Всесвіт не має локальної реальності
Елегантні експерименти із заплутаним світлом оголили глибоку таємницю, що лежить в основі реальності.
Одне з найтривожніших відкриттів за останні півстоліття полягає в тому, що Всесвіт не є локально реальним.
Пояснимо.
"Реальність" означає, що об'єкти мають певні властивості, що не залежать від спостереження за ними - яблуко може бути червоним, навіть коли ніхто на нього не дивиться.
"Локальність" означає, що на об'єкти може впливати тільки їх оточення, і що будь-який вплив не може поширюватися швидше за швидкість світла.
Дослідження на межі квантової фізики показали, що обидва ці твердження неправильні. Докази показують, що на об'єкти впливає не тільки їхнє оточення, а ще вони можуть не мати певних властивостей до тих пір, поки їх не виміряли або не подивилися на них.
Як запитав одного разу Альберт Ейнштейн у свого друга:
Це, звичайно, глибоко суперечить нашому повсякденному досвіду. Перефразовуючи Дуглас Адамс, можна сказати, що загибель локального реалізму дуже розлютила багатьох людей і була сприйнята як невдалий крок.
Вина за це досягнення тепер повністю покладена на плечі трьох фізиків: Джона Клаузера, Олена Аспекта та Антона Цайлінгера.
Вони порівну розділили Нобелівську премію з фізики 2022 року “за експерименти із заплутаними фотонами, встановлення порушення нерівностей Белла та піонерство у науці про квантову інформацію”. (“Нерівності Белла” належать до новаторської роботи північноірландського фізика Джона Стюарта Белла, який на початку 1960-х років заклав основи Нобелівської премії з цьогорічної фізики). Колеги погодилися, що трійця заслужила цю нагороду за повалення реальності, яку ми її знаємо.
“Це фантастична новина. Це давно назріло, — каже Санду Попеску, квантовий фізик із Брістольського університету. – Безперечно, нагорода заслужена”.
Шлях квантових основ від третьорядних до лідерів був довгим. Приблизно з 1940 до 1990 року до цієї теми ставилися в кращому випадку як до філософії, а в гіршому - як до нісенітниці. Багато наукових журналів відмовлялися публікувати роботи з квантових основ, а академічні посади, що дозволяють проводити такі дослідження, було практично неможливо отримати. У 1985 році радник Попеску застеріг його від здобуття докторського ступеня з цього предмета. Він сказав:
Сьогодні наука про квантову інформацію є однією з найяскравіших та найвпливовіших областей фізики. Вона пов'язує загальну теорію відносності Ейнштейна з квантовою механікою через все ще загадкову поведінку чорних дірок. Вона диктує дизайн та функції квантових датчиків, які все частіше використовуються для вивчення всього – від землетрусів до темної матерії. І вона прояснює природу квантової заплутаності, що часто збиває з пантелику, - явища, яке є ключовим для сучасного матеріалознавства і лежить в основі квантових обчислень.
"Що взагалі робить квантовий комп'ютер квантовим? – риторично запитує Ніколь Юнгер Халперн, фізик із Національного інституту стандартів та технологій. – Одна з найпопулярніших відповідей – заплутаність, і головна причина, через яку ми розуміємо заплутаність, – це грандіозна робота, в якій брали участь Белл та ці лауреати Нобелівської премії. Без цього розуміння заплутаності ми, мабуть, не змогли б реалізувати квантові комп'ютери".
По кому дзвонить дзвін Белла
Проблема з квантовою механікою полягала не в тому, що вона робила невірні передбачення - насправді теорія чудово описувала мікроскопічний світ від самого початку, коли фізики розробили її в перші десятиліття 20-го століття.
Те, з чим Ейнштейн, Борис Подільський та Натан Розен не погоджувалися і що вони виклали у своїй знаковій роботі 1935 року – це незручні наслідки теорії для реальності. Їхній аналіз, відомий під ініціалами ЕПР, був заснований на уявному експерименті, покликаному проілюструвати абсурдність квантової механіки.
Хоча аналіз був покликаний показати недосконалість квантової механіки, але коли провели реальні версії ЕПР, результати замість спростування підтвердили найдивовижніші постулати теорії. Згідно з квантовою механікою, природа не є локально реальною – частинки не мають таких властивостей, як обертання вгору або вниз доти, доки спостерігач не почне вимірювати це обертання. А ще, схоже, вони якимось чином спілкуються один з одним, незалежно від відстані.
Фізики, що скептично ставляться до квантової механіки, припустили, що є якісь “приховані змінні”, фактори, що існують на якомусь невідчутному рівні реальності під субатомною сферою, які містять інформацію про майбутній стан частки. Вони сподівалися, що у теоріях прихованих змінних природа зможе повернути локальний реалізм, у якому їй відмовила квантова механіка.
“Можна було подумати, що аргументи Ейнштейна, Подільського та Розена зроблять на той момент революцію, і всі почнуть працювати над прихованими змінними”, – каже Попеску.
Однак "атака" Ейнштейна на квантову механіку не знайшла відгуку серед фізиків, які загалом прийняли квантову механіку як є. Часто це було не так вдумливим прийняттям нелокальної реальності, як бажанням не думати надто багато, займаючись фізикою – настрій “голова в піску”, який фізик Девід Мермін пізніше резюмував як вимогу “заткнутися і рахувати”.
Відсутність інтересу була викликана частково тим, що Джон фон Нейман, дуже шановний учений, в 1932 опублікував математичний доказ, що виключає теорії прихованих змінних. (Доказ фон Неймана, треба сказати, було спростовано всього через три роки молодою жінкою-математиком Гретою Герман, але на той час ніхто, схоже, цього не помітив).
Проблема нелокального реалізму квантової механіки томитиметься в добродушному ступорі ще три десятиліття, поки її рішуче не зруйнує Белл. З початку своєї кар'єри Белл був стурбований квантової ортодоксією і симпатизував теорії прихованих змінних. Натхнення відвідало його у 1952 році, коли він дізнався про життєздатну нелокальну інтерпретацію прихованих змінних квантової механіки, розроблену колегою-фізиком Девідом Бомом – те, що фон Нейман вважав за неможливе. Белл розмірковував над цими ідеями протягом кількох років, як побічний проект до своєї основної роботи як фізика частинок у ЦЕРНі.
В 1964 Белл знову виявив ті ж недоліки в аргументах фон Неймана, що і Герман. А потім, у тріумфі суворого мислення, Белл придумав теорему, яка витягла питання про приховані змінні з метафізичної трясовини на бетонний ґрунт експерименту.
Дзвін Белла дзвонить по тобі
У 1967 році Джон Клаузер, на той час аспірант Колумбійського університету, випадково натрапив на бібліотечну копію статті Белла і був зачарований можливістю довести правильність теорії прихованих змінних. Через два роки Клаузер написав Беллу листа, в якому запитував, чи справді хтось провів тест. Лист Клаузера був одним із перших відгуків, отриманих Беллом.
За підтримки Белла через п'ять років Клаузер і його аспірант Стюарт Фрідман провели перший тест Белла. Клаузер отримав дозвіл від своїх начальників, але коштів було мало, тому він став, як він сказав у пізнішому інтерв'ю, майстерним “пірначем по звалищах”, щоб знайти обладнання, частину якого вони з Фрідманом потім склеїли скотчем. У установці Клаузера - апараті розміром з каяк, що вимагає ретельного ручного налаштування - пари фотонів прямували в протилежні сторони до детекторів, які могли вимірювати їх стан або поляризацію.
На жаль для Клаузера та його захоплення прихованими змінними, коли він і Фрідман завершили свій аналіз, вони не могли не дійти висновку, що знайшли переконливі докази проти них. Тим не менш, результат навряд чи був остаточним через різні "лазівки" в експерименті, які могли дозволити впливу прихованих змінних прослизнути непоміченими. Найбільш важливою з них була лазівка локальності: якщо джерело фотонів і детектори могли якимось чином обмінюватися інформацією (що цілком можливо в межах об'єкта розміром з байдарку), виміряні кореляції, що результують, все одно могли виникнути через приховані змінні.
Закрити лазівку локальності легше сказати, ніж зробити
Налаштування детектора повинні бути швидко змінені, поки фотони знаходяться в польоті - "швидко" означає лічені наносекунди. У 1976 році молодий французький фахівець з оптики Ален Аспект запропонував спосіб такого надшвидкого перемикання.
Експериментальні результати його групи, опубліковані 1982 року, лише підтвердили результати Клаузера: локальні приховані змінні виглядали вкрай малоймовірними.
“Можливо, природа не така дивна, як квантова механіка, – написав Белл у відповідь на перші результати Аспекту. – Але експериментальна ситуація не дуже обнадіює із цього погляду”.
Однак інші шпарини все ще залишалися. На жаль, Белл помер у 1990 році, так і не побачивши їх закриття. Ніхто не кинувся закривати ці лазівки з більшою запопадливістю, ніж Антон Цайлінгер, амбітний та товариський австрійський фізик. У 1998 році він та його команда вдосконалили попередню роботу Аспекта, провівши випробування Белла на безпрецедентній на той час відстані майже пів кілометра.
Епоха передбачення нелокальності реальності за допомогою експериментів розміром з байдарку добігла кінця. Нарешті, у 2013 році група Цайлінгера зробила наступний логічний крок, вирішивши проблему кількох лазівок одночасно.
“До квантової механіки мене цікавила інженерія. Мені подобається створювати речі своїми руками, – каже Марісса Джустіна, квантовий дослідник із Google, яка працювала з Цайлінгером. – Озираючись назад, можна сказати, що експеримент Белла без лазів – це гігантський системно-інженерний проект”.
Однією з вимог для створення експерименту, що закриває безліч лазівок, було знайти ідеально прямий, вільний 60-метровий тунель з доступом до оптоволоконних кабелів. Як виявилося, підземелля віденського палацу Хофбург було майже ідеальним місцем, якщо не вважати того, що воно було вкрите віковим пилом. Їхні результати, опубліковані у 2015 році, збіглися з аналогічними тестами двох інших груп, які також виявили, що квантова механіка бездоганна, як ніколи.
Тест Белла досяг зірок
Залишалося закрити або хоча б звузити одну останню, але велику лазівку. Будь-який попередній фізичний зв'язок між компонентами, незалежно від того, наскільки далеким було минуле, може вплинути на достовірність результатів тесту Белла.
У 2017 році команда, що включає Кайзера та Цайлінгера, провела випробування космічного Белла. Використовуючи телескопи на Канарських островах, команда отримувала випадкові рішення для налаштувань детектора від зірок, розташованих досить далеко один від одного в небі, щоб світло від однієї не досягало іншої протягом сотень років, забезпечуючи віковий розрив у їхньому загальному космічному минулому. Але навіть тоді квантова механіка знову здобула перемогу.
Одна з головних труднощів при поясненні важливості тестів Белла громадськості – а також скептично налаштованим фізикам – полягає в уявленні, що істинність квантової механіки була вирішена наперед. Зрештою, дослідники виміряли багато ключових аспектів квантової механіки з точністю більше 10 частин на мільярд.
Але точність квантової механіки було виключити можливість існування локальних прихованих змінних; це могли зробити лише тести Белла.
"Що залучило кожного з цих нобелівських лауреатів до цієї теми, і що залучило самого Джона Белла до цієї теми, так це питання про те, що: "Чи може світ існувати таким чином?" – каже Кайзер. – І як ми можемо знати це достовірно?”.
Тести Белла дозволяють фізикам усунути з рівняння упередженість антропоцентричних естетичних суджень. Очистити їхню відмінність від тих частин людського пізнання, які тікають з можливості жахливо незрозумілої заплутаності чи глузують з теорій прихованих змінних як з черговими дебатами у тому, скільки ангелів може танцювати на кінчику голки.
Нагорода присуджена Клаузеру, Аспекту та Цайлінгера, але вона є свідченням усіх дослідників, яких не задовольняли поверхневі пояснення квантової механіки, і які ставили свої питання навіть тоді, коли це було непопулярно.
Тепер ми можемо по-новому подивитись реальність. І тепер вона зовсім інша.
