Помоги проекту - поделись книгой:
В эксперименте было обнаружено, что в отсутствии лазерного нагрева наблюдается интерференционная картина, совершенно аналогичная картине от двух щелей в опыте с электронами. Включение лазерного нагрева приводит сначала к ослаблению интерференционного контраста, а затем, по мере роста мощности нагрева, к полному исчезновению эффектов интерференции. Было получено, что при температурах
Таким образом, роль детектора, способного выделять компоненты суперпозиции, оказалась способна выполнять окружающая среда. В ней при взаимодействии с тепловыми фотонами в той или иной форме и записывалась информация о траектории и состоянии молекулы фуллерена. Никакого специального устройства не надо! Совершенно не важно, через что идет обмен информацией: через специально поставленный детектор, окружающую среду или человека. Для разрушения когерентности состояний и исчезновения интерференционной картины имеет значение только принципиальное наличие информации, через какую из щелей прошла частица, а кто ее получит, не важно. Иначе говоря, фиксация или «проявление» суперпозиционных состояний вызывается обменом информацией между подсистемой (в данном случае — частицей фуллерена) и окружением.
Возможность контролируемого нагрева молекул позволила в данном эксперименте изучить переход от квантового к классическому режиму во всех промежуточных стадиях. Оказалось, что расчеты, выполненные в рамках теории декогеренции (о ней пойдет речь ниже), полностью согласуются с экспериментальными данными.
Иначе говоря, в эксперименте подтверждены выводы теории декогеренции о том, что в основе наблюдаемой реальности лежит нелокализованная и «невидимая» квантовая реальность, которая становится локализованной и «видимой» в ходе происходящего при взаимодействии обмена информацией и сопутствующей этому процессу фиксацией состояний.
На рис. 4 приведена схема установки Цайлингера, без всяких комментариев. Полюбуйтесь на неё, просто так.
Глава 2. Чудо квантовых корреляций
Если вы пошли в магазин за арбузом, то одновременно вы не можете находиться в кругосветном путешествии или на заседании ученого совета. Если арбуз оказался весом 8 кг, то ни у вас, ни у продавца не возникает сомнений в том, что как до взвешивания, так и после него его вес был именно 8 кг, а не 15 кг. Но Богом сотворенный мир гораздо богаче этого нашего житейского опыта…
Где-то в глубине нас сидит потребность сводить все явления окружающего мира к простым и уже известным нам образам и соотношениям. И если мы сталкиваемся с чем-то радикально новым, это нередко вызывает раздражение и скептицизм, а иногда и агрессию. Что заставляет нас наматывать круги по привычным житейским траекториям, когда каждому открыта дверь неповторимости, глубины и яркости любого мгновения?
Попробуем представить, что скажет по этому поводу психолог, философ и мистик.
Психолог отметит, что с этим явлением, именуемым сопротивлением, он сталкивается при работе практически с каждым клиентом. Сопротивление — это переживание внутренней преграды, возникающее у людей по отношению к возможным изменениям в поведении или при осознании некоторых переживаний. Иначе говоря, это переживание границы, за которую человек боится ступить, страшится почувствовать, что там, и обычно избегает даже разговоров на эту тему, находя для этого тысячи причин и оправданий.
Снять или обойти сопротивление в каком-то конкретном случае иногда возможно, только от этого, как от любой манипулятивной технологии, может быть и вред, добавит психолог.
Он также отметит непластичность (ригидность) психики и высокий уровень деструктивного страха тех, у кого новая информация вызвала реакцию неприятия. И подчеркнет возможное отсутствие в их арсенале понятий, способных служить опорой при восприятии: никуда не деться от того, что связь восприятия и поведения с наличием в языке индивида необходимых структур несомненна[16]. В жизни человека нет того, чего он не знает. Если в языке нет слова, обозначающего синий цвет, далеко не каждый носитель этого языка будет способен отличить синий цвет от зеленого.
Далее психолог, вероятно, перейдет к роли Я-образа (некоторого ментального представления о самом себе), посредством которого человек[17] проводит границы между собой и не собой, между возможными и недопустимыми для него мыслями. Эти границы проводятся каждым из нас самым причудливым образом, и мысли, представляющие угрозу для ментального образа себя, будут встречать серьезное сопротивление. А иногда — агрессию, которая может быть направлена не только вовне, но и на себя самого.
