А вы? Вы понимаете, как выиграть больше, чем три раза из четырех? Вы верите, что это возможно? Сожалею, что приходится терзать ваше серое вещество этой игрой, но она действительно выражает суть нелокальности. Сейчас мы похожи на средневековых людей, которым сказали, что Земля круглая, как шар, и где-то на противоположной его стороне тоже живут люди. Как же они тