Среди этих свойств была нелокальность. Квантовая механика предсказывает, что две частицы могут стать побратимами. Из-за отсутствия связывающего механизма частицы вроде бы полностью автономны, и все же воздействие на одну из них означает воздействие и на вторую, как будто бы расстояние для них ничего не значит. Научный метод «разделяй и властвуй» в их случае не работает. Частицы имеют совместные свойства, которые нельзя обнаружить, если смотреть на каждую из них по очереди, – нужно наблюдать за ними одновременно. Наш мир опутан сетью таких, казалось бы, мистических взаимосвязей. Атомы вашего тела сохраняют связь с каждым человеком, которого вы любили, – что звучит романтично, пока вы не осознаете, что связь есть и с тем странным типом, который коснулся вас мимоходом на улице.
Частицы в противоположных концах Вселенной не могут быть действительно связанными, не так ли? Эта идея показалась Эйнштейну глупостью, возвратом к донаучным представлениям о магии. Любая теория, подразумевающая возможность такого «призрачного действия на расстоянии», рассуждал он, должно быть, что-то упускает из виду. Он полагал, что мир на самом деле локален и просто кажется нелокальным, и искал более глубокую теорию, которая бы обнажила скрытый механизм, позволяющий двум частицам действовать в унисон. Эйнштейн так и не нашел такую теорию и признал, что, возможно, это он сам что-то упускает. Возможно, нет никакого скрытого механизма. Принцип локальности – а вместе с ним и наше понимание пространства – может быть ошибочным. За несколько месяцев до кончины Эйнштейн размышлял о том, что могло значить для нашего понимания мира исчезновение пространства: «Тогда ничего не останется от моего воздушного замка, включая теорию тяготения, как, впрочем, и от всей современной физики».
Что было действительно пугающим, так это оптимизм его современников. Для них нелокальность была пустяком. Причины их пренебрежительного отношения были трудны для понимания, они и до сих пор являются предметом спора для историков, но, пожалуй, самое мягкое объяснение этому – прагматизм. Вопросы, беспокоившие Эйнштейна, просто не казались существенными для практического применения квантовой теории. Только в 1960-х гг. до нового поколения физиков и философов наконец дошли опасения Эйнштейна. Проведенные ими эксперименты показали, что нелокальность – это не теоретический курьез, а правда жизни. Но даже тогда большинство их коллег уделяли нелокальности мало внимания – именно поэтому я практически случайно наткнулся на эту тему, будучи аспирантом.
Однако в последние 20 лет позиция физического сообщества значительно изменилась. Нелокальность захлестнула господствующие течения физики и вышла далеко за пределы феномена, открытого Эйнштейном. Как популяризатор науки и редактор я не раз разговаривал с учеными из разных сообществ, с теми, кто изучает всё – от субатомных частиц до черных дыр и крупномасштабной структуры Вселенной. И раз за разом я слышал примерно следующее: «Ну, это странно, и я бы не поверил в такое, если бы не видел этого сам, но, похоже, мир просто обязан быть нелокальным». Исследователи вели себя подобно тем самым согласованным частицам в разных концах Вселенной: зачастую не зная друг друга, они тем не менее приходили к одним и тем же выводам.
Если Эйнштейн считал, что нелокальность имеет привкус волшебства, то, может быть, новые исследования дают основания верить в паранормальные явления? Некоторые так и решили. В последние десятилетия ряд ученых предполагал, что нелокальные связи между частицами могли бы наделить вас сверхъестественными способностями. Например, если бы частицы вашего мозга находились в запутанном состоянии с частицами мозга вашего друга, то, возможно, вы могли бы общаться друг с другом с помощью телепатии. Другой крайностью было то, что связанные с нелокальностью намеки на паранормальное заставили многих ученых отвергнуть всю эту область исследований как чепуху. На самом деле никакой связи здесь нет. Ни одно из свидетельств экстрасенсорных способностей не выдержало проверки, а обсуждаемые виды нелокальных явлений имеют слишком слабо выраженные эффекты, чтобы соединять умы или дистанционно влиять на исход бейсбольных матчей.
Некоторые расстраиваются из-за этого. Напрасно. Настоящее волшебство мира состоит в том, что он не волшебный. По причинам, которые были изложены ранее, локальность – необходимое условие нашего существования. Любая нелокальность должна оставаться надежно спрятанной и возникать только при определенных условиях, иначе наша Вселенная была бы непригодна для жизни. Нелокальность дает нам нечто гораздо более впечатляющее, чем паранормальные явления: возможность взглянуть на истинную природу физической реальности. Если воздействия могут пересекать пространство так, словно его на самом деле нет, то из этого следует естественный вывод: пространства на самом деле нет. Теоретик из Колумбийского университета Брайан Грин, который занимается теорией струн, написал в своей книге 2003 г. «Ткань космоса» (The Fabric of the Cosmos), что нелокальные связи «показывают нам, что пространство совсем не такое, как мы думали раньше». Какое же оно тогда? Исследование нелокальности может нам подсказать. Многие физики теперь считают, что пространство и время обречены: они являются не фундаментальными элементами физического мира, но следствием первозданного состояния отсутствия пространства. Пространство похоже на ковер с обтрепанными краями и залысинами. Подобно тому как разглядывание залысин позволяет нам увидеть основу ковра, изучение проявлений нелокальности может пролить свет на то, как пространство строится из беспространственных составляющих.
«Я всегда думал и продолжаю думать, что открытие и подтверждение нелокальности является самым поразительным открытием в физике ХХ в.», – говорит Тим Модлин, профессор Нью-Йоркского университета и один из ведущих философов физики в мире. В статье конца 1990-х гг. он резюмировал ее следствия: «Мир – это не просто набор отдельно существующих локализованных объектов, связанных внешне только пространством и временем. Что-то более глубокое, более таинственное связывает воедино ткань мироздания. Мы только-только достигли того момента в развитии физики, когда можно начать размышлять о том, что бы это могло быть».
В то же время именно потому, что так много стоит на кону, другие ученые говорят мне, что нелокальность не может быть правдой, что те или иные нелокальные явления наверняка окажутся ошибкой толкования и что сваливать их все в одну кучу – это неправильно. Физики достигли больших успехов, используя пространственное мышление, и не откажутся от него так просто. Один скептик, Билл Унру, преподаватель физики в Университете Британской Колумбии, думает примерно так же, как думал Эйнштейн: «Если мне нужно знать все о Вселенной, чтобы знать хоть что-нибудь, если мы воспринимаем нелокальность серьезно, если то, что происходит здесь, зависит от того, что происходит со звездами, то физика становится практически невозможной. Что делает физику возможной, так это то, что мир допускает разделение на части. Если нам действительно нужно смотреть на звезды, чтобы увидеть будущее, то я не понимаю, как можно продолжать заниматься физикой».
Помимо того что ей присуще очарование, нелокальность также является идеальным объектом для научных споров. Разногласия между такими людьми, как Модлин и Унру, исключительно интеллектуальны. Отсутствие экономических интересов не позволяет заподозрить скрытые мотивы. Здесь нет лоббистов из Exxon Mobil[3], бродящих по коридорам. Оппоненты не имеют явной личной неприязни, многие из них являются друзьями. Математика довольно проста, экспериментально полученные данные неоспоримы. И все же споры тянутся поколениями. В наши дни ученые повторяют аргументы, которые звучали еще в спорах Эйнштейна и его противников в 1920–1930-х гг. Почему так происходит? И что делать всем остальным, когда эксперты не могут прийти к согласию?
Рассмотрим наиболее известный научный спор недавнего времени: изменение климата. Большинство климатологов считают, что человеческая деятельность приводит к потеплению на планете, противники этой позиции до сих пор оспаривают это, и их доводы могут вызывать замешательство у тех, кто читает газету или бродит по сети. У большинства людей нет времени на то, чтобы стать экспертами по моделям общей циркуляции или измерениям длинноволнового излучения. Но одно мы можем понять точно: в практическом смысле спор можно разрешить независимо от того, продолжают ли эксперты спорить. В случае с изменением климата общественность уже знает все, что ей нужно. Существует немалый риск климатической катастрофы, и его снижение иначе как благоразумием не назовешь: чтобы понимать необходимость страхования от пожара, не нужно быть кандидатом наук по теории горения. Так же и с нелокальностью. Даже самые несгибаемые скептики теперь признают, что происходит что-то очень странное, что-то, заставляющее нас выходить за рамки самых глубоко укоренившихся представлений о пространстве и времени, что-то, требующее постижения, если мы хотим узнать, как возникла Вселенная и как физический мир образует одно совершенное целое.
Восприятие обществом – это не просто побочный вопрос для науки. Оно напрямую имеет отношение к делу, поскольку в изменчивой исследовательской среде, где идеи борются друг с другом и нет ничего абсолютно ясного, традиционные, с точки зрения сторонних наблюдателей, способы функционирования науки, т. е. использование фактов, логики, уравнений, экспериментов, недостаточны для прекращения прений. Ученым приходится полагаться на чутье, образные связи и суждения об адекватности их фундаментальных принципов, основанные на субъективной оценке. Решив исследовать нелокальность, я рассчитывал неспешно прогуляться на природе, но оказался в причудливом тропическом лесу, полном блестящих листьев, извилистых тропок и соблазнительных пристанищ, кишащих огненными муравьями. Одни ученые испытывают трепет перед бунтарской идеей поставить под вопрос одно из старейших и глубочайших понятий в науке. Другие содрогаются от подобного безумства. Если локальность нарушается, значит ли это, что наш мир в конечном счете непостижим, как опасался Эйнштейн, или смогут ли физики найти какой-то другой способ его постижения?
1. Многообразие видов нелокальности
Лаборатория Энрике Гальвеза в Университете Колгейта размером примерно с гараж на пару машин и, как и большинство гаражей, забита всякой всячиной. Вдоль стен расположены столы, заставленные ящиками с инструментами, неисправными в той или иной мере электронными устройствами, а слева от входа находится самый часто используемый аппарат – кофеварка. В середине комнаты стоит пара оптических скамей: очень прочные стальные платформы размером с обеденный стол, покрытые сетью отверстий для закрепления зеркал, призм, линз и фильтров. «Как будто снова играешь в конструктор», – говорит Гальвез, веселый перуанец, который сильно напоминает Эла Франкена[4].
Если кто и взял на себя задачу показать миру, как выглядит квантовая запутанность, так это Гальвез. Запутанность – это наиболее известный тип нелокальности из тех, что наблюдались современными физиками, и именно он пугал Эйнштейна. Слово entanglement («запутанность») в английском языке имеет коннотации романтической связи: особые и, возможно, мучительные взаимоотношения. Две запутанные друг с другом частицы не в прямом смысле сплетаются, как клубки пряжи, скорее между ними существует особая связь, для которой пространство не имеет значения. Вы можете наблюдать это явление, создавая, отклоняя и измеряя лучи света – не обычные лучи от фонарика, а пучки запутанных фотонов. В первых версиях этого эксперимента, проведенных в 1970-х гг. в Беркли и в Гарварде, были задействованы хитроумные изобретения «безумных ученых» вроде раскаленных печей, штабелей оконных стекол и грохочущих телетайпов. Гальвез воспользовался Blue-ray лазерами и оптоволокном для того, чтобы уменьшить размеры установки, так что теперь она умещается на школьной парте.
Большинство знакомых мне физиков-экспериментаторов в глубине души изобретатели, которых хитроумные устройства приводят в восторг не меньше, чем тайны Вселенной. Один экспериментатор из Центра квантовых технологий в Сингапуре сказал мне, что в его лаборатории студенты-новички должны пройти особый тест. В нем нет ни одного вопроса по физике. Студентам предлагают рассказать, случалось ли им разобрать какой-нибудь бытовой прибор и собрать его обратно до того, как домашние узнавали об этом. Похоже, что стиральные машины пользуются в этом смысле успехом. Что касается Гальвеза, то его детской страстью была химия: ее взрывоопасная разновидность. Он провел детство в Лиме, в районе, где жили люди среднего достатка, и однажды с друзьями попытался сделать порох. У них получилась только дымовуха, что, возможно, и к лучшему. «Получилось намного веселее, чем какие-то взрывы, – вспоминает Гальвез. – Наверное, это было не очень безопасно».
По словам Гальвеза, он стал поборником нелокальности практически случайно. Как и большинство физиков, он не слишком задумывался об этом явлении до конца 1990-х гг., когда один коллега заглянул к нему в кабинет с весьма волнующими новостями: австрийский физик Антон Цайлингер и его товарищи по лаборатории использовали запутанность для телепортации частиц из одного места в другое. Телепортация?! Ни один поклонник «Звездного пути»[5] не мог остаться равнодушным. Хотя группа Цайлингера телепортировала всего лишь отдельные фотоны, а не десантный отряд космических кораблей, восторг от этого события затмил все, что было связано с дымовухами. Причем методика была простой. Предположим, вы хотите телепортировать фотон из левой половины лаборатории в правую. Сначала вы подготавливаете телепорты, создавая пару запутанных фотонов и помещая один в одной половине лаборатории, а другой во второй половине. После этого вы берете фотон, который хотите перенести, и организуете его взаимодействие с левой частицей. Поскольку запутанные частицы находятся в особой связи друг с другом, это взаимодействие сразу же проявляется справа, что позволяет фотону там воссоздаться. (Некоторые придираются к словам и спорят, действительно ли можно называть этот процесс телепортацией. Они считают, что по смыслу это больше похоже на «кражу личности». Экспериментаторы лишают левую частицу ее свойств и навязывают их правой частице. Но частица – это всего лишь сумма ее свойств, так что эти два описания эквивалентны.)
У Гальвеза с коллегой уже имелось все необходимое оборудование, и вскоре они тоже перемещали частицы по своей лаборатории. «Мы пытались понять телепортацию просто ради интереса», – говорит Гальвез. Другой коллега предложил им придумать такой эксперимент с запутанностью, который могли бы повторить даже слушатели курса физики для лириков. В нем не происходит телепортации, но выполняется первый и самый важный этап этого процесса, а именно: создаются и распределяются запутанные фотоны. Хотя установка кажется теперь очень простой, группа ученых билась над ней два года. Гальвез организовал летние семинары для ALPhA, ассоциации физического образования, чтобы показать преподавателям, как проводить этот эксперимент, а также опубликовал свои инструкции онлайн, чтобы любители делать все своими руками могли создавать запутанные частицы у себя в подвалах. Бывший президент ALPhA Дэвид ван Баак восклицает: «Мы давно прошли ту стадию, когда [изучение] запутанности было исключительно делом университетов. Оно становится массовым».
В тот день, когда я посетил лабораторию Гальвеза, одна из оптических скамей была отдана под эксперимент по изучению запутанности, цель которого заключалась не только в демонстрации запутанности, но и в исследовании возможной причины этого явления. Мне кажется, что установка по существу является высокотехнологичной машиной Руба Голдберга[6] для подбрасывания монет. Они падают орлом или решкой в зависимости от того, проходят через фильтр или нет. Система настроена таким образом, что вероятность пройти его – 50 на 50, как в случае подбрасывания правильной монеты. В сущности, план такой: создать пару таких монет, подбросить их одновременно, посмотреть, какой стороной они упадут, создать еще одну пару, подбросить ее и т. д. Повторить опыт несколько тысяч раз и собрать статистику. Кажется, что мы тратим много усилий ради предсказуемого результата, пока не вспомнишь о том, что разговор идет о квантовых монетах. Ясно, что представление частиц в виде монет – это метафора, но если не воспринимать ее слишком буквально, то она вполне законна. Физики сами понимают явления при помощи метафор.