Представьте себе лес. Вдруг с порывом ветра, одно из деревьев падает и ударяется об землю. Но поблизости никого нет рядом, кто бы мог услышать шум от падения. Значит ли это, что звука от падения не было? Возможно да.
А если, кто-нибудь был рядом и слышал, как дерево упало? Изменим ли мы наше мнение?
Мы только что описали парадокс квантовой механики - одной из двух фундаментальных теорий, где вторая, теория относительности Энштейна.
Квантовая механика против здравого смысла.
Прочитайте три утверждения:
1. Когда, кто-то наблюдет свершившееся событие, значит оно реально произошло.
2. Параллельно с этим существует вероятность свободного выбора или по крайней мере несколько статистических случайностей выбора.
3. И одна из этих вероятностей свободного выбора не может одновременно повлиять на удаленное событие.
Все эти три идеи интуитивны и принимаются на веру большинством физиков. Но исследования опубликованные в журнале Nature of Physics показали, что это не так - квантовая механика должна разрушить некоторые звенья этой цепочки.
Квантовая механика идеально описывает поведение атомов и фотонов. Кстати, весьма странное поведение.
В большинстве случаев она не дает точный ответ на вопрос: "Где именно сейчас находится частица?". Вместо этого предлагается вероятность того, где частица может находиться в данный момент наблюдения.
Нильс Бор - один из основателей, теории, которая возникла 100 лет назад, объяснял это факт тем, что "мы не можем отследить точное местоположение частицы не потому, что у нас недостаточно информацией, а потому-что физические свойства "точной позиции", в действительности не существуют, пока не будут измерены.
Из этого следует, что местонахождение некоторых частиц, не может быть определено точно и одновременно по двум параметрам - скорости и позиции, то есть они не могут быть вообще реальными одновременно по этим двум параметрам.
Альберта Эйнштейна очень увлекала эта теория, но он счет ее не состоятельной. В 1935 году в статье с соавторами Борисом Подольским и Натаном Розеном, он аргументировал, что частицы должны быть более реальными, чем описывает их квантовая механика.
В статье описывался следующий эксперимент. Представьте себе две пары удаленных частиц, находящихся в особом физическом состоянии, сегодня называемое, как квантовая запутанность. Когда мы замеряем одинаковые параметры (скорость или позиция) связанных частиц, результаты будут случайны, но между полученными данными будет определенная корреляция.
Например, наблюдатель, замерив позицию первой частицы, может точно предсказать результаты измерения позиции удаленной второй, без наблюдения за ней. То же самое и со скоростью. Это простое объяснение утверждало, что частицы существуют еще до их измерения, в то время как в теории Бора, они возникают только в момент измерения.
Однако в 1964 году физик родом из Северной ирландии Джон Белл, разнес аргументы Эйнштейна в щепки. Он усложнил наблюдение. В эксперименте уже два наблюдателя случайно и независимо друг от друга измеряли скорость или позицию подопытных частиц. Что в итоге? Результаты оказались хаотичны и теория Эйнштейна не смогла объяснить ни одно из полученных данных.
Это звучит невероятно, но эксперименты Белла были повторены многократно и убедительно продемонстрировали, что Бор был прав. Частицы не существуют до момента, пока мы их не измерили. Однако здесь возникает новый вопрос: "А может ли само измерение повлиять на результаты?".
В 1961 году Юджин Вигнер, физик теоретик болгарско американского происхождения, провел мысленный эксперимент, показав, обманность самого процесса измерения.
Он описывает ситуацию, когда его друг уходит в полностью изолированную лабораторию, где начинает замерять параметры квантовых частиц, при этом проговаривая вслух каждый позицию.
Однако, отмечает Вигнер, если мы будем использовать уравнения квантовой механики, чтобы одновременно описать ситуацию снаружи, то мы получим абсолютно другие результаты. Вместо этого каждое проведенное другом измерение позиции, делает частицы реальными, что с позиции Вигнера, обозначает только одно, друг становиться связанными с частицей и "заражается" неопределенностью, которая окружает ее.
Этот эксперимент абсолютно идентичен известному мысленному опыту "Кот Шредингера".
Так вот, наконец, мы подошли к новому эксперименту, проведенном Эриком Кавальканти из Гриффитского университета. В новом эксперименте была использована расширенная версия парадокса вигнеровского друга, впервые предложенная Чаславом Брукнером из Венского университета. В новом сценарии есть два физика - назовем их Алиса и Боб. У каждого есть свой собственный друг (Чарли и Дэбби) в двух удаленных лабораториях.
Теперь эта парочка друзей начинает замерять пары связанных частиц, как в эксперименте Белла. И как утверждает Вигнер, уравнения квантовой механики подтвердят, что Чарли и Дэбби становятся связанными с их замеряемыми квантовыми частицами. Но так как сами частицы тоже были связаны изначально, то Чарли и Дэбби, тоже становятся связанными друг с другом - в теории.
Эксперимент проходил так. Друзья заходили в лабораторию и начинали замерять частицы. Некоторое время спустя, Алиса и Боб, подкидывали монету. Если выпадал орел, они открывали лабораторию и спрашивали результаты. Если решка, то просили измерить показатели заново.
Это дополнительное измерение, всегда будет давать положительный результат для Алисы, если Чарли связан с его наблюдаемой частицей, как считает Вигнер. То же самое для Боба и Дэбби.
В то же время каждый результат измерения, записанный Чарли и Дэбби сразу стирается, не попадая во "внешний" мир. Как будь-то после каждого измерения у парочки друзей наступала амнезия и они абсолютно ничего не помнят.
Значит ли это, что событие реально произошло?
Если все три идеи в начале статьи верны, то каждый друг внутри лаборатории видел реальный результат его измерения, не зависимо, заходили Алиса или Боб в лабораторию. Так же результаты Алиса и Чарли не зависели бы от того, какой стороной упадет монета Боба. Верно будет и противоположное.
Во-вторых эксперимент подтвердил, что квантовая механика может предсказывать, если использовать пары связанных фотонов. Каждый друг замерял одно из двух значений поляризации. Однако эксперимент был проведен с учетом того, что "друзья" очень маленькие и упрощенные. Поэтому остается открытым вопрос, о верности данного наблюдения, когда измерения станут более сложными.
