Спутанные фотоны могут поколебать пространство и время

Швейцарские физики провели очередной эксперимент по спутыванию частиц. Полученные результаты могут заставить учёных по-новому взглянуть на правильность "классических" представлений о нашей Вселенной. Всегда ли одно следует из другого, и возможна ли ситуация, когда наблюдаемые нами независимые события на самом деле являются частью чего-то большего?

С научной точки зрения суть вопроса сводится к существованию так называемой квантовой нелокальности. Или, если говорить упрощённо, в возможности взаимодействия выше скорости света. В своё время Эйнштейн назвал это "призрачным дальнодействием".

Не исключено, что призрачным может стать стройное здание современной физики, построенное на постулатах теории относительности – инвариантности скорости света, собственно относительности систем отсчёта и однородности пространства-времени.


Установка в университете Женевы (Université de Genève), на которой проводился эксперимент (фото с сайта gap-optique.unige.ch).

Установка в университете Женевы (Université de Genève), на которой проводился эксперимент (фото с сайта gap-optique.unige.ch).

Вкратце напомним, о чём идёт речь.

Возможность взаимосвязанного описания квантового состояния двух объектов вытекала из квантовой теории, появившейся всего через 10 лет после теории относительности.

Если запутанные частицы разнесены в пространстве, то, проведя замер одной из них, можно узнать о состоянии другой.

Учитывая принцип неопределённости, получается, что мы сначала сообщаем (путём замера) подопытному объекту конкретную характеристику (например спин), а потом этот объект каким-то образом передаёт своему "близнецу" информацию о замере.

С тех был проведён не один эксперимент по спутыванию, но споры о сущности наблюдаемого явления не прекращались.

Основной камень преткновения – "информация о замере" или просто "информация". Оказывают ли измерения, проводимые над одной системой, мгновенное воздействие на другую?

Эйнштейн считал, что частицы каким-то образом находят возможность обмениваться информацией на скоростях, не превышающих 300 000 километров в секунду.

В современной физике противники нелокальности считают, что либо частицы приобретают взаимоисключающие характеристики ещё до эксперимента, либо передача информации о коллапсе волновой функции возникает уже после сравнения результатов (а ведь для проверки их надо сравнить) – и это тоже не особо быстро.

Николя Жизен (Nicolas Gisin) и его коллеги из университета Женевы решили поставить под сомнение саму передачу информации – отчёт об этой работе опубликован в журнале Nature.

Каждый игрок сам выбирает, какой рукой делать бросок, а результат – орёл или решка – от выбора руки не зависит и составляет в среднем 50 на 50. Ход испытаний фиксируется в лабораторном журнале. Прилетают "монеты"-фотоны к "игрокам"-интерферометрам в деревни Сатиньи (Satigny) и Жюсси (Jussy), что на расстоянии 18 километров друг от друга (иллюстрация M-Sat Ltd/SPL/Nicolas Gisin).

Каждый игрок сам выбирает, какой рукой делать бросок, а результат – орёл или решка – от выбора руки не зависит и составляет в среднем 50 на 50. Ход испытаний фиксируется в лабораторном журнале. Прилетают "монеты"-фотоны к "игрокам"-интерферометрам в деревни Сатиньи (Satigny) и Жюсси (Jussy), что на расстоянии 18 километров друг от друга (иллюстрация M-Sat Ltd/SPL/Nicolas Gisin).

Проще всего объяснить теорию швейцарцев на конкретном примере. Представим себе двух игроков, подбрасывающих монеты. Они находятся на расстоянии друг от друга и бросают свои монеты один раз в минуту.

Если два находящихся в разных местах "участника соревнований" сравнят свои записи, они увидят, что когда, по случайному совпадению, оба делают бросок левой рукой, их результаты всегда противоположны: орёл/решка или решка/орёл. А если хотя бы один бросает правой – наоборот, совпадают.

Однако даже если бы игрок № 1 решил постоянно пользоваться только одной рукой, это не повлияло бы на статистику результатов игрока № 2, – конечный результат серии испытаний от выбора руки не зависит!

Следовательно, наблюдаемая корреляция не предполагает никакого обмена информацией, то есть она является бессигнальной (non-signaling correlation). По крайней мере, так считают авторы исследования.

С целью экспериментального подтверждения этой теории группа Жизена "связала" два фотона, а потом "разлучила" их, отправив по оптическому кабелю в противоположные стороны.

Исследователи одновременно измеряли состояния запутанных частиц и пришли к выводу, что они "взаимодействовали", причём со скоростью, превышающей скорость света в 10 000 раз.

Последующие расчёты показали, что частицы не могли "поделиться" информацией (а потом каким-то образом хранить её) до своего разбега.

Более того, от движения источника (то есть системы отсчёта) скорость полученного взаимодействия тоже не зависела. Таким образом, два постулата теории относительности были поставлены под сомнение. Что заставило задуматься о сущности третьего – однородности нашего мира.

Происходил ли обмен информацией между фотонами в принципе?

"Одинаковая случайность проявляет себя сразу в различных местах, – говорит доктор Жизен, впрочем, сразу же добавляя, – но мне самому смысл сказанного не до конца понятен" (фото с сайта swissquantum.ch).

"Одинаковая случайность проявляет себя сразу в различных местах, – говорит доктор Жизен, впрочем, сразу же добавляя, – но мне самому смысл сказанного не до конца понятен" (фото с сайта swissquantum.ch).


Вот как это трактует доктор Жизен: "У них не просто не было времени для обмена информацией. Понятия времени в нашем понимании вообще не существует для запутанных частиц".

По его мнению, полученные "сверхсветовые" данные свидетельствуют не о том, что частицы очень быстро чем-то обмениваются, но о том, что "искусственные" представления о пространстве-времени не отражают реального положения вещей.

Корреляция между состояниями фотонов – не взаимосвязь (другими словами, передача информации), но некое единичное событие, проявляющее себя сразу в двух местах. Правда, описания сущности этого "события" швейцарец не даёт.

Аналогичной точки зрения придерживается Теренс Рудольф (Terence Rudolph) из Имперского колледжа Лондона (Imperial College London), который считает, что квантовые объекты выходят за пределы классического пространственно-временного континуума, фактически придуманного человеком для собственного удобства.

Но, само собой, есть и оппоненты столь смелым суждениям. Основная контроверза состоит в отсутствии теоретического обоснования характера взаимодействия спутанных частиц "как одного события".

Впрочем, и сам Жизен согласен с этим: "Пока мы не можем внятно объяснить, что же там происходит". Но учёный надеется, что необъяснимые в рамках существующих моделей результаты послужат катализатором новых теоретических разработок.

Кто знает, может, "Теория Всего" уже не за горами?
Источник Спутанные фотоны могут поколебать пространство и время