4 октября 2022 года Шведская королевская академия наук решила присудить Нобелевскую премию по физике 2022 года Алену Аспе из Парижа, Джону Ф. Клаузеру из Калифорнии и Антону Цейлингеру из Вены «за эксперименты с запутанными фотонами, установление нарушения неравенства Белла и новаторскую квантовую информатику».
У вопроса, на который отвечали ученые богатая история. Обрисуем ее крупными мазками.
Спор Эйнштейна и Бора
Вопрос о реальности квантовой механики был поднят спором Альберта Эйнштейна и Нильса Бора в 1927 году на пятом Сольвеевском конгрессе.
Сольвеевсий конгресс - конференция по физике и химии в Брюсселе. Любопытно, что в 2014 году такой конгресс был посвящен астрофизике, как и Нобелевские премии 2019 и 2020 годов, а в 2022 году и конференция и премия были посвящены квантовой механике. Темы микро мира и макро мира чередуются в фокусе научных наград.
Все предопределено
До квантовой механики, вселенная физики была безгранично предсказуема: стоит узнать закон природы и начальные условия, как ученому становится известно будущее и прошлое объекта в любой момент времени. Начальные условия могут быть измерены тоже в любой момент времени: узнал условия на старте вселенной и получил всю ее историю до самого конца. Удобно.
Даже уравнения детерминированного хаоса, такие как задача трех тел или предсказание погоды тоже имеют решения, хоть и не общее. Хаотические вычисления экспоненциально чувствительны к начальным условиям, что затрудняет реальные предсказания, но не вносят настоящий непредсказуемый хаос в физику.
Двадцатый век Планк представляет
Однако, двадцатый век сказал: «забудьте все, чему вы научились раньше». Четко по календарю в 1900 году Макс Планк предполагает квантовую природу света, в 1905 Альберт Эйнштейн объясняет откуда свет берется - излучается электронами в виде порций - квантов и существует только в таком виде. В 1923 году Луи де Бройль в заметке «Волны и кванты» предлагает квантовую волну, которую описывает Эрвин Шрёдингер одноименным уравнением в 1925 году. Решением уравнения стала волновая функция, и когда у физиков спросили: «что же в ней волнуется?», ответ «вероятность» многим не понравился. Его и поняли то не все.
Лидером недоверия чистой непредсказуемостью оказался один из ее соавторов. Эйнштейн предположил, что существуют скрытые параметры, узнав которые все таки можно предсказать точное положение и импульс частиц. Кроме того, в Копенгагенской интерпретации квантовой механики, любой объект проходит несколькими путями одновременно и взаимодействует сам с собой. А если понаблюдать, куда точно он отправился, результат опыта меняется - поведение становится классическим. В макро мире это невозможно. Получается, что пересекая некую масштабную черту законы физики меняются на противоположные, а это, как минимум, подозрительно.
Мы запутались
Споры не утихали и в 1935 году Альберт Эйнштейн, Борис Подольский и Натан Розен сформулировали ЭПР-парадокс, который должен был опровергнуть принцип неопределенности Вернера Гейзенберга. Принцип Гейзенберга заключается в том, что измерить импульс и положение частицы точнее некоторой величины нельзя. Можно представить, что измеряя один параметр само измерение меняет другой (это лишь один из вариантов интерпретации такого принципа, сейчас не популярный). В таком случае неопределенность легко обойти. Если две частицы стали результатом распада третей, то их суммарный импульс известен. Можно измерить импульс у одной частицы, а координату у другой, тогда неопределенность пропадет.
Но в квантовой механике так нельзя. Чтобы неопределенность сохранялась, когда мы измеряем что-то у одной частицы, она должна сообщить это второй и та в свою очередь добавляет неопределенность чужого измерения, словно это делали с ней.
Так в 1947 году была сформулирована концепция квантовой запутанности. И сделал это главный критик всего квантового - сам Альберт Эйнштейн в письме Максу Борну. Запутанные частицы, словно делят одно состояние на двоих. Когда они находятся во всех возможных состояниях и взаимодействуют сами с собой, то делают это вместе. Стоит одной частице определиться с квантовым состоянием, как это делает и вторая - мгновенно, быстрее скорости света и даже в прошлом, если нужно. Со специальной теорией относительности Эйнштейна это категорически несовместимо.
Неравенства Белла
В 1964 году Джон Стюарт Белл перевел спор с уровня мысленных экспериментов к гипотезе, проверяемой реальным измерением в статье ««О парадоксе Эйнштейна-Подольского-Розена».
Идея эксперимента - взять запутанные частицы, например электроны и увезти в две лаборатории подальше друг от друга. Спин у электрона +/- 1/2. Это такой магнитный эквивалент вращения для частиц. Его можно определить магнитом: частицы с одним спином полетят к южному полюсу, а с противоположным - к северному. Измерение спина одного из запутанных электронов «вверх» должно привести к измерению у другого «вниз».
Но такой опыт не устраивает критиков. Если у электронов был скрытый параметр до отправки в разные лаборатории, они могли сохранить его и как бы заранее договориться, что один пойдет вверх, а второй вниз. Белл придумал, как перехитрить критиков и квантовые трудности на основе статистики.
Обе лаборатории вращают свои магниты и случайным образом выбирают три оси, вдоль которых измеряют спины. Теперь электроны не могут заранее договориться о направлениях, потому что сами ученые их заранее не знают.
Теперь остается только сравнить вероятность получить совпадающие по направлению спины в классическом случае со скрытыми параметрами и в квантовом, где связь между разделенными частицами существует постоянно. В первом случае это 67 %, а во втором - вероятность зависит от угла между осями и при 120 градусах это 75 %. Разница измеряема, но это потребует сложного оборудования.
В 1969 году был предложен первый вариант эксперимента, проверяемый на оборудовании своего времени. Потребовалось много вариантов чтобы довести схему эксперимента до высокой точности и исключить возможность передачи информации между частицами классическим способом. В 1982 году квантовая запутанность была экспериментально подтверждена, а в 2010 году американец Джон Клаузер, француз Ален Аспе и австриец Антон Цацлингер стали лауреатами премии Вольфа по физике. В многострадальном 2022 году они стали лауреатами Нобелевской премии по физике, что отражает не только удачное проведение экспериментов, но и многолетний вклад в науку и окончание спора, длившегося 95 лет.
Суть нобелевского эксперимента
Схема нобелевского эксперимента предложена Аленом Аспе в 1976, а окончательный вариант эксперимента проведен в 1982 году. В качестве запутанных частиц использовались фотоны, испускаемые атомами кальция. Атом возбуждали криптоновым лазером, а затем он испускал два фотона, что удобно для опыта.
Фотоны сначала попадают на оптические переключатели, где они могут либо передаваться на поляризаторы и детекторы, либо отражаться и чуть дольше лететь на другой набор поляризаторов и детекторов. Поляризаторы выполняют ту же роль что и магниты в эксперименте с электронами. Фотоны в суперпозиции поляризованы в разных направлениях одновременно, пока не произошло измерение на одном из запутанных фотонов. Переключатели срабатывают случайно раз в 10 наносекунд, а длинна пути до второго набора больше чем до первого. Так фотоны лишены возможности заранее «договориться», а передать информацию от одного к другому с досветовой скоростью просто не успеют.
Следующий шаг в квантовый мир: смс в прошлое
Еще более сенсационные эксперименты с получением информации запутанными частицами не только быстрее света, а вообще из будущего впервые проведены Юн-Хо Кимом из Южной Кореи, Ронгом Ю., Сергеем Куликом из МГУ и Яньхуа Ши японцем из Мэрилендского института в США в 1999 году. Эксперимент получил название «квантовый ластик с отложенным выбором». Можно ожидать, что следующая премия в области квантовой механики будет посвящена этой теме.
Главные вопросы к эксперименту - «можно ли таким образом передать сообщения в прошлое?» и «будет ли это прошлое в нашей вселенной?» пока что остаются открытыми.
Для признания научным сообществом Бора победителем спора с Эйнштейном потребовалось почти столетие и некоторая дискуссия до сих пор ведется. Вопрос о квантовом ластике вполне может решаться не меньше.
О чем мы не сказали
Ради читаемости и целостности статьи пришлось упустить несколько серьезных поворотных моментов в физике микромира:
-
В 1932 году Джон фон Нейман доказал что квантовую механику невозможно дополнить скрытыми параметрами, как предлагал Эйнштейн, а так же написал «Математические основы квантовой механики»;
-
В 1957 году Хью Эверетт предложил «многомировую интерпретацию» квантовой механики, в контрой частица взаимодействует не сама с собой, а с двойниками из других вселенных;
-
В 1960 году Дэвид Бом опубликовал еще одну интерпретацию квантовой механики: «квантовую теорию с нелокальными скрытыми переменными», так же известную как «Бомовская» или «пилот-волновая»;
-
Передачу информации основанную на запутанных частицах называют «квантовой телепортацией», первый эксперимент поставлен Антоном Цайлингером в 1997 году;
-
огромный вклад в квантовую механику внес «двухщелевой эксперимент», у которого огромное количество вариантов, в том числе когда щелей не две, в том числе и «квантовый ластик с отложенным выбором» один из них;
-
Наблюдателей в опытах принято называть Алиса и Боб, поэтому в англоязычном интернете ходят шутки о квантовой связи Алисы в зазеркалье Кэррола и Боба Марли.
Этим темам стоит посвятить отдельные циклы статей и выступлений, чем мы неизбежно займемся однажды.
Автор: Георгий Тимс
