Где будущее влияет на прошлое.
Летом 1935 года физики Альберт Эйнштейн и Эрвин Шредингер занялись богатым, многогранным, а иногда и плачевным соответствием о последствиях новой теории квантовой механики.
В центре их беспокойства было то, что Шредингер позже назвал запутанностью: неспособность описать две квантовые системы или частицы независимо, после того, как они взаимодействовали.
До своей смерти Эйнштейн оставался убежденным, что запутывание показало, насколько квантовая механика была неполной. Шредингер думал, что запутывание было определяющей чертой новой физики, но это не означало, что он принял это легко.
"Я, конечно, знаю, как фокус-покус работает математически", - написал он Эйнштейну 13 июля 1935 года. "Но мне не нравится такая теория."
Знаменитая кошка Шредингера, подвешенная между жизнью и смертью, впервые появилась в этих письмах, как побочный продукт того, что беспокоило пару.
Проблема была в том, что запутанность нарушает то, как должен работать мир. Информация не может двигаться быстрее скорости света,
Но в статье 1935 года Эйнштейн и его соавторы показали, как запутывание приводит к тому, что теперь называется квантовой нелокальностью - жуткой связью, которая, как представляется, существует между запутанными частицами:
Если две квантовые системы встречаются, а затем разделяются, даже на расстоянии в тысячи световых лучей, становится невозможным измерить особенности одной системы (такие как ее положение, импульс и полярность) без мгновенного приведения другой в соответствующее состояние.
До сегодняшнего дня большинство экспериментов проверяли запутанность пространственных разрывов.
Предполагается, что "нелокальная" часть квантовой нелокальности относится к запутанности свойств в пространстве. Но что, если запутывание также происходит во времени? Есть ли такая вещь, как временная нелокальность?
Ответ, как оказалось, - да.
Когда вы думали, что квантовая механика не может стать более странной, команда физиков из еврейского университета Иерусалима сообщила в 2013 году, что они успешно запутали фотоны, которые никогда не сосуществовали.
Предыдущие эксперименты с использованием метода под названием "перестановка запутанности" уже показали квантовые корреляции во времени, задерживая измерение одной из сосуществующих запутанных частиц; но Эли Мегидиш и его сотрудники были первыми, кто показал запутанность между фотонами, продолжительность жизни которых вообще не пересекалась.
Вот как они это сделали:
Во-первых, они создали запутанную пару фотонов, ' 1-2 ' (шаг I на диаграмме ниже). Вскоре после этого они измерили поляризацию фотона 1 (свойство, описывающее направление колебания света) – таким образом, "убивая" его (шаг II).
Фотон 2 был отправлен в погоню за диким гусем, в то время как была создана новая запутанная пара " 3-4 " (шаг III). Затем Фотон 3 был измерен вместе с странствующим фотоном 2 таким образом, что отношение запутанности было "заменено" со старых пар ("1-2" и "3-4") на новую комбинацию " 2-3 " (шаг IV).
Некоторое время спустя (шаг V) измеряется поляризация одинокого выжившего, фотона 4, и результаты сравниваются с результатами фотона 1 с длительным покоем (назад на шаге II).
Результат? Данные показали существование квантовых корреляций между "временно нелокальными" фотонами 1 и 4. То есть, запутывание может происходить между двумя квантовыми системами, которые никогда не сосуществовали.
Что же, спрашивается, это может означать? На первый взгляд это кажется это кажется таким же парадоксальным, как сказать, что полярность звездного света в далеком прошлом, скажем, более чем в два раза за всю жизнь Земли, тем не менее повлияла на полярность звездного света, падающего через Ваш Любительский телескоп этой зимой!
Еще более странно: возможно, это означает, что измерения, проведенные вашим глазом при падении звездного света через Ваш телескоп этой зимой, каким-то образом продиктовали полярность фотонов более 9 миллиардов лет назад!
Чтобы этот сценарий не казался вам слишком странным, Мегидиш и его коллеги не могут удержаться от размышлений о возможных и довольно жутких интерпретаций их результатов.
Возможно, измерение поляризации фотона 1 на шаге II каким-то образом управляет будущей поляризацией 4 фотона, или измерение поляризации фотона 4 на этапе V каким-то образом перезаписывает прошедшее поляризационное состояние фотона 1.
Как в прямом, так и в обратном направлении квантовые корреляции охватывают каузальную пустоту между смертью одного фотона и рождением другого.
Только теория относительности облегчает ситуацию.
Развивая свою специальную теорию относительности, Эйнштейн сместил понятие одновременности с его ньютоновского пьедестала.
Как следствие, одновременность превратилась из абсолютного свойства в относительное. Для Вселенной нет единого хронометриста; точнее, когда что-то происходит, всё зависит от вашего точного местоположения относительно того, что вы наблюдаете - точки отсчёта.
Таким образом, ключом к тому, чтобы избежать странного причинного поведения (управляющего будущим или переписывание прошлого) в случаях временного разделения, является принятием того, что вызывающие события «одновременно» несут небольшой метафизический вес.
Это только свойство, специфичное для кадра, выбор из множества альтернативных, но одинаково жизнеспособных - вопрос, так сказать, конвенции или ведения записей.
Теперь мы переносимся непосредственно на пространственную и временную квантовую нелокальность.
Загадки, связанные с запутанными парами частиц, сводятся к разногласиям относительно маркировки, вызванным относительностью.
Эйнштейн показал, что никакая последовательность событий не может быть метафизически привилегированной или, иначе, может считаться более реальной, чем любая другая. Только приняв это понимание, можно добиться прогресса в таких квантовых головоломках.
Различные системы отсчета в эксперименте еврейского университета (рамки лаборатории, рамки фотона 1, рамки фотона 4 и т. д.) имеют своих "наблюдателей".
В то время как эти наблюдатели будут спорить о том, как все произошло, ни один из них не может претендовать на угол истины. В соответствии с этой пространственно-временной точкой зрения внутри каждого события разворачивается разная последовательность событий.
Очевидно, что любая попытка присвоить свойства, характерные для события(кадра), или привязать общие свойства к одному конкретному событию(кадру) вызовет споры среди наблюдателей.
Но вот в чем дело: хотя могут быть законные разногласия по поводу того, какие свойства должны быть назначены каким частицам и когда, однако, в теории не должно быть разногласий по поводу самого существования этих свойств, частиц и событий.
Тем не менее, эти выводы вбивают еще один клин между нашими любимыми классическими интуициями и эмпирическими реалиями квантовой механики.
Как и для Шредингера и его современников, научный прогресс будет включать в себя изучение ограничений некоторых метафизических взглядов.
Кот Шредингера, полуживой и полумёртвый, был создан, чтобы проиллюстрировать, как запутывание систем приводит к макроскопическим парадоксам, которые бросают вызов нашему обычному пониманию отношений между объектами и их свойствами: организм, такой как кошка, либо мертв, либо жив. Никакой промежуточной точки.
Большинство современных философских трактовок отношений между объектами и их свойствами охватывают запутанность исключительно с точки зрения пространственной нелокальности.
Но есть еще значительная работа по включению временной нелокальности – не только в объективно-свойственных дискуссиях, но и в дебатах состава материала (например, связь между куском глины и формы его статуи), и отношения части и целого (например, как рука касается конечности или конечность человека).
Например, «головоломка» того, как детали соответствуют общему целому, предполагает четкие пространственные границы среди основных компонентов, однако пространственная нелокальность предостерегает от этой точки зрения. Временная нелокальность еще более усложняет эту картину: как описать сущность, составляющие ее части которой даже не сосуществуют?
Отрицание характера запутывания иногда может быть неудобным проектом. Неясно, какая существенная метафизика может возникнуть из-за изучения увлекательных новых исследований, подобных "Megidish" и другим.
В письме к Эйнштейну Шредингер гневно отмечает (и разворачивает странную метафору): "создается ощущение, что именно самые важные утверждения новой теории действительно можно втиснуть в эти испанские сапоги – но только с трудом."
Мы не можем позволить себе игнорировать пространственную или временную нелокальность в будущей метафизике: независимо от того, подходят ли ботинки - нам придется носить их.
Элиза Крулл-доцент кафедры истории и философии науки в городском колледже Нью-Йорка является соавтором предстоящей книги "парадокс Эйнштейна: дебаты о Нелокальности и Неполноте в 1935 году".
Если тебе понравился материал - подпишись! :)