Был у физика Джона Белла рассеянный коллега Рейнгольд Бертлман. Тот самый тип, который вечно приходит на работу в разных носках. Белл придумал шутку: если видишь один носок - розовый, то про второй, даже не видя, можно точно сказать: он не розовый. Забавная аналогия. Но в квантовом мире всё устроено так, что эта шутка перестаёт быть шуткой. Там второй носок действительно определяется в момент, когда ты смотришь на первый. И даже если их разнести на сотни километров.
Долгое время это считалось абсурдом. Сам Эйнштейн называл такое «жутким дальнодействием» и был уверен: значит, мы чего-то не понимаем, где-то спрятаны скрытые инструкции, которые частицы получают при рождении. Но трое учёных - Ален Аспе, Джон Клаузер и Антон Цайлингер - получили Нобелевскую премию за то, что доказали: Эйнштейн ошибался. Скрытых инструкций нет. Квантовый мир действительно странен.
Всё - волна. Даже мы
Чтобы понять, откуда берётся эта странность, придётся ненадолго забыть о твёрдых шариках, из которых, как нам казалось в школе, состоит материя. В квантовом мире каждый объект - одновременно и частица, и волна. Это не метафора, не поэтическое преувеличение. Это экспериментальный факт, за который тоже давали Нобелевские премии.
Всё началось с Луи де Бройля. В 1924 году он рискнул предположить: если свет бывает и волной, и частицей, то почему бы электронам не обладать волновыми свойствами? Формула вышла простая: длина волны обратно пропорциональна массе и скорости. Три года спустя, в 1927-м, Клинтон Дэвиссон и Лестер Джермер бомбардировали кристалл никеля электронами и получили дифракционную картину - как от рентгеновских лучей. Волны де Бройля стали реальностью.
Волны умеют складываться. Когда две волны приходят в одну точку в фазе - максимум к максимуму, - их суммарная амплитуда растёт. Освещённость, например, увеличивается не в два раза, а в четыре. А если волн много - тысяча, миллион, 10²², как в лазере, - яркость растёт в миллион раз. Это явление называется когерентностью. Это то, что отличает мелодию от шума, лазер от лампочки.
А теперь самое удивительное: волнами обладают не только фотоны, но и атомы, и даже молекулы. Чем холоднее объект - тем медленнее движутся его частицы, тем длиннее их волны. Если охладить газ атомов до миллиардной доли градуса выше абсолютного нуля, их волны становятся такими длинными, что начинают перекрываться. Возникает удивительное состояние - конденсат Бозе - Эйнштейна. Все атомы ведут себя как одна гигантская волна, как единый «сверхатом».
Как отмечается в статье Physical Review Letters (1995), группа Эрика Корнелла и Карла Ваймана в Колорадо впервые получила этот конденсат, охладив атомы рубидия до 170 нанокельвинов. Почти через 70 лет после того, как Эйнштейн предсказал это состояние в 1925 году. С тех пор конденсаты стали обычным инструментом в физике - их используют для моделирования чёрных дыр и сверхпроводимости.
Носок Бертлмана и неравенство Белла
Вернёмся к носкам. Если бы квантовые частицы были как носки - изначально определённого цвета, просто спрятанные в конверт, - никакой загадки бы не было. Эйнштейн верил именно в это: у каждой частицы есть «скрытые переменные», которые определяют её поведение заранее. Мы просто их не знаем.
В 1964 году Джон Белл, как он сам писал в журнале Physics, предложил способ проверить, кто прав. Он вывел неравенство, которое выполнялось бы, если бы мир был «локальным» и «реалистичным» - то есть если бы у частиц действительно были скрытые инструкции и если бы они не могли влиять друг на друга быстрее скорости света. Квантовая механика предсказывала, что в определённых экспериментах это неравенство будет нарушено.
Первый эксперимент провели в 1972 году Джон Клаузер и Стюарт Фридман. Неравенство нарушилось. Потом Ален Аспект в 1981 году усовершенствовал установку - он менял настройки измерений уже после того, как фотоны покинули источник, чтобы исключить любую возможность «сговора». Нарушение осталось. Потом Антон Цайлингер разнёс запутанные фотоны на 144 километра - между островами Пальма и Тенерифе - и снова получил то же самое.
В 2022 году Нобелевский комитет признал: спора больше нет. Квантовая запутанность - не иллюзия. Частицы действительно могут быть связаны так, что измерение одной мгновенно определяет состояние другой, на любом расстоянии.
Неразличимость важнее запутанности?
Но история на этом не закончилась. В 2025 году - всего несколько месяцев назад - физики из Китая и Германии под руководством Сяо-Сун Ма провели эксперимент, который заставил многих пересмотреть, а что же на самом деле стоит за этой «жуткой» связью.
Согласно материалу Nature Physics (март 2025), они использовали четыре кристалла, каждый из которых при облучении лазером испускал по два фотона. Но они устроили оптическую схему так, что стало невозможно определить, в каком именно кристалле родился тот или иной фотон. Пути фотонов стали принципиально неразличимыми.
И тут случилось неожиданное. Фотоны, которые не были запутаны - они не были связаны в пару, как в классических тестах Белла, - всё равно нарушили неравенство Белла. Они прошли тест так, будто были запутаны. Квантовая корреляция возникла сама собой, без специальной подготовки.
Профессор Марио Кренн из Института Макса Планка предположил: возможно, глубинным источником этих нелокальных корреляций является не сама запутанность, а неразличимость путей. Запутанность - лишь один из способов проявления этой более фундаментальной квантовой особенности.
Пока эксперимент вызвал оживлённые споры. Стефано Паезани из Копенгагена указал на возможные лазейки в методике. Джефф Ландин из Оттавы предположил, что в установке всё же мог быть скрытый канал связи между наблюдателями. Но сам факт такого обсуждения говорит о многом: мы всё ещё только в начале пути к пониманию того, как устроен квантовый мир.
Зачем это всё?
Если вы сейчас подумали «интересно, но при чём тут моя жизнь» - это нормально. Квантовая физика же долгое время имела репутацию чистой теории, далёкой от практики. Но в последние годы всё изменилось.
Квантовая запутанность уже лежит в основе:
- квантовых компьютеров, которые могут решать задачи, недоступные классическим машинам;
- квантовой криптографии - теоретически абсолютно защищённой связи;
- сверхточных атомных часов и квантовых сенсоров.
Цайлингер и его коллеги продемонстрировали квантовую телепортацию - перенос квантового состояния с одной частицы на другую, разнесённую на расстояние. Не пугайтесь: это не телепортация человека, а передача информации. Но сам факт, что мы умеем это делать, открывает дорогу к квантовому интернету.
А эксперимент 2025 года подсказывает, что для создания таких технологий не всегда нужна сложная подготовка запутанных состояний. Иногда достаточно просто сделать пути частиц неразличимыми.
Квантовый компьютер. Квантовая криптография. Квантовый интернет, где информация перескакивает, через всю планету без задержек. Эксперимент 2025 года показывает: для этого не всегда нужно готовить запутанные пары - достаточно сделать пути неразличимыми... даже сложно представить, как близко это к будущему. И по традиции задачка: почему неразличимость путей может быть дешевле и проще, чем создание запутанных фотонов по старинке?