Тайны квантовой механики – что такое квантовая запутанность?

Около 100 лет назад ученые впервые задумались о природе некоторых необычных свойств света. Например, света, исходящего от газов, когда их нагревают в пробирке. Если посмотреть на этот свет сквозь призму, можно заметить кое-что необычное. Не спектр, в котором цвета плавно переходят один в другой, отражаясь в хрустальном бокале, а отчетливые линии, цвета которых не смешиваются, как в радуге. Речь идет о вертикальных лучах света, похожих на карандаши – каждый своего цвета. Однако объяснить столь странное свойство света ученые не могли. Поиски ответов безуспешно продолжались, пока физик Нильс Бор в начале ХХ века не выдвинул самую невероятную и фантастическую гипотезу. Бор был убежден, что разгадка отчетливых линий кроется в самом сердце материи – структуре атома.

Фантастическая гипотеза

По мнению ученого атомы напоминают крошечные модели Солнечной системы, так как электроны вращаются вокруг ядра, подобно планетам. Но электроны, в отличие от планет, двигаются по одной определенной орбите и ни по какой другой. Бор утверждал, что когда атом нагревается, электроны приходят в движение и перескакивают с одной орбиты на другую. При этом, каждый скачок сопровождается выбросом энергии в форме света с определенной длиной волны. Вот откуда взялись те странные вертикальные линии и понятие «квантовый скачок».

В документальном фильме National Geographic о квантовой теории, физик Брайан Грин рассказывает об удивительных свойствах квантового скачка, которые заключаются в том, что электрон перемещается с одной орбиты сразу на другую, будто бы не пересекая пространство между ними. Как если бы Земля в одно мгновенье поменялась орбитами с Марсом или Юпитером. Бор считал, что из-за странных свойств электронов в атоме, они излучают энергию определенными, неделимыми порциями, которые называются кванты. Именно поэтому электроны могут двигаться строго по определенным орбитам и могут находиться либо в одной точке, либо в другой, но никак не посередине. В повседневной жизни мы не сталкиваемся ни с чем подобным.

Если бы бейсбольный мяч оказался в двух местах одновременно, мы могли бы поверить, что нас обманывает волшебник. Но в квантовой механике наличие частицы в двух местах одновременно – это именно то, что заставляет нас считать эксперимент истинным.

При нагреве атомов электроны начинают перескакивать с одной орбиты на другую.

Каким бы невероятным ни казалось предположение Бора, физики довольно быстро нашли большое количество доказательств в пользу его теории – электроны действительно ведут себя по совершенно иным законам, нежели планеты Солнечной системы или шарики для пинг-понга. Открытие Бора и его коллег, однако, противоречило общеизвестным законам физики и вскоре привело к столкновению с идеями, высказанными Альбертом Эйнштейном.

Квантовая запутанность

Эйнштейн не мог смириться с неопределенностью Вселенной, вытекающей из квантовой механики. Физик считал, что объект существует не только когда за ним наблюдают (как утверждал Нильс Бор), но и все остальное время. Ученый писал: «Мне хочется верить, что Луна светит даже когда я на нее не смотрю.» Сама мысль о том, что реальность Вселенной определяется когда мы открываем и закрываем глаза казалась ему немыслимой. По мнению Эйнштейна квантовой теории не хватало чего-то, что описало бы все свойства частиц, в том числе их местонахождение даже в тот момент, когда за ними не наблюдают. И в 1935 году Эйнштейну показалось, что он нашел слабое место квантовой механики. Это было невероятно странное явление, противоречащее всем логическим представлениям о Вселенной – квантовая запутанность.

Квантовая запутанность – это теоретическое предположение вытекающее из уравнений квантовой механики, согласно которому две частицы могут запутаться, если находятся довольно близко друг к другу. Их свойства при этом становятся взаимосвязанными.

Но даже если разделить эти частицы и отправить в разные концы света, как предлагает квантовая механика, они все равно могут остаться запутанными и неразрывно связанными. Эйнштейну такая связь между частицами казалась невозможной, он так ее и назвал – «сверхъестественная связь на расстоянии». Ученый допускал, что запутанные частицы могут существовать, но считал, что никакой «сверхъестественной связи на расстоянии» нет. Напротив, все предопределено задолго до момента измерения.

Допустим, кто-то взял пару перчаток, разделил их и положил каждую в отдельный чемодан. Затем один чемодан отправили вам, а второй в Антарктиду. До того момента, пока чемоданы закрыты, вы не знаете, какая из перчаток там лежит. Но открыв чемодан и обнаружив в нем левую перчатку, мы со 100% уверенностью узнаем, что в чемодане в Антарктиде лежит правая перчатка, даже если в него никто не заглядывал.

Нильс Бор, в свою очередь, полагался на уравнения, доказывающие, что частицы ведут себя как два колеса, которые могут мгновенно связать случайные результаты своего вращения, даже находясь на огромном расстоянии друг от друга. Так кто же прав?

Определить, действительно ли между запутанными частицами существует «сверхъестественная связь» как между вращающимися колесами, или же никакой связи нет и свойства частиц предопределены заранее, как в случае с парой перчаток, удалось физику Джону Белл. С помощью сложных математических вычислений Белл показал, что если сверхъестественной связи нет, то квантовая механика неверна. Однако физик-теоретик также доказал, что вопрос можно решить, построив машину, которая создавала и сравнивала бы много пар запутанных частиц.

Основываясь на инструкциях Белла физик, специалист по квантовой механике Джон Клаузер собрал машину, способную проделывать эту работу. Машина Клаузера могла измерять тысячи пар запутанных частиц и сравнивать их по очень многим параметрам. Полученные результаты заставили ученого думать, что он допустил ошибку. Вскоре французский физик Ален Аспе подобрался к самой сути спора Эйнштейна и Бора.

Ален Аспе – французский физик, специалист по квантовой оптике, теории скрытых параметров и квантовой запутанности.

В опыте Аспе измерение одной частицы могло прямо повлиять на другую только в случае, если сигнал от первой частицы ко второй прошел бы со скоростью, превышающей скорость света. Что, как мы знаем, невозможно. Таким образом оставалось только одной объяснение – сверхъестественная связь. Более того, проведенные эксперименты доказали, что математическая основа квантовой механики верна.

Запутанность квантовых состояний – это реальность.

Выходит, квантовые частицы могут быть связаны несмотря на огромные расстояния, а измерение одной частицы действительно может повлиять на ее далекую пару, как если бы пространства между ними никогда не существовало. Но ответить на вопрос о том как работает эта связь сегодня не может никто.