Физический мир вокруг традиционно локален, это означает, что для того чтобы какой-то объект изменился, он должен провзаимодействовать с другим объектом. При этом никакое взаимодействие не может распространяться со скоростью быстрее световой: это и делает физическую реальность локальной. Вспышка на Солнце не может мгновенно сказаться на работе спутников: заряженным частицам придется преодолеть расстояние до Земли и провзаимодействовать с электроникой и частицами атмосферы.
Но в противоположность макромиру, где царствует локальность, в квантовом мире действует принцип нелокальности, который делает возможным микрообъектам - связанным квантовым частицам, мгновенно узнавать о состоянии друг друга, даже если они разделены огромными расстояниями.
Свойство нелокальности Альберт Эйнштейн довольно пренебрежительно назвал «жуткими действиями на расстоянии». Эйнштейн был настолько расстроен выводами о нелокальности, что в какой-то момент, заявил, что вся квантовая теория должна быть ошибочной, и он никогда не принимал идею нелокальности до самой смерти.
Нелокальность была впервые описана в мысленном эксперименте "ЭПР" - Эйнштейна, Бориса Подольского и Натана Розена в 1935 году. Доказана теоремой Белла, опубликованной Джоном Беллом в 1964 году, и экпериментально подтверждена последующими практическими экспериментами Джона Клаузера и Стюарта Фридмана в 1972 году и Алена Аспекта в 1982 году.
Выступая против принципа неопределенности Гейзенберга, в 1935 г. Эйнштейн вместе с Борисом Подольским и Натаном Розеном сформулировал свой парадокс. «Ну хорошо, – рассуждали они, – допустим, узнать одновременно координату и импульс частицы невозможно. Но что, если у нас есть две частицы общего происхождения, состояния которых идентичны? Тогда мы можем измерить импульс одной, что даст нам косвенным образом сведения об импульсе другой, и координату другой, что даст знание координаты первой». Такие частицы были чисто умозрительной конструкцией, мысленным экспериментом.
Нелокальность возникает из-за явления сцепления - запутанности частицы, которые взаимодействуют друг с другом, становятся постоянно коррелированными или зависимыми от состояний и свойств друг друга до такой степени, что они фактически теряют свою индивидуальность и во многих отношениях ведут себя как единое целое. Две концепции нелокальности и запутанности идут рука об руку.
Две частицы, скажем электроны, в «запутанном состоянии», демонстрируют очень таинственный вид связи, или «корреляции». Если один каким-либо образом возмущается, это мгновенно влияет на другой, даже если они разнесены в пространстве очень далеко на огромные расстояния.
Чтобы по достоинству оценить странность квантовой запутанности, рассмотрим простой мысленный эксперимент. Предположим, что мы подбросили монетку и, не глядя на нее, разрезали пополам (так, чтобы отделить две грани монеты), затем спрятали каждую половину в запечатанной коробке, отдали одну коробку Алисе, а другую коробку Бобу, и отправили Алису на Венеру, а Боба на Марс. Когда Алиса откроет свой ящик, она найдет половину монеты или с орлом, или с решкой, а Боб найдет другую половину. В этом нет ничего удивительного.
Но теперь вместо монеты с двумя сторонами, предположим, что у нас есть два электрона. Легко приготовить два электрона в двух противоположных состояниях, один со спином вверх и другой со спином вниз (по аналогии с орлом и решкой), и снова провести подобный эксперимент. Разница в том, что в квантовом мире, два случая (А) спин вверх в коробке Алисы и спин вниз в коробке Боба, и (B) спин вниз в коробке Алисы и спин вверх в коробке Боба - могут существовать одновременно благодаря суперпозиции.
Вместо обычного А или В, мы можем иметь А и B, что соответствует интерпретации квантовой теории. Пока Алиса не заглянет внутрь, ее коробка содержит электрон, который определенно не обладает ни спином вверх, ни спином вниз. Это неопределенное состояние может быть описано только путем рассмотрения электронов в двух коробках как частей единой системы, они не могут быть описаны отдельно. Аналогичная ситуация складывается и для электрона в коробке Боба.
Если Алиса теперь заглянет в свою коробку, она заставит природу выбрать то или иное определенное состояние, А или В, причем природа выберет его случайным образом. Пусть природа выбирает состояние А (спин вверх для Алисы, спин вниз для Боба). Примечательно, что этот выбор влияет одновременно на обе коробки, независимо от того, как далеко они находятся друг от друга. В момент, когда Алиса заглянет в свою коробку, она повлияет не только на свой электрон, чтобы он приобрел определенный спин вверх, но и на электрон Боба (в его пока запечатанной коробке), чтобы он приобрел определенный спин вниз. Взгляд Алисы на ее электрон мгновенно влияет на электрон Боба, независимо от расстояния между ними. Вторая частица мгновенно принимает спин, противоположный первой, так что пара сохраняет свой нулевой общий спин , независимо от того, не имеет значения как далеко они могут быть друг от друга, и в полном нарушении закона скорости света .
Одно из самых глубоких открытий современной физики - Теорема Белла, опубликованная в 1964 году показала справедливость свойства нелокальности.
В 1964 году Джон Белл получил новый теоретический результат. Он доказал, что можно провести определенный эксперимент, результаты которого позволят точно определить, действительно ли квантово-механические объекты описываются волновыми функциями распределения вероятностей, как они есть, и следовательно квантомеханический мир - это мир Нильса Бора - вероятностный мир, где действует принцип неопределенности Гейзенберга и состояние частиц описываются волновыми функциями и существует парадокс нелокальности, или же, как считал Эйнштейн, в квантовых уравнениях имеется скрытый параметр, о котором мы еще не знаем и открытие которого, позволит в дальнейшем точно описать и положение и импульс квантовых частиц, как у ньютоновского шарика и тем самым подтвердить свойство локальности микромира.
Теорема Белла доказала принципиальную возможность проведения серийного эксперимента, статистические результаты которого. в частности, подтвердят или опровергнут свойство нелокальности.
Последующие, проведенные практические эксперименты Джона Клаузера и Стюарта Фридмана в 1972 году внесли предельно ясную картину в разногласия Бора и Эйнштейна на природу квантового мира. Волновая функция распределения вероятностей совершенно безошибочно описывает движение частиц от источника к датчику. Следовательно, уравнения волновой квантовой механики не содержат скрытых переменных и понимание Эйнштейна не верно.
В 1982 г. Ален Аспект и его сотрудники в университете Пари-Зюд провели эксперимент, который также убедительно продемонстрировал квантовую нелокальность.
Экспериментальное доказательство теоремы нелокальности для случайного набора измерений у далеко разнесенных в пространстве квантово-сцепленных /запутанных частиц – это наиболее поразительный результат за всю историю физики. Теоретикам физической науки пока всё еще только предстоит определиться с тем, что означают данные результаты для нашего фундаментального понимания мира.
Спасибо за внимание!
Все фото взяты с Яндекса в свободном доступе.