Также, добавит психолог, современная система обучения направлена на то, чтобы ориентировать человека на стимулы и оценки, получаемые извне, из социума. С первых дней жизни ребенок учится получать информацию извне, искать награды и поощрения извне и игнорировать свой внутренний голос, если он идет вразрез с тем, что требуют внешние авторитеты. Всё это приводит к тому, что человек становится неспособным следовать своим внутренним импульсам, а стало быть, теряет способность к подлинному развитию и содержательной жизни.
Так скажет психолог.
Современный философ, знакомый с творчеством Мартина Хайдеггера[18], вспомнит «Бытие и время»[19], где автор противопоставил подлинное существование человека Dasein («присутствие», «экзистенция», «вот-бытие») и das Man (люди, люд) — существование человека в повседневности, обыденности.
Бытие-c-другими, усредненная, общественная «понятливость» и «толкуемость» — это характеристики das Man, «люда». Когда человек живет в среде, где всё для него понятно и знакомо, тогда он крутится в бесконечном кругу общепринятых значимостей, избегая всего иного. У «люда» не возникает вопросов о собственном бытии, о смысле, о начале. Жизнь усредненного человека, таким образом, становится неподлинной, его личное теряется в общественном.
Человек, реализующий в себе Dasein, напротив, живет в подлинном здесь и сейчас, открытый тайнам бытия, разговаривающий на языке бытия, проникающий в свою внутримирную действительность.
Именно повседневность и обыденность, заключенность в повторении одного и того же и мешает восприятию актуальности настоящего, не дает подлинной жизни проникнуть в нас. Делая непростой шаг, скачок из круговорота понятности к бытию здесь и сейчас, с его ужасом и одиночеством, но и с его красотой, жизненностью, человек, наконец, может войти в пространство истины.
Так подумает философ.
Мистик же направит спрашивающего внутрь него самого.
Он может сказать так: ты хочешь узнать о стоящих перед тобой препятствиях? Очень хорошо. Однако ты не поймешь, откуда берутся препятствия и в чём они заключаются, пока не узнаешь, кто ты. И как ты делаешь себя таким, какой ты есть.
Вспомни, что определило твои поступки и состояния в последние дни. Почему ты пошел сюда, а не туда, почему у тебя вдруг сменилось настроение, что обусловило важность тех или иных действий или событий для тебя. Вероятно, ты испытывал удовлетворение или неудовлетворение происходящим и пользовался при этом какими-то критериями правильности. Тут у тебя вышло — и ты молодец, хотя тебе просто подфартило. А тут не вышло, и ты считаешь себя неудачником, хотя был внимателен и сделал всё, что мог. Осознавал ли ты, что это были за критерии, и откуда они взялись? Разберись в них. А после честно ответь: ты кто?
Ты подменил себя ролью и функциями, которые привык исполнять? Может, ты действовал из чувства долга? Ты — жалость к себе и страх за себя? Ты делал всё, чтобы получить признание хоть кого-нибудь: друга, знакомого, жены, собственного ребенка? А может быть, ты был животным, которому достаточно поесть и позаниматься сексом? Или ты — некая концепция самого себя, типа: «Я человек, меня ждут важные дела»? Или ты — одна сплошная озабоченность чем-то?
Кто ты?
А когда ты поймешь, с кем, с какой условностью ты ошибочно отождествился, ты сможешь раскрыть свою прежде подавленную природу и отказаться от хождения по кругу иллюзорных значимостей. Используй свою несвободу, именно она показывает тебе путь к себе истинному! Иди туда, откуда мысли рождаются, и там ты встретишь себя истинного! Сейчас же ты вовлекся в происходящее и позволил своей низшей природе, своим ролям, привычкам, функциям считать их собой, забыв, что твоя суть — это ничем не обусловленный и не связанный Дух. Или, пока ты не осознал себя Духом, ты можешь обнаружить себя как Открытость, Незнание, Удивление, Тайну и одновременно поиск этой Тайны.
А далее, при необходимости, мистик пояснит, что в нашу эпоху, эпоху Кали-юги, человек имеет дело лишь с отражением, тенью Истины в своем уме, обычному человеку доступна примерно четвертая часть истины. Восприятие Истины среднему человеку недоступно[20] из-за схваченности его внимания всевозможными аттракторами[21] и сопутствующими им ложными отождествлениями со своей низшей природой. Отсюда проистекает неразвитость более мощных, чем ум, структур восприятия и почти полная слепота и роботизированность. Отсюда и раскол внутри человека, и непонимание других, и всего, что происходит вокруг, и своих задач.
Заодно мистик может добавить: «Разобравшись, кто ты, и став собой, ты узнаешь, что такое жизнь — не выживание, а жизнь. А ответ на вопрос о препятствиях, точнее, решение этого вопроса, возникнет как побочный эффект. Ты увидишь, как твой ум избавляется от всего, что было непонятно или неприятно ему, и находит тысячи причин и уловок, чтобы не допустить новое в твою жизнь. А пока же знай, что ты сам, то есть всё то, что ты о себе полагаешь, и есть главное препятствие. Вне ложных отождествлений ты уже Истина, тебе необходимо лишь осознать свое бытие в ней».
Какой ответ вам нравится больше? Кстати, мистик никогда не станет настаивать на чём-либо. Вы спросили — он ответил. А далее дело ваше, он уважает ваше право на свой путь и свое мнение. Вдобавок, он прекрасно видит и знает, как узки врата, ведущие в жизнь, и на чужом горбу, или повторяя чужой путь, в них не въедешь.
Так что будьте совершенны и позволяйте осуществиться вашей уникальности прямо сейчас! А о возможных путях открытия в себе новых граней сознания мы поговорим позже. Ещё подробнее об этом пойдет речь в моей будущей книге[22].
Сейчас мы рассмотрим эксперименты, говорящие о наличии мгновенной связи между частицами на таких расстояниях, когда между ними уже нет никакого взаимодействия. Я не оговорился! Повторю еще раз: речь будет идти о мгновенной связи между частицами тогда, когда между ними нет никакого взаимодействия.
Приступим. Известно, что фотоны, или кванты света, имеют такую характеристику, как поляризация, которая определяет направление колебаний электрического поля относительно направления движения фотона. Это схематично показано на рис. 5 — колебания волнообразной кривой, обозначающей электрическое поле фотона, лежат в некоторой плоскости, называемой плоскостью поляризации. Существуют пленочные покрытия, называемые поляризационными анализаторами, обладающие свойством пропускать кванты только с определенной плоскостью поляризации.
Подобные пленки используются, например, в поляроидных очках, способных отфильтровывать всевозможные блики, поскольку отраженный свет частично поляризован. Я в таких очках люблю ходить на рыбалку — в них подводный мир виден как на ладони, поскольку почти весь отраженный от поверхности воды свет ими задерживается.
Поляризующая пленка способна пропускать почти весь свет, когда он поляризован в некотором направлении, называемом оптической осью анализатора (она показана горизонтальными линиями). Фотон с такой поляризацией называют продольно поляризованным, он изображен на нижней части рисунка волнообразной линией. В то же время, пленка задерживает весь свет, поляризованный в направлении, перпендикулярном оптической оси поляризационного анализатора (волнообразная линия в верхней части рисунка). Такой фотон называют перпендикулярно поляризованным.
В случае, когда плоскость поляризации фотона и оптическая ось анализатора образуют между собой угол[23] между 0 и 90°, нельзя дать определенного ответа на вопрос, пройдет фотон сквозь пленку или нет. Если кому интересно, в этом случае вероятность прохождения фотона будет равна квадрату косинуса указанного угла. Когда на пленку упадет фотон с поляризацией 45°, то исход события предсказать невозможно: при этом угле в среднем половина фотонов пройдет сквозь пленку, а половина будет задержана. Примерно половина фотонов будет проходить и в том случае, когда угол между плоскостью поляризации пучка и оптической осью анализатора случаен, как это имеет место при обычном дневном свете.
В этой непредсказуемости результата нет ничего странного, разве что может возникнуть вопрос: а уверены ли мы в том, что прохождение фотона сквозь поляризационный анализатор действительно есть случайный процесс? Может быть, есть какой-нибудь скрытый фактор, который определяет, пройдет ли фотон или нет, а мы его просто не знаем?
К этому вопросу — вопросу о наличии так называемых скрытых параметров — мы вернемся позже, а пока попытаемся узнать, что происходит при одновременном наблюдении пары фотонов.
Обычный источник света испускает фотоны со случайной поляризацией, и при наблюдении за любой парой таких фотонов мы увидим, что они будут вести себя совершенно независимо друг от друга. Однако в физике известны процессы, к примеру, последовательное испускание фотонов некоторыми атомами, находящимися в возбужденном состоянии, когда получаются два фотона с одинаковой поляризацией. Одно состояние — продольная поляризация обоих фотонов, другое возможное состояние — их поперечная поляризация.
Поместим источник пар фотонов (в реальных экспериментах в качестве источника использовались атомы кальция и ртути) между двух поляризационных анализаторов (рис. 6), оптические оси которых параллельны, и понаблюдаем за прохождением каждого фотона из пары.
Первое, что нам необходимо проверить, это действительно ли поляризация каждого из фотонов пары случайна. Проделав соответствующие опыты, мы убеждаемся, что да: сквозь анализатор как справа, так и слева от источника проходит, в пределах статистической погрешности, ровно половина фотонов. Точно такой же результат мы бы имели при использовании любого обычного источника света.
Далее следует проверить, что происходит, например, со вторым фотоном, когда первый поглощается. Согласно классическим представлениям, связь между ними должна быть, но только статистическая. Расчёты в теории вероятностей показывают, что при поглощении первого фотона поляризующей пленкой, второй с вероятностью 75 % поглощается[24], однако может с вероятностью 25 % пройти сквозь пленку. В этих расчетах мы исходили из совершенно разумных, на первый взгляд, предположений о том, что оба фотона имеют определенную и совпадающую между собой поляризацию с момента своего рождения.
Эксперимент же показывает, что если проходит один фотон, то всегда проходит и другой. А если поглощается один, то всегда поглощается и другой. То есть один из фотонов пары непостижимым образом знает, что происходит со вторым фотоном!
Это происходит вне зависимости от расстояния между источником пар фотонов и анализаторами. Один из анализаторов, к примеру, может стоять рядом с источником, а второй — быть удален сколь угодно далеко. Полученный результат не зависит и от ориентации оптических осей анализаторов относительно горизонта: важно только, чтобы они совпадали.
Возникает вопрос, можно ли использовать квантовые корреляции для «мгновенной» передачи классической информации из одной точки в другую? Ответ отрицателен, поскольку определяемые состояния частиц на каждом из анализаторов случайны, и их последовательность не несет никакой информации.
Квантовая теория объясняет результат эксперимента поразительно просто и красиво: до измерения поляризации фотона, то есть до прохождения фотоном анализатора, состояния поляризации существуют в состоянии суперпозиции, их просто не существует как локальных характеристик частицы. А в ходе измерения анализатор выделяет из суперпозиции, определяемой выражением (3) либо компоненту |00>, либо компоненту |11>. И в том, и в другом случае оба фотона имеют одинаковую поляризацию, определяемую относительно оптической оси анализатора, поглотившего первый из фотонов! Соответственно, либо они оба будут поглощены, либо они оба пройдут сквозь пленки. Последнее утверждение справедливо, однако, лишь в том случае, когда оптические оси обоих анализаторов совпадают.
Эта ситуация немного напоминает случай, когда у нас имелись два шара, черный и белый, которые потерялись. Найдя белый шар, мы можем утверждать, что оставшийся — черный. Однако объяснить поведение квантовых частиц в предположении, что каждый шар изначально белый или черный, не удастся. Шары, пока мы их не нашли, будут находиться в состоянии суперпозиции белого и черного и вести себя как бесцветные. И только тогда, когда мы определили цвет одного из шаров как черный, другой немедленно перестает быть бесцветным и приобретает белый цвет, на каком бы расстоянии он ни находился! А пока мы не увидели один из шаров, проведя тем самым измерение, шары не имеют цвета в качестве своей индивидуальной локальной характеристики.
На первый взгляд, результаты эксперимента говорят, что квантовый объект каким-то непостижимым образом «узнаёт», что происходит с другим объектом, удаленным от него на значительное расстояние (сейчас проведены эксперименты с расстоянием между парами фотонов более 100 км). Это не совсем так: ничего никому не нужно узнавать, поскольку пара фотонов остается единым объектом по поляризационным (= спиновым[25]) степеням свободы, несмотря на то, что «носители» поляризации пространственно разделены. Сложная система может быть локальна (то есть сепарабельна, разделима на независимые части) по одним степеням свободы и нелокальна (несепарабельна, неразделима на части) — по другим.
Таким образом, в общем случае поляризационные свойства группы фотонов нельзя разделить и приписать каждому фотону свою, присущую ему и только ему поляризацию. Поляризация оказывается системным свойством, а не свойством отдельной частицы! То же самое можно сказать и о любых других характеристиках любой другой частицы или более сложного объекта.
Подобную связь между частицами называют квантовыми корреляциями, а состояния участвующих в них частиц — запутанными.
Запутанное состояние — состояние составной системы, которая не может быть разделена на отдельные, полностью самостоятельные и независимые части, то есть это несепарабельное (неразделимое) состояние.
Не беспокойтесь, если термины не сразу станут привычными, это нисколько не будет мешать восприятию дальнейшего повествования[27].
Наличие квантовых корреляций — неотъемлемое свойство запутанных состояний. Запутанные состояния частиц означают наличие связи между характеристиками этих частиц после их взаимодействия, в замкнутых системах связь между ними будет сохраняться всегда. А в случае открытых систем связь между частицами будет сохраняться до тех пор, пока суперпозиция состояний не превратится под влиянием взаимодействия с окружающими объектами в смесь. То есть смешанные состояния возникают как результаты измерений, выполненных над чисто-квантовыми состояниями, это результат декогеренции чисто-квантовых состояний (говорят — чистых состояний). Смешанные состояния — наиболее привычные для здравого смысла состояния, это именно та материя, которая воспринимается нашими органами чувств и классическими устройствами.
Глава 3. Нелокальность и детерминизм
Реальностью может быть только то, небытие чего невозможно.
Опыты по исследованию квантовых корреляций во многом оказались возможными потому, что физики научились создавать, или, как они выражаются, «приготавливать» запутанные состояния с известными характеристиками. Запутанные состояния образуются всегда, но найти метод «приготовления» того типа связи, который необходим для эксперимента, было весьма непросто, это смогли сделать не так давно. Вот почему опыты, задуманные еще Эйнштейном, удалось провести лишь в 80-х годах XX века.
Кстати, когда Эйнштейн задумывал свои мысленные опыты[28] с парами частиц, он хотел тем самым опровергнуть квантовую механику, поскольку в этом случае ее предсказания явно противоречили классическим представлениям о локальном характере взаимодействий и невозможности мгновенного дальнодействия. Однако мир оказался гораздо фантастичнее, чем это представлялось величайшему из физиков!
Ход рассуждений А. Эйнштейна и его коллег[29] заслуживает того, чтобы на нём остановиться.
Из квантовой механики вытекает, что у частицы нельзя одновременно точно измерить координаты и импульс. Но что, если проводить одновременно наблюдение за двумя частицами? Например, после столкновения двух частиц импульс одной можно измерить, а импульс второй — рассчитать из закона сохранения импульса.
Затем можно измерить координаты второй частицы. Тем самым для второй частицы будут известны одновременно координаты и импульс. Соотношение неопределенности[30], таким образом, рухнет. Этот мысленный эксперимент и казался Эйнштейну опровержением квантовой механики.
Однако здесь заложено предположение, что в момент измерения импульса первой частицы она никак не может передать информацию об этом второй частице, так как при этом они могут находиться на огромном расстоянии, когда никакого «обычного» взаимодействия между ними уже нет. Эйнштейн исходил из привычных представлений, которые в настоящее время именуются локальным реализмом:
• физические свойства системы (например, поляризация фотона) существуют сами по себе, они объективны и не зависят от измерения;
• измерение одной системы не влияет на результат измерения другой системы.
Из этих взглядов, в сочетании с представлением о полной предсказуемости (детерминистичности) поведения системы, следует вывод:
• поведение невзаимодействующей с окружением системы зависит лишь от условий в более ранние моменты времени.
Эти выводы и составляют основу так называемых локальных объективных теорий. Все они требуют введения дополнительных, так называемых «скрытых» параметров, в силу неизвестности которых и возникает кажущаяся непредсказуемость результатов отдельного измерения. То есть, будь эти параметры нам известны, мы бы могли точно сказать, пройдет отдельно взятый фотон через поляризационный анализатор или нет.
Наоборот, выполнение принципа неопределенности формально означало бы, что между частицами существует мгновенная связь с бесконечной скоростью передачи информации. Эту связь Эйнштейн именовал «телепатической», не веря в ее существование. Он и другие сторонники локального реализма при помощи скрытых параметров или как-то иначе пытались свести квантовую нелокальность к привычным представлениям локального реализма.
Таким образом, уже тогда, во времена Эйнштейна, возник вопрос, каков же на самом деле окружающий мир? Этот вопрос долгое время оставался предметом философских спекуляций, однако в 1964 году Джон Белл[31] сформулировал теорему, доказывающую возможность отличить предсказания теорий, основанных на локальности и детерминизме, от предсказаний нелокальной теории (квантовой механики). Соответственно, так называемые неравенства Белла позволяют ответить на вопрос о том, какая из теорий справедлива, исходя из анализа результатов эксперимента. Нарушение этих неравенств означает невозможность описать систему классическим образом.
Ответ на вопрос о том, в каком мире мы живем, и ответ именно в пользу нелокальности мира, был получен в 1982 году в историческом эксперименте группы Алена Аспекта[32], проведенном в Парижском университете. К настоящему времени результат подтвержден сотнями последующих экспериментальных исследований.
Ознакомимся немного с историей этих захватывающих экспериментов. Эксперимент, подобный описанному выше с парой запутанных фотонов, был выполнен[33] в 1972 году, а затем повторен рядом других групп[34]. Схема эксперимента показана на рис. 7.
Фотоны от источника при помощи системы линз направлялись к поляризационным анализаторам, а затем — к детекторам. Для эксперимента было необходимо регистрировать только 2 фотона, испущенных одним и тем же атомом. Это достигалось методом временных совпадений: если оба детектора зарегистрируют фотон, и разность времен регистрации не превысит окно в 20 нс (1 нс = 10–9 с), то с очень большой вероятностью можно утверждать, что оба фотона были одновременно испущены одним и тем же атомом.
Результаты полностью соответствовали предсказаниям квантовой механики: если мы проведем измерение[35] одного фотона пары, то можем точно предсказать, каким будет результат измерения другого фотона, сколь угодно далеко они не были бы пространственно разнесены. Эксперимент показывает, что связь между частицами носит принципиально нелокальный характер.
В рамках классического подхода воздействие на одну из частиц не могло бы повлиять на состояние другой, если частицы не взаимодействуют.
Тем не менее, этот и другие эксперименты того времени еще оставляли возможность сторонникам локального реализма на что-то надеяться. Дело в том, что поляризационные анализаторы сохраняли свою относительную ориентацию постоянной, по крайней мере, в то время, пока фотон летел от источника к детектору. Как говорили сторонники теории скрытых параметров, этого может быть достаточно для обмена информацией между анализаторами с помощью какого-либо гипотетического механизма. Они утверждали, что в условиях данных экспериментов не были выполнены требования локальности Белла. Поэтому такие опыты нельзя рассматривать как критические эксперименты, устанавливающие справедливость квантовой механики или моделей со скрытыми параметрами.
Чтобы исключить и эту возможность[36], Ален Аспект с коллегами выполнили эффектный эксперимент, в котором выбор ориентации поляризационных анализаторов производится оптическими переключателями во время полета фотонов (см. рис. 8).
Поделиться книгой: