Однажды у меня порвался носок. Совсем небольшая дырочка на пятке, и я не стал его выкидывать.
А когда я после стирки стал разбирать носки, я вот что подумал. Если я сначала найду рваный носок, то я смогу уже совершенно точно сказать, что второй носок, парный к нему, обязательно будет целым. И наоборот: если я сначала найду целый, то парный к нему обязательно будет с дыркой.
То есть эти два носка находятся в квантовой запутанности: определив состояние одного носка, я уже могу точно сказать, каким будет второй, даже если эти два моих носка разнести на огромное расстояние - на разные концы Вселенной.
Первая проблема
В принципе, примерно так явление квантовой запутанности обычно и объясняют. Только вместо целого и рваного носка обычно приводят пример с двумя носками разного цвета - например, красного и зеленого.
Некто Маша всегда носит носки разного цвета (просто чтобы выпендриться и привлечь к себе внимание). И однажды, чтобы напомнить о себе своим друзьям Пете и Васе, она послала им две закрытые посылки-коробочки с двумя своими носками, красным и зеленым, перевязав эти коробочки ленточкой с бантиком. И понятно, что как только Петя откроет свою посылку и увидит цвет присланного ему носка, он сможет уже совершенно точно сказать, какого цвета носок Маша послала Васе. Даже если Петя и Вася будут находиться на других краях Земли.
Однако с квантовой запутанностью есть две проблемы. И первая состоит в том, что как только мы измеряем спин одного запутанного фотона и определяем его значение ("вверх" или "вниз"), спин второго фотона мгновенно также становится определенным. Если перевести это на язык нашего примера, получается, что как только Петя откроет свою посылку и узнает цвет своего носка, Вася одновременно с ним открывает свою посылку.
А с какой стати? И как такое может быть, если Петя никак не сообщал (и не мог сообщить) Васе, что он откроет свою посылку в определенное время? То есть запутанные фотоны, в отличие от носков, очевидно, остаются как-то физически связанными, даже если их разнести на разные стороны нашей Галактики.
Вторая проблема
А вторая проблема состоит в том, что Маша хорошо знала, какого цвета носок она послала Пете, а какой - Васе. И она бы могла это сказать, не открывая посылок. И все это время, пока коробочки с носками шли к Пете и Васи, вплоть до момента, когда один из них решил открыть свою коробочку - цвет обоих носков, в обеих коробочках, оставался тем же самым, как их положила Маша.
А в квантовой запутанности это не так. Если бы с запутанными фотонами все было так же, как в примере с носками, соблюдались бы неравенства Белла. А эксперименты показывают, что неравенства Белла нарушаются. А это значит, что у двух запутанных фотонов до момента измерения нет определенного спина. Спин определяется только в момент измерения одного из фотонов. После чего спин второго фотона мгновенно также становится определенным и принимает противоположное значение.
Решение первой проблемы
Эксперименты показывают, что эта корреляция между двумя запутанными фотонами в момент измерения происходит мгновенно (или, как минимум, со скоростью, много превышающей скорость света). А значит, эта корреляция между ними не может осуществляться с помощью какого-то известного нам взаимодействия - то есть с помощью каких-то полей или частиц. А значит, их на расстоянии уже не может связывать ничего - никакие поля или частицы.
Кроме одного - самого пространства-времени. А следовательно, корреляция запутанных фотонов происходит с помощью самого пространства-времени.
Но как такое может быть? Очень просто. Приведу такой пример.
Допустим, я стою на поверхности Земли, на какой-нибудь лужайке. А вдали от меня, на некотором расстоянии, растет дерево. Что произойдет, если я сделаю шаг вправо? Правильно: дерево сдвинется относительно меня влево.
Это свойство самого пространства-времени, его относительности. Все инерциальные системы отсчета в пространстве-времени равноправны, и если одна система движется относительно другой, которую мы приняли неподвижной, то мы с полным правом можем сказать, что это первая система неподвижна, а движется (относительно нее) вторая система.
Мы можем взять не дерево вдали, а что-то другое. Например, кратер на Луне. Или камень на Марсе. Или какую-то точку на далекой звезде. Но указанный принцип останется верным: если вы сдвигаетесь относительно кратера на Луне или камня на Марсе в одну сторону - кратер или камень сдвинется относительно вас в противоположную сторону. Мгновенно. И это просто свойство самого пространства-времени.
Здесь, правда, могут возникнуть проблемы и вопросы с "мгновенностью". То есть с "одновременностью" этого сдвига для двух систем отсчета относительно друг друга. Ведь согласно СТО, понятие "одновременности" - тоже относительно, и является весьма проблематичным. Но в данном случае, как мне представляется, такой проблемы нет. Ведь когда вы сдвигаетесь вправо относительно дерева, вам не нужно посылать какой-то сигнал дереву, чтобы оно сдвинулось влево относительно вас. Как и самому дереву не нужно посылать вам какой-то сигнал с сообщением, что оно таки тоже сдвинулось (в противоположную сторону). А в случае с кратером на Луне или с камнем на Марсе вы даже вряд ли сможете как-то зафиксировать/зарегистрировать этот сдвиг кратера или камня относительно вас, когда вы сделаете свой шаг в сторону. А если и сможете - то довольно сложным образом и, конечно, уже с задержкой во времени.
Но в том-то и дело, что в данном случае никакого "обмена информацией" через пространство с помощью сигналов не происходит. "Переносчиком информации" выступает само пространство-время, его свойства. Его относительность. И любой сдвиг одной системы отсчета относительно другой подразумевает мгновенный сдвиг другой системы отсчета относительно первой.
То есть любая система отсчета в пространстве-времени - в силу единства пространства-времени и его свойств - оказывается, так сказать, "запутанной" (связанной) со всеми другими системами отсчета в том же пространстве-времени. И только благодаря этому между всеми системами отсчета всегда сохраняется строгая корреляция - так что, например, переход из одной инерциальной системы отсчета в другую происходит в строгом соответствии с преобразованиями Лоренца, независимо от того, на каком расстоянии друг от друга находятся эти две системы.
Пройдитесь по тропинке вдоль какого-нибудь леса или парка, где есть множество деревьев, и понаблюдайте, как при каждом вашем шаге деревья начнут "двигаться" и "плясать" - относительно вас и относительно друг друга. Может показаться, что в этой "беготне" деревьев присутствует полный хаос. Однако любой сдвиг каждого дерева - относительно вас и друг друга - строго закономерен, до сантиметра. И эта "беготня" деревьев полностью согласована с каждым вашим шагом и с вашим положением относительно деревьев.
Квантомеханическое поле
В случае с запутанными квантовыми частицами все, конечно, несколько сложнее. Ведь в случае двух запутанных фотонов их самосогласованная и мгновенная корреляция происходит не в их взаимном положении относительно друг друга, а в их спинах.
А значит, в квантовом мире существуют и какие-то дополнительные способы корреляции состояний квантовых частиц. Но "работают" они точно так же, как и в случае самосогласованной и мгновенной корреляции взаимного положения двух систем отсчета - также самосогласованно и мгновенно. А следовательно, эти корреляции также могут осуществляться только с помощью самого пространства-времени, каких-то его свойств. И никак иначе.
То есть две запутанные частицы связаны между собой не просто пространством-временем, а каким-то его состоянием (или свойством). Тем, что я называю квантомеханическим полем.
Решение второй проблемы
Для меня гораздо сложнее для понимания вторая проблема: судя по экспериментам по проверке неравенств Белла (а таких экспериментов проводилось несколько), состояние запутанных фотонов до момента измерения является неопределенным. Как только мы определяем состояние (спин) одного фотона (например, оказывается, что у него спин "вверх) - второй тут же принимает второе значение (спин "вниз"), но все указывает на то, что до момента измерения у первого фотона (а следовательно, и у второго) никакого определенного спина нет. И он может оказаться либо "вверх", либо "вниз", совершенно случайным образом (с равной вероятностью).
Если снова прибегнуть к моему примеру, это как если бы мы, перед тем, как сделать шаг влево или вправо, сначала подбрасывали бы монетку, чтобы решить, в какую сторону сделать этот шаг. Но как только мы делаем этот шаг - дерево мгновенно смещается в противоположную сторону.
Объяснений этому факту, в рамках различных интерпретаций квантовой механики, существует несколько. Так, самое популярное (в рамках Копенгагенской интерпретации), что у разлетающихся запутанных фотонов их спины находятся в "суперпозиции", а в момент измерения значения их спинов принимают два значения этой "суперпозиции". Это, похоже, чисто математически вполне правильно, но данное объяснение на самом деле мало что объясняет (как и вся Копенгагенская интерпретация) в том, каков физический смысл всего этого. И каков "механизм" такой корреляции (происходящей даже на огромных расстояниях).
У меня, конечно, есть мысли на сей счет, но об этом уже в другой статье. А пока констатируем: корреляция двух запутанных фотонов осуществляется за счет самого пространства-времени, какого-то особого его состояния или свойства, которое можно определить как квантомеханическое поле (стоячую квантомеханическую волну).
Квантомеханическое поле в моем понимании - это не какое-то новое, еще неизвестное нам, физическое поле. Квантомеханическое поле - это просто какие-то еще неизвестные нам свойства самого пространства-времени. И именно эти свойства пространства-времени определяют поведение всех квантовых систем и описываются в квантовой механике волновой функцией. Включая явление запутанных квантовых частиц, поведение которых описывает общая для них волновая функция. Никак иначе, по-моему, все это объяснить невозможно.