обязательно будут запутаны друг с другом. Рассмотрим одно из базисных состояний, например то, где у обоих кубитов верхние спины. Если Алиса измеряет свой кубит по оси ординат, то она с вероятностью пятьдесят на пятьдесят может получить правый или левый спин, и то же касается Боба. Однако в любом случае мы ничего не узнаем о том, что увидит Боб, если узнаем, что увидела Алиса. Вот почему зачастую мы говорим о «волновой функции частицы», хотя хорошо знаем – когда части системы не запутаны друг с другом, это равносильно тому, как если бы у каждой из них была собственная волновая функция.

Вместо этого давайте рассмотрим равную суперпозицию двух базисных состояний, в одном из которых оба спина верхние, а в другом – нижние:

Если Алиса измерит вертикальный спин своего электрона, то получит верхний или нижний спин с вероятностью, равной 50 %, и то же самое касается Боба. Разница теперь в том, что если мы узнаем результат Алисы прежде, чем Боб выполнит свое измерение, то результат Боба нам будет известен со 100 %-ной вероятностью: он увидит то же самое, что и Алиса. На языке академической квантовой механики можно сказать, что измерение, выполненное Алисой, заставляет волновую функцию сколлапсировать в одно из двух базисных состояний, из-за чего результат Боба оказывается детерминирован. (В многомировой интерпретации после Алисиного акта измерения волновая функция разветвляется, и получается два разных Боба, каждый из которых получит определенный результат измерения.) Это квантовая запутанность в действии.

⚪ ⚪ ⚪

По итогам Сольвеевского конгресса 1927 года Эйнштейн остался убежден, что квантовая механика, особенно в интерпретации копенгагенской школы, очень хороша в прогнозировании результатов экспериментов, но совершенно не тянет на полноценную теорию физического мира. В 1935 году он изложил свои соображения в статье, написанной вместе с коллегами Борисом Подольским и Натаном Розеном, в результате чего статья получила известность под названием ЭПР (EPR). Позже Эйнштейн сказал, что основные идеи принадлежали ему, Розен занимался вычислениями, а Подольский выполнил большую часть работы над текстом.

В ЭПР рассматривались координаты и импульсы двух частиц, движущихся в противоположных направлениях, но нам будет удобнее говорить о кубитах. Допустим, есть два спина в запутанном состоянии, описанном выше. (Такое состояние очень легко создать в лаборатории.) Алиса со своим кубитом остается дома, а Боб берет свой и отправляется с ним в долгое путешествие – допустим, прыгает в ракету и летит к Альфе Центавра, расположенной в четырех световых годах от нас. Запутанность между двумя частицами не ослабевает по мере того, как они удаляются друг от друга; пока ни Алиса, ни Боб не измеряют спины своих кубитов, общее квантовое состояние останется неизменным.

Как только Боб благополучно прибывает к Альфе Центавра, Алиса наконец измеряет спин своей частицы вдоль заранее оговоренной вертикальной оси. До этого измерения мы понятия не имели, каков будет результат измерения ее спина, – равно как и для спина Боба. Предположим, что Алиса наблюдает верхний спин. В таком случае, по правилам квантовой механики, мы сразу же узнаем, что и Боб зафиксирует верхний спин, как только соберется выполнить измерение.

Это странно. Тридцатью годами ранее Эйнштейн сформулировал правила специальной теории относительности, согласно которой ни один сигнал не может передаваться быстрее скорости света. И все же мы утверждаем, что исходя из правил квантовой механики измерение, выполняемое Алисой здесь и сейчас, оказывает непосредственное влияние на кубит Боба, даже если он находится на расстоянии четырех световых лет от нас. Как кубит Боба узнает, что кубит Алисы был измерен и каков был результат этого измерения? Это и есть то самое «жуткое дальнодействие», о котором так незабываемо беспокоился Эйнштейн.

Но, возможно, все не так плохо, как кажется. Первое, о чем вы можете задуматься, узнав о «жутком дальнодействии», так это можно ли использовать этот феномен для мгновенной коммуникации на больших расстояниях. Можем ли мы сконструировать телефон, действующий по принципу квантовой запутанности, для которого даже скорость света не является ограничением?

Нет, не можем. И даже наш простой пример служит тому подтверждением: если Алиса в результате измерения получает верхний спин, то она сразу же знает, что и Боб получит верхний спин, как только выполнит измерение. Но Боб этого не знает. Чтобы он узнал, каков спин его частицы, Алиса должна послать ему результат своего измерения обычной связью – и скорость передачи этой информации ограничена скоростью света.

Вы могли бы подумать, что здесь есть лазейка: что, если Алиса не просто измерит свой кубит и узнает случайный ответ, но преднамеренно добьется того, чтобы у нее получился именно верхний спин? Тогда Боб тоже получит верхний спин. Складывается впечатление, словно информация действительно была передана мгновенно.

Проблема в том, что не существует простого способа взять квантовую систему в суперпозиции и измерить ее таким образом, чтобы преднамеренно получить нужный нам ответ. Если Алиса просто измерит свой спин, то будет иметь дело с равновероятными вариантами, без всяких «и», «но» и «если». Но Алиса может подправить свой спин до измерения: сделать так, чтобы он находился не в суперпозиции, а стопроцентно был верхним. Например, она может выстрелить в свой электрон фотоном с ровно такими свойствами, чтобы фотон не тронул электрон, если у того верхний спин, а если у того нижний спин – то обратил бы его в верхний. Теперь при измерении электрона Алисы определенно будет получен верхний спин. Но этот электрон больше не будет запутан с электроном Боба.

Квантовая запутанность перейдет на фотон, который окажется в суперпозиции состояний «не тронул электрон Алисы» и «столкнулся с электроном Алисы». На электрон Боба все это совершенно не повлияет, и при измерении его спина с вероятностью 50 % может быть обнаружен либо верхний, либо нижний спин, так что никакая информация передана не будет.

В этом заключается общая черта квантовой запутанности: так называемая теорема о бессигнальности, согласно которой пара запутанных частиц не может использоваться для передачи информации между двумя сторонами быстрее скорости света. Получается, что квантовая механика использует узкую лазейку, нарушая дух теории относительности (ничто не может перемещаться быстрее скорости света), но подчиняется ее букве (конкретные элементарные частицы, а также информация, которую они могли бы передавать, не в состоянии перемещаться быстрее скорости света).

⚪ ⚪ ⚪

Так называемый парадокс ЭПР (который на самом деле никакой не парадокс, а просто свойство квантовой механики) выходит за рамки обычного беспокойства по поводу «жуткого дальнодействия». Эйнштейн стремился показать не столько пугающую сторону квантовой механики, сколько ее неполноту, – по его мнению, квантовая механика была лишь полезным приближением некой всеобъемлющей, базовой модели.

Авторы ЭПР верили в принцип локальности – физические величины, описывающие природу, определяются в конкретных точках в пространстве-времени, а не распределены повсюду и непосредственно взаимодействуют лишь с другими физическими величинами, расположенными поблизости, а не на расстоянии. Другими словами, учитывая ограничение скорости света специальной теорией относительности, локальность, по-видимому, подразумевает, что ничто из того, что мы можем сделать с частицей в одном месте, не может мгновенно повлиять на измерения, которые мы могли бы выполнить с другой частицей очень далеко.

На первый взгляд тот факт, что две сильно удаленные друг от друга частицы могут находиться в состоянии запутанности, подразумевает, что в квантовой механике нарушается принцип локальности. Но авторы ЭПР хотели подойти к этой проблеме основательно и установить, что не существует такого хитрого обходного маневра, благодаря которому все казалось бы локальным.

Они предложили следующий принцип: если у нас есть физическая система в заданном состоянии и измерение, которое мы можем произвести над данной системой со 100 %-ной уверенностью в результате, то мы ассоциируем элемент реальности с данным результатом измерения. В классической механике координата и импульс каждой частицы считаются элементами реальности. В квантовой механике, если у нас есть кубит в чистом состоянии верхнего спина, то есть элемент реальности, соответствующий вертикальному спину, однако не должно быть элемента реальности, который соответствовал бы горизонтальному спину, поскольку мы не знаем, какой результат получим, если измерим его. «Полная» теория в формулировке ЭПР – это такая теория, в которой каждому элементу реальности соответствует отдельный элемент данной теории. И по данному критерию, настаивали авторы ЭПР, квантовая механика не может считаться полной теорией.

Давайте вернемся к Алисе и Бобу с их запутанными кубитами и представим, что Алиса только что измерила вертикальный спин своей частицы, обнаружив, что этот спин верхний. Теперь мы знаем, что измерение, которое выполнит Боб, также даст верхний спин, даже если сам Боб этого не знает. Итак, в свете ЭПР с частицей Боба связан элемент реальности, согласно которому спин его частицы верхний. Речь не идет о том, что этот элемент реальности материализовался, когда Алиса выполнила свое измерение, так как частица Боба при этом находилась очень далеко, а согласно принципу локальности, элемент реальности должен находиться там же, где и частица, – причем он должен был находиться там все время.

Но теперь представьте, что Алиса вообще не измеряла спин по вертикальной оси, а вместо этого измерила его по горизонтальной. Допустим, ее измерение показало для этой частицы правый спин. Состояние квантовой запутанности, из которого мы исходили, гарантирует, что Боб получит тот же результат, что и Алиса, независимо от того, в каком направлении она решит измерять спин своей частицы. Итак, мы знаем, что Боб тоже измерит правый спин, и, в свете трактовки ЭПР, здесь есть – и всегда был – элемент реальности, формулируемый как «кубит Боба будет иметь правый спин, если измерить его по горизонтальной оси».

Не существует способа, который позволил бы частице Алисы или Боба «заранее узнать», какое измерение выполнит Алиса. Следовательно, кубит Боба должен включать элементы реальности, которые бы гарантировали, что его спин окажется верхним, если будет измерен по вертикали, и правым, если будет измерен по горизонтали.

Именно этого не может произойти согласно принципу неопределенности. Если вертикальный спин точно определен, то горизонтальный спин совершенно неизвестен, и наоборот – по крайней мере, в соответствии с общепринятыми правилами квантовой механики. В квантовом формализме нет ничего, что позволяло бы одновременно определить и вертикальный, и горизонтальный спины. Следовательно, ЭПР приходят к триумфальному выводу, что чего-то тут не хватает – квантовая механика не может быть исчерпывающим описанием физической реальности.

Статья ЭПР вызвала бурный интерес даже за пределами профессионального сообщества. Газета «Нью-Йорк Таймс», журналисты которой смогли разговорить Подольского, вышла со статьей об этих идеях на первой полосе. Это возмутило Эйнштейна, в ответ он написал суровое письмо, которое было опубликовано в «Таймс». В этом письме Эйнштейн осуждал преждевременное обсуждение научных результатов в светской прессе. Говорят, что после того случая он больше никогда не разговаривал с Подольским.

Источник: «Википедия»

Реакция профессиональных ученых последовала незамедлительно. Нильс Бор быстро написал ответ на статью ЭПР, в котором, как заявляли многие физики, разрешил все загадки. Правда, не совсем понятно, каким образом: без всяких сомнений, Бор был блестящим мыслителем, но, по своему же собственному признанию, никогда не отличался ясностью изложения мыслей. Его статья пестрела формулировками в духе «на данном этапе возникает принципиальная проблема, связанная с влиянием конкретных условий, определяющих возможные типы прогнозов, касающихся последующего поведения системы». В общем виде его аргументация сводилась к тому, что мы не должны приписывать элементы реальности системам, не принимая во внимание то, как эти системы будут наблюдаться. По-видимому, Бор полагал: реальность того или иного феномена зависит не только от того, что мы измеряем, но и от того, как мы проводим это измерение.

⚪ ⚪ ⚪

Эйнштейн и его коллеги изложили то, что они считали разумными критериями для физической теории – локальность и соотнесение элементов реальности с величинами, поддающимися детерминированному прогнозированию, – и показали, что квантовая механика с этими критериями несовместима. Однако они не делали вывода об ошибочности квантовой механики, а говорили лишь о ее неполноте. Оставалась надежда, что со временем мы найдем теорию получше, которая будет и локальной, и соотносимой с реальностью.

Эту надежду окончательно растоптал Джон Стюарт Белл, физик из Северной Ирландии, работавший в лаборатории ЦЕРН в швейцарской Женеве. Он заинтересовался основами квантовой механики в 1960-х, как раз в тот период в истории физики, когда считалось абсолютно неподобающим размышлять о таких вещах. Сегодня теорема Белла о квантовой запутанности считается одним из важнейших достижений физики.

Эта теорема предлагает нам вновь вернуться к Алисе и Бобу, а также к их запутанным кубитам с ориентированными спинами. (Сегодня такие квантовые состояния называются состояниями Белла, хотя загадку ЭПР в этих терминах впервые концептуализировал Дэвид Бом. Предположим, что Алиса измеряет у своей частицы вертикальный спин и выясняет, что он – верхний. В соответствии с обычными правилами квантовой механики, мы знаем, что если Боб решит измерить горизонтальный, а не вертикальный спин, то с вероятностью 50/50 получит левый или правый спин. Можно сказать, что если Боб измерит вертикальный спин, то корреляция между его и Алисиными результатами составит 100 % (мы точно знаем, что у него получится), тогда как если он измерит горизонтальный спин, то корреляция составит 0 % (мы не представляем, что у него получится).

Итак, что же будет, если Боб, соскучившись в полном одиночестве на космическом корабле, кружащем по орбите Альфы Центавра, решит измерить спин не по горизонтали и не по вертикали, а по какой-нибудь промежуточной оси между ними? (Для удобства предположим, что Алиса и Боб поделились множеством запутанных пар Белла, поэтому могут снова и снова проводить свои измерения, а нас интересует лишь то, что будет, когда Алиса наблюдает верхний спин.) В таком случае Боб (как правило, но не всегда) будет наблюдать спин, сориентированный по оси, максимально близкой к вертикальному направлению «вверх». На самом деле мы можем посчитать: если ось Боба расположена под углом 45 градусов, то между его результатами и результатами Алисы будет 71 %-ная корреляция (это частное от деления единицы на квадратный корень из двух, если вам интересно, откуда взялось такое число).

Белл показал, что при некоторых внешне разумных допущениях данный квантовомеханический прогноз невозможно воспроизвести ни в одной локальной теории. Фактически он доказал строгое неравенство: максимум, чего можно достичь без какого-либо жуткого дальнодействия, – это добиться 50 %-ной корреляции между измерениями Алисы и Боба, если измеряемые ими системы были повернуты на 45 градусов. Квантовый прогноз о 71 %-ной корреляции нарушает неравенство Белла. Существует явная, неоспоримая разница между мечтой о простой основополагающей локальной динамике и реальными прогнозами квантовой механики.

⚪ ⚪ ⚪

Полагаю, сейчас вы думаете про себя: «Эй, что значит “внешне разумные допущения”? Говорите как есть, а там я уж сам решу, что мне кажется разумным, а что нет».

Вполне справедливо. В частности, теорема Белла включает два допущения, в которых можно усомниться. Первое заключается в простой идее, что Боб «решает» измерить спин своего кубита вдоль определенной оси. По-видимому, в нашу теорему о квантовой механике просочился фактор человеческого выбора или свободной воли. Конечно, едва ли этот случай уникален: ученые всегда полагали, что вправе измерять все, что им заблагорассудится. Но в каком-то смысле это просто фигура речи, ведь сами ученые тоже состоят из частиц и сил и подчиняются законам физики. Таким образом, мы можем вообразить, что прибегаем к супердетерминизму – идее о том, что истинные законы физики в высшей степени детерминированы (ни для каких случайностей нет места) и, более того, что исходные условия Вселенной были заложены при Большом взрыве именно таким образом, что определенные «варианты» никогда не могут быть выбраны. Тогда вполне вероятно, что кто-то изобрел бы совершенно локальную супердетерминистическую теорию, которая имитировала бы предсказания квантовой запутанности просто потому, что Вселенная была заранее предопределена быть такой, какая она есть. Сама мысль об этом малоприятна для большинства физиков. Ведь если бы вам удалось настолько тонко настроить свою теорию, то, в принципе, она могла бы дать вам любой желаемый результат, а в таком случае какой вообще смысл заниматься физикой? Но некоторые умные люди являются сторонниками этой идеи.

Другое потенциально сомнительное допущение на первый взгляд кажется непротиворечивым: измерения дают определенный результат. Наблюдая спин частицы, вы получите точный результат – верхний или нижний спин вдоль той оси, относительно которой вы будете его измерять. Кажется логичным, правда?

Но подождите. Ведь нам хорошо известна теория, где измерения не дают определенных результатов, – это строгая эвереттовская квантовая механика. В рамках этой теории попросту неверно, что, измерив спин электрона, мы получим в результате либо верхний, либо нижний спин; в одной ветви волновой функции у нас может получиться верхний спин, а в другой – нижний. Это не означает, что в многомировой интерпретации теорема Белла не соблюдается: математические теоремы безусловно верны, если учитывать их допущения. Просто речь о том, что в данном случае эта теорема неприменима. Результат Белла не подразумевает, что мы должны включать в эвереттовскую квантовую механику жуткое дальнодействие, как это делается в старых и скучных теориях единого мира. Корреляции возникают не потому, что некоторое воздействие передается быстрее скорости света, а из-за ветвления волновой функции на разные миры, в которых происходят коррелирующие явления.

Если вы исследователь основ квантовой механики, то важность теоремы Белла для вашей работы зависит от того, что именно вы пытаетесь сделать. Если вы посвятили себя задаче изобрести новую версию квантовой механики с нуля, в которой измерения действительно имеют определенные результаты, то неравенство Белла – самый важный ориентир, о котором вам стоит помнить. С другой стороны, если вас устраивает многомировая интерпретация и вы пытаетесь разгадать, как эта теория проецируется на наблюдаемые нами феномены, то результат неравенства Белла непосредственно проистекает из базовых уравнений, а не является еще одним ограничением, о котором вам стоит беспокоиться.

Одна из самых потрясающих сторон теоремы Белла заключается в том, что она превращает предполагаемую «жуткость» квантовой запутанности в прямой экспериментальный вопрос – проявляет ли природа однозначно нелокальные корреляции между сильно удаленными частицами или нет? Думаю, вы будете рады услышать, что соответствующие эксперименты уже проводились и прогнозы квантовой механики блестяще подтверждались в каждом из них. В популярных СМИ любят захватывающие дух заголовки вроде: «Квантовая реальность оказалась причудливее, чем считалось ранее!». Но если вы внимательно прочтете подобную статью, то окажется, что был проведен еще один эксперимент, в точности подтвердивший прогнозы квантовой механики, опирающейся на теорию, которая была сформулирована еще в 1927-м или, самое позднее, в 1935 году. Сейчас мы понимаем квантовую механику несравнимо лучше, чем тогда, но сама теория не изменилась.

В данном случае я не хочу сказать, что эксперименты не важны или не впечатляют, – и важны, и впечатляют. Проблема при проверке прогнозов Белла заключается, например, в следующем: мы пытаемся убедиться, что дополнительные корреляции, прогнозируемые квантовой механикой, не могут объясняться какими-то хитрыми классическими корреляциями, известными ранее. Откуда нам знать, не повлияло ли какое-то скрытое событие из прошлого на то, как мы решим измерить наш спин, или на то, каков будет результат измерения, или и на то и на другое сразу?