Михаил Заречный - Квантовая физика, время, сознание, реальность

Выходит, квантовый объект каким-то невероятным образом узнавал, что происходит с другим объектом, удалённым от него на значительное расстояние (сейчас проведены эксперименты с расстоянием между парами фотонов 10 км). Это явление обычно называют квантовыми корреляциями. Квантовые корреляции — неотъемлемое свойство сцеплённых (перепутанных) состояний. Напомним, что сцеплённые состояния частиц означают наличие связи каких-то характеристик этих частиц после их взаимодействия, и эта связь куда более жёсткая, чем следует из классических представлений. Если частицы когда-то провзаимодействовали, то в замкнутых системах связь между ними будет сохраняться всегда, и она будет мгновенной, на каком бы расстоянии друг от друга они не находились. Если с помощью анализатора или другого устройства мы определяем состояние (напр., поляризацию) одной частицы из пары, то состояние второй частицы тоже становится определённым! И вести себя эта частица будет теперь иначе, чем до измерения, проведённого с первой частицей! Это утверждение справедливо всегда для замкнутых систем, а в случае открытых систем связь между частицами будет сохраняться до тех пор, пока суперпозиция состояний не превратится под влиянием окружения в смесь.

Это похоже на то, как если бы сталкивались два шара, чёрный и белый, при этом область их столкновения не наблюдаема, и мы не знаем, какой куда полетит. Для квантовых частиц не будет так, как подсказывает здравый смысл: каждый шар изначально белый или чёрный, мы только не знаем его цвет. Вылетевшие шары будут вести себя как "серые", т. е. в каждом из них будет присутствовать суперпозиция белого и чёрного, и это проявляется в эксперименте. Но так будет происходить только до тех пор, пока мы не определим цвет одного из шаров. Если мы определили его цвет как чёрный, то другой немедленно перестаёт вести себя как серый, и начинает проявлять себя в эксперименте как белый, на каком бы расстоянии он не находился!

Теперь представим, что возле одного из пучков находится Вася, который проводит эксперименты, а возле другого — Петя, который не знает о существовании Васи. Для Пети изменение результатов эксперимента на его пучке выглядит как чудо, чудо в самом мракобесном понимании! Ведь Петя ничего не делает со своим пучком, все условия эксперимента остаются постоянными, а интерференционная картина по совершенно непонятным причинам меняется! То он видит "белые" шары, то "серые", то "чёрные". А никаких причин для изменения картины Петя не найдёт, как бы он не старался. Для него это выглядит так, как будто есть следствие, но нет причины.

Похожую схему установки можно использовать и для "мгновенной" передачи информации между Васей и Петей, для этого лишь необходимо, чтобы они согласовали свои действия. Собственно говоря, никакой "передачи" информации не происходит, информация просто распределена между подсистемами, а Вася и Петя в ходе подобного эксперимента имеют доступ к единому нелокальному объекту. Само собой, для мгновенного обмена информацией необходимо сначала где-то создать запутанные пары фотонов, и как-то переслать им. На сегодняшний день, использование оптоволоконных технологий позволяет сохранить запутанность фотонов на расстояниях до нескольких сотен километров, это пока создаёт предел для реализации устройств мгновенной квантовой связи. Но это чисто технический вопрос, рано или поздно он будет решён, и уже сейчас интенсивно обсуждаются вопросы создания глобальных систем квантовой связи. Можно помечтать и о создании "квантовых консервов" — устройств, в которых когерентность состояний тех или иных объектов не разрушается достаточно долго, и которые можно будет просто брать с собой.

Часто спрашивают: не противоречит ли возможность мгновенной передачи информации теории относительности? Нет, не противоречит. Теория относительности говорит о пределе в виде скорости света на скорость движения материальных объектов, и скорость передачи взаимодействия между ними. Это совершенно справедливо для локальных (классических) объектов. В случае же пар фотонов в запутанном состоянии нет никакого взаимодействия между ними, нет никакой передачи информации между ними, они просто остаются единым объектом, как бы далеко друг от друга не находились. Это грань реальности, которая выходит за рамки теории относительности.

Давайте теперь вообразим, что Вася находится возле нас, а Петя, вместе со своей установкой — возле звезды, расстояние до которой миллион световых лет. То есть Петя поставил свои эксперименты миллион лет назад, а до Васи только сейчас долетел свет из расщеплённого пучка, и он начал свои эксперименты с ним. Что же будет? Будет то же самое: эксперименты Пети изменят результаты экспериментов Васи, который, может быть, уже давным-давно умер, и даже успел опубликовать их результаты. Ведь определение Петей состояния фотонов определяет свойства Васиных фотонов, и результаты у того меняются, вне зависимости от расстояния между ними.

А что происходит, когда мы наблюдаем свет далёких звёзд? Или наблюдаем температурные неоднородности и поляризацию реликтового излучения, которое возникло задолго до возникновения первых звёзд и галактик? Совершенно верно, мы меняем состояние далёкого прошлого Вселенной, а стало быть, меняем историю! Получается парадоксальный вывод: история — это то, что создаётся проводимыми сейчас наблюдениями! И не только человека, но и любого объекта (об этом позже). Истории, как объективной реальности, независимой от наблюдателя, не существует.

Если кто хочет ближе ознакомится с этой темой, ищите ссылки на сильный и слабый антропный принцип, теорему Белла, квантовые корреляции. Думаю, что в журнале Scientific American должны быть обзоры по этим вопросам.

Замечу, что опыты по исследованию квантовых корреляций во многом оказались возможными потому, что физики научились приготавливать сцепленные состояния с известными характеристиками. Сцеплённые состояния образуются всегда, но найти метод приготовления того типа связи, который необходим для эксперимента, было очень непросто, этому научились не так давно. Этим и объясняется, почему опыты, задуманные ещё Эйнштейном, удалось провести только сейчас.

Рассмотрим теперь подробнее, как сказывается наличие квантовых корреляций на вопросе о наличии времени в замкнутых системах. Как я уже говорил, понятие времени можно ввести только в том случае, если возможна классификация событий по причинно-следственным связям (событие B предшествовало событию B и может влиять на него, или событие B предшествовало событию A и может влиять на него, или события A и B никак не связаны). Схематично такая классификация событий показана на левой половине рис. 5. На этом рисунке по оси абсцисс отложена пространственная координата события в лабораторной системе отсчёта (ЛСО), а по оси ординат — время в этой системе. Если объект в ЛСО покоится, то он будет описываться вертикальной линией, отвечающей движению во времени. Если же объект движется с постоянной скоростью, то он будет описываться наклонной линией, величина наклона которой зависит от скорости движения объекта.

Штриховыми линиями на рис. 5 показано движение объекта, двигающегося с максимально возможной скоростью передачи физического взаимодействия — скоростью света. Эти линии, отвечающие распространению света в различных направлениях, образуют конус, внутри которого располагаются события, до которых может дойти физическое взаимодействие из точки A. Таким образом, событие в точке A может повлиять на событие в точке B, поскольку до него может дойти взаимодействие из точки A, и не может повлиять на событие C, поскольку скорость физического взаимодействия для этого недостаточна. Таким образом, событие A предшествует событию B, и может повлиять на него, а события A и C с классической точки зрения никак не связаны.

В случае не связанных между собой событий A и C, можно показать, пользуясь формулами специальной теории относительности, что в некоторых системах отсчёта событие C будет предшествовать событию A, а в некоторых — происходить после него. Качественно это можно проиллюстрировать следующим образом. В ЛСО, как это видно непосредственно из графика, событие A предшествует событию C. Выберем систему отсчёта ракеты, летящей в ЛСО вправо с достаточно большой скоростью. Эта система отсчёта схематично показана синими осями на правой части рис. 5, она как бы "повернулась" относительно лабораторной системы в сторону движения ракеты. Нетрудно видеть, что проекция события C на ось времени (пусть это будет событие D) лежит до события A. То есть в системе отсчёта ракеты событие D предшествует событию A. Имейте, правда, в виду, что аналогия между преобразованием Лоренца и вращением декартовой системы координат, которую мы только что использовали, не всегда корректна: в первом случае мы имеем дело с вращениями в пространстве Минковского, а во втором — с вращениями в евклидовом пространстве. Но для нашего случая эта аналогия вполне годится.