Дэйв Голдберг - Вселенная.Руководство по эксплуатации
Здравый смысл подсказывает, что второй вариант более корректен, и Эйнштейн сделал его своим оружием в великом споре. С другой стороны, здравый смысл нас уже неоднократно обманывал. Нам нужно экспериментальное подтверждение. Возражения Эйнштейна против квантовой механики около 30 лет оставались важной, но недоказуемой гипотезой. В некотором смысле это хорошо. Это значит, что для большинства вычислений неважно, что на самом деле правда — «скрытые переменные» Эйнштейна или абсолютная случайность: результаты все равно получаются одни и те же.
Однако, как выясняется, Вселенная, управляемая «скрытыми переменными», будет вести себя совсем не так, как случайная вселенная, и в 1964 году Джон Белл, который тогда работал в Стэнфордском университете, нашел критерий, позволяющие определить, случайна в основе своей Вселенная или нет. Хотя «неравенство Белла» принадлежит к сфере математики, мы можем пояснить суть проверки, построив «машину реальности», точные технические Характеристики которой вы найдете в конце этой главы. Если вы хотите получить суперпопулярное объяснение, то суть вот в чем: если Брайан и Герман ориентируют свои детекторы случайным образом и много-много раз запустят свой генератор электронов и позитронов, то эйнштейновская картина «скрытых переменных» потребует, чтобы они увидели один и тот же цвет лампочек на своих детекторах больше половины раз. А копенгагенская картина квантовой механики, с другой стороны, предсказывает, что это будет ровно половину раз.
Миновало почти двадцать лет с тех пор, как Белл описал метод, позволяющий различить эйнштейновские представления и копенгагенскую интерпретацию, но воплотить его идею было технологически невозможно. Лишь в 1982 году Алан Эспект и его сотрудники построили устройство, которое сильно напоминало нашу «машину реальности», и проверили ЭПР-парадокс. Они обнаружили, что цвета совпадают в точности в половине случаев. Иначе говоря, победила копенгагенская интерпретация. Электроны вели себя не так, как надеялся Эйнштейн,— не так, словно их заранее запрограммировали.
У этого есть несколько странных следствий. Выходит, что если мы измерим спин запутанного электрона, соответствующий позитрон вынужден будет принять противоположный спин быстрее скорости света! Думаете, это чушь? Эйнштейн даже называл это «жутковатым дистанционным воздействием». Не ворчите. Нам не нужно выплескивать вместе с водой и ребенка (релятивистского). Все, что нам, по сути дела, требуется,— это аккуратно скорректировать правило касательно того, что ничто не может двигаться быстрее света. Поскольку нельзя использовать запутанность квантовых состояний, чтобы посылать сообщения на другой конец Вселенной, нужно внести крошечную поправку: никакой носитель информации не способен двигаться быстрее света.
Получается, Господь и вправду играет со Вселенной в кости. Но для нас главная неопределенность заключается в том, удастся ли нам унести ноги от нашей чудной семейки.
Сама формула, описывающая, что будет, и известная как «неравенство Белла», принадлежит к сфере математики, однако суть ее можно доказать безо всяких математических излишеств, что и послужило основой для гипотетической «машины локальной реальности», которую придумал физик из Корнеллского университета Дэви Мермин. Машина реальности — это просто слегка доработанный генератор электронов Брайана и Германа, который позволяет раз и навсегда выяснить, доказывает ли ЭПР-парадокс несостоятельность квантовой механики. Надо просто немного посчитать на пальцах и задать один-единственный вопрос: происходит ли некое событие чаще, чем в половине раз?
Представим себе на минуту, что Эйнштейн был прав и в каждом электроне заложена миниатюрная программа. Как бы Брайан с Германом ни ориентировали свои детекторы, программа будет говорить им, какую лампочку зажечь, и должна принимать в расчет все случайности. Например, данный конкретный электрон зажжет зеленый сеет, если детектор ориентирован вертикально, и красный, если детектор горизонтален. У позитрона такая же программа.
Надо немного переделать генератор, чтобы Брайан и Герман, оценивая спин электрона или позитрона, задавали детектору одно из трех возможных положений.
Детектор у Брайана и Германа занимает одно из трех положений: а) вверх-вниз; б) повернут на 1/3 по часовой стрелке: в) повернут на 2/3 по часовой стрелке.
Мы выбрали именно такие варианты, поскольку квантовая механика делает весьма конкретное предсказание. Если много раз запускать машину реальности и каждый раз Брайан и Герман будут выбирать положение детектора случайным образом, то квантовая механика говорит, что одинаковые лампочки будут загораться точно в половине случаев.
Мы понимаем, что вы вправе счесть, будто «ровно половину» мы взяли с потолка, и мы приносим свои извинения. По большей части мы рекомендуем вам прибегнуть к интуиции и здравому смыслу, но в данном случае «ровно половина» основана на очень заковыристых квантово-механических вычиспениях, и мы просим поверить нам на слово.
- Что предсказывают «скрытые переменные» Эйнштейна? Здесь вам не потребуется верить нам на слово. У электрона может быть ровно восемь программ.
Вспомним, как работают эти программы. Если Эйнштейн прав, тогда неважно, как Брайан с Германом поворачивают свои детекторы: электрону все равно нужно заранее знать, какой цвет загорится. Получается, что генератор вырабатывает всего восемь типов электронов.
Поскольку детекторов у нас всего два, за каждый раз можно измерить только две переменные из каждой программы. Так мы можем определить, какой цвет будет загораться в каждом положении детектора. Например, если Брайан ставит детектор в положение «вверх-вниз» (А) и видит зеленый свет, он не знает, как был запрограммирован электрон: 333, ЗЗК, ЗКЗ или ЗКК. Но Вселенная знает!
Мы получим от машины реальности очень интересный результат, если посмотрим, что происходит, когда вырабатывается электрон или позитрон с конкретной программой. Если Брайан и Герман случайно выбирают направление детектора, насколько часто у них будут загораться одинаковые лампочки?
Есть две очень простые программы: 333 и ККК (случаи 1 и 8). Что бы ни происходило, в этих случаях Брайан и Герман получат одни и те же показатели. «Всегда»—это определенно чаще, чем «в половине случаев».
Более интересный случай — ЗЗК. Брайан и Герман могут настроить свои детекторы девятью способами: А-А, А-В, А-С, В-А, В-В, В-С, С-А, С-В, С-С. К сожалению, мы должны перечислить все, поскольку это довольно тонкий момент. В пяти из девяти сценариев (А-А, А-В, В-А, В-В, С-С) Брайан и Герман увидят один и тот же цвет. Пять из девяти — это около 56%, то есть больше, чем половина.
Есть еще шесть возможных программ: ЗКЗ, ЗКК и прочие. Все они точно такие же, как ЗЗК, поскольку два магнита настроены одинаково, а один—по-разному. В этих ситуациях Брайан и Герман опять же будут получать одинаковые результаты в 56% случаев.
Как бы ни был запрограммирован электрон, согласно модели Эйнштейна, Брайан и Герман будут получать одинаковые результаты больше чем в половине случаев. С другой стороны, если квантовая механика верна, они будут получать одинаковые сигналы ровно в половине случаев.
Для Эйнштейна все кончилось плохо.
СТАНДАРТНАЯ МОДЕЛЬ
* Если к моменту публикации книги БАК действительно уничтожит Землю, мы принесем свои искренние извинения и будем готовы возместить все затраты на эту книгу.
21 марта 2008 года Уолтер Вагнер и Луис Санчо начали процесс в Федеральном суде США с единственной простой целью — спасти человечество. Истцы утверждали, что в ближайшие несколько месяцев планируется ввести в действие Большой адронный коллайдер (для краткости — БАК), а он, возможно, начнет производить микроскопические черные дыры, которые, возможно, сольются воедино и в конце концов сожрут Землю изнутри.
Вагнер и Санчо были не одиноки. Нас как физиков то и дело спрашивают, уничтожит ли БАК Землю или даже всю! Вселенную. Такая травля пробудила в нас своего рода паранойю — вдруг мы и правда играем некоторую роль в грядущей гибели человечества? В Интернете полным-полно петиций, призывающих закрыть ЦЕРН (CERN — французское сокращение, означающее «Европейский центр ядерных исследований»), организацию, под эгидой которой создан БАК. Некоторые из них приводят серьезные рациональные обоснования того, почему нужно провести дополнительные исследования и принять меры предосторожности. Однако подавляющее большинство имеющихся интернет-обращений напоминают серии эсэмэсок, написанных разъяренными первоклашками:
