Раньше считалось: если закон физики работает в лаборатории в Москве, он точно так же сработает в лаборатории в Нью-Йорке, на Марсе или у далёкой звезды Бетельгейзе. Физика едина для всей Вселенной. Это казалось настолько очевидным, что не требовало доказательств — скорее, это было молчаливым убеждением, на котором держалась вся наука.
Теперь придётся переучиваться. Международная группа физиков провела серию экспериментов, которые рушат эту красивую картину мира. Оказалось на фундаментальном уровне природа устроена хитрее: законы работают только локальн о. А то, что происходит в соседней галактике, может вообще не подчиняться нашим правилам.
И речь не о какой-то экзотике вроде чёрных дыр или кварк-глюонной плазмы. Речь о базовых принципах — тех самых, которые мы учили в школе и считали незыблемыми.
Часть 1. Спор, расколовший физиков на полвека
Что подразумевал Эйнштейн?
Всё началось с Эйнштейна. И закончилось, как это часто бывает, тоже им. В 1935 году вместе с коллегами Борисом Подольским и Натаном Розеном он опубликовал статью, которая до сих пор считается одной из самых глубоких в физике. Называлась она скучно — «Можно ли считать квантовомеханическое описание физической реальности полным?». Но за скучным названием скрывалась бомба замедленного действия.
Эйнштейн сформулировал принцип, который казался самоочевидным: на результат эксперимента могут влиять только объекты, находящиеся непосредственно рядом. Никакого «дальнодействия» — никаких мгновенных влияний на расстоянии. Если вы измеряете частицу в своей лаборатории, то, что происходит с другой частицей на Луне, никак не может повлиять на ваше измерение. Если бы могло — пришлось бы признать, что информация передаётся быстрее скорости света, а это, по Эйнштейну, невозможно.
Этот принцип назвали локальностью.
Звучит разумно, правда? Мы же не верим в телепатию и магию. Почему в физике должно быть иначе?
Квантовое безумие
Но квантовая механика, которая как раз в те годы обретала свои современные очертания, вела себя подозрительно. Из её уравнений следовало, что частицы могут находиться в состоянии запутанности — когда две частицы ведут себя как единое целое, даже если их разнести на тысячи световых лет.
Измеряете одну — и вторая мгновенно «узнаёт» результат и подстраивается. Не важно, где она — в соседней комнате или в галактике Андромеды.
Эйнштейн отказывался в это верить. Он называл это «жутким дальнодействием» (spukhafte Fernwirkung) и до конца жизни был убеждён: в теории просто не хватает каких-то «скрытых параметров», которые всё объяснят по-старинке
Просто мы чего-то не знаем. Какие-то переменные пока не открыли. Когда откроем — никакой магии не останется.
Человек, который придумал, как проверить
Спор мог остаться философским навсегда. Эйнштейн умер в 1955 году, так и не узнав, кто прав. Но в 1964 году североирландский физик Джон Белл, работавший в CERN, нашёл способ превратить философию в экспериментальную физику.
Он вывел неравенства — математические соотношения, которые выполняются, если мир локальный и «честный» (с локальными скрытыми параметрами), и нарушаются, если квантовая механика всё-таки позволяет мгновенную связь.
Выглядели они так: |E(a,b) — E(a,c)| ≤ 1 + E(b,c). Но суть не в формулах. Суть в том, что Белл показал: можно поставить эксперимент и просто померить, кто прав — Эйнштейн или Бор (главный оппонент Эйнштейна в тех спорах).
Оставалось только сделать это технически.
Часть 2. Охота за призраками
Почему полвека не могли получить ответ?
Казалось бы — бери и меряй. Но дьявол кроется в деталях.
Чтобы проверить неравенства Белла, нужно выполнить три условия:
Создать запутанные частицы (научились делать быстро)
Разнести их очень далеко, чтобы они физически не успели обменяться сигналом
Менять настройки detectors случайно, причём так, чтобы случайность была абсолютной — не зависящей от самого эксперимента
С первым пунктом справились к 1970-м. Со вторым — к 2000-м. А вот третий оказался самым сложным.
Если вы используете обычный генератор случайных чисел, работающий на тех же физических принципах, что и эксперимент, нельзя исключить, что какие-то «скрытые параметры» влияют на всё сразу. Это как если бы вы проверяли, честно ли судья судит футбольный матч, но свисток судьи был подключён к системе видеоповторов того же стадиона. Замкнутый круг.
Как 100 тысяч геймеров спасли физику
И тут учён ые сделали неожиданный ход.
Они подумали: а что, если использовать человеческую свободу воли как источник случайности? Люди нажимают на клавиши вполне хаотично — во всяком случае, предсказать нажатия со 100% точностью невозможно.
В 2016 году физики из Института фотонных наук в Барселоне (ICFO) создали браузерную игру The BIG Bell Test. Выглядела она как аркада: на экране появлялись последовательности нулей и единиц, а игрок должен был придумывать как можно более случайную строку. В игре был «оракул» — нейросеть, которая пыталась угадать следующее нажатие. Чем лучше игрок придумывал случайности, тем выше поднимался по уровням и получал больше очков.
Звучит как развлечение. Но за этим стояла серьёзнейшая научная задача. В эксперименте участвовало больше 100 тысяч человек со всего мира. В пиковые моменты скорость генерации достигала 1000 бит в секунду, а всего за время игры набралось больше 90 миллионов случайных выборов.
Эти последовательности отправились в 13 лабораторий в разные страны мира — в Европе, Австралии, Китае и США. Десять экспериментов работали с запутанными фотонами, два, с фотонами и атомами, ещё один, со сверхпроводниковыми кубитами.
Люди нажимали клавиши у себя дома, а в этот момент в лабораториях фотоны вели себя так, как будто ждали команды.
Что показали цифры?
Ни один из 13 экспериментов не увидел локальности. Законы природы вели себя так, будто частицы действительно «договаривались» мгновенно, быстрее скорости света. Неравенства Белла нарушались во всех опытах.
Статистическая значимость результатов оказалась чудовищной — от 3 до 140 сигма. Для понимания: в физике элементарных частиц открытием считается 5 сигма (вероятн ость ошибки — около одна на три с половиной миллиона). 20 сигма — это ошибка меньше 10⁻²⁰⁰. 140 сигма — это уже за пределами любого разумного сомнения.
«Если вы всё ещё верите в локальные скрытые параметры, пошутил тогда один из авторов, вам придётся допустить, что 100 тысяч человек действовали на 100% согласованно, подчиняясь неизвестному нам космическому заговору».
Часть 3. Нидерландский эксперимент: алмазы, километры и наносекунды
Параллельно c BIG Bell Test другой эксперимент готовился в Делфтском техническом университете (Нидерланды). Группа Рональда Хансона поставила перед собой цель — закрыть все «лазейки» разом.
К 2015 году таких лазеек накопилось три:
• Лазейка локальности (частицы могли обменяться сигналом)
• Лазейка детектирования (детекторы ловили не все частицы)
• Лазейка свободы выбора (настройки могли быть неслучайны)
Хансон решил убить всех зайцев одним выстрелом.
Как запутать алмазы?
В Делфте запутали два электрона. Но не в вакууме, а в алмазных кристаллах. Звучит как фантастика, но технология работает: электроны в алмазах ведут себя так, что их спиновые состояния можно удерживать в квантовой когерентности очень долго. Кристаллы разнесли в разные концы кампуса — расстояние составило 1,3 километра.
Один алмаз, в лаборатории А, второй, в лаборатории Б. Между ними — обычный голландский городок с велосипедистами, студентами и кафе.
Измерения проводили с помощью тех самых квантовых генераторов случайных чисел, разработанных в ICFO. Эти устройства — настоящие «квантовые кости»: они выдают случайные числа на основе фундаментальной неопределённости квантовых процессов.
Скорость была бешеной: генератор выдавал один случайный бит каждые 100 наносекунд. Это время, за которое свет проходит всего 30 метров.
Алмазы были разнесены на 1,3 км. Пока сигнал со скоростью света дошёл бы от одного алмаза до другого, прошло бы больше 4 микросекунд — в 40 раз дольше, чем интервал между измерениями.
Электроны физически не успевали обменяться сигналом даже в теории. Но результаты измерений всё равно совпадали — именно так, как предсказывает квантовая механика для запутанных частиц.
Почему это называют «безлазейковым»?
Эксперимент Хансона остался в истории как первый loophole-free Bell test, в котором закрыты все три основные лазейки одновременно.
Результаты опубликовали в Nature в 2015 году. И даже самые упёртые сторонники «скрытых параметров» притихли.
В том же 2015 году ещё две группы, одна в Вене (под руководством Антона Цайлингера, нобелевского лауреата 2022 года), другая в Боулдере (США), провели аналогичные эксперименты с другими техническими решениями.
Цайлингер, кстати, запутывал фотоны на расстоянии 144 километра — между двумя островами на Канарских островах. Лазерный луч отправлял фотоны через океан, а детекторы на другом острове ловили их и измеряли. Результат тот же: локальность умерла.
Часть 4. Чем важно это для нас? (и для Вселенной)
Физика: новое понимание реальности
Давайте честно: в том, что квантовая механика работает, никто не сомневался уже лет пятьдесят. Ещё в 1980-х Ален Аспе во Франции ставил эксперименты, которые убедительно показывали нарушение неравенств Белла.
Но тогда оставались лазейки. Всегда можно было сказать: «А вдруг фотоны всё-таки успели обменяться сигналом?» или «А вдруг детекторы просто не заметили нужные частицы?» Теперь лазеек нет. Эксперименты 2015–2016 годов поставили точку.
Мир оказался устроен иначе, чем представлял себе Эйнштейн. Либо Бог действительно играет в кости (и случайность — фундаментальное свойство Вселенной, а не наше незнание), либо частицы умеют общаться быстрее скорости света.
Возможно, и то и другое одновременно. Или 3-е - чего мы пока не понимаем.
Принцип локальности, казавшийся незыблемым, работает только в нашем макроскопическом мире — мире столов и стульев, яблок и апельсинов. На квантовом уровне действуют другие правила.
Что говорят философы?
Здесь начинается самое интересное. Если законы физики не универсальны, а локальны, то:
Разные части Вселенной могут жить по разным правилам. То, что мы считаем фундаментальными константами (скорость света, постоянная Планка), может быть локальным свойством нашего пузыря реальности.
Причинность перестаёт быть глобальной. Событие А может влиять на событие Б, даже если между ними нет никакой связи в пространстве-времени — по крайней мере, в том смысле, в каком мы привыкли.
Реальность может быть «многослойной». То, что мы наблюдаем как физические законы, — лишь проекция более глубоких процессов, которые недоступны прямому измерению.
А вдруг всё-таки есть скрытые параметры?
В теории — да, можно придумать модель, в которой скрытые параметры всё-таки существуют, но они «нелокальны» (т.е. влияют на всё сразу). Такие теории называют «супердетерминистскими».
Но они требуют, чтобы всё во Вселенной было жёстко связано с самого начала — включая решения 100 тысяч человек, нажимавших на клавиши в BIG Bell Test. Включая ваше решение читать эту статью. Включая решение автора её написать.
С позиции науки, такое объяснение хуже, чем признание квантовой нелокальности. Потому что оно ничего не предсказывает, а просто «заметает проблему под ковёр».
Что остаётся?
«Мы не просто интерпретируем факты через теорию, — комментируют авторы исследования. — Мы часто даже не видим те процессы, которые наша классическая картина мира считает невозможными. А они есть».
Тёмная материя, квантовые компьютеры, природа пространства-времени — возможно, объяснение этих загадок лежит именно в отказе от универсальности. Если законы локальны, поэтому, в разных частях Вселенной могут действовать разные правила. И где-то там, за пределами нашего пузыря реальности, физика работает совсем иначе.
Эйнштейн ошибался. Но ошибался красиво, на пределе человеческого понимания. И именно благодаря его ошибке мы теперь знаем о мире чуть больше.
Возможно, следующая ошибка — наша. И она откроет следующий уровень реальности.
Поделитесь своим мнением в комментариях: как вы думаете, существует ли объективная реальность без наблюдателя?
Ставьте 👍, если статья заставила задуматься, и подпишитесь на канал — здесь всегда интересно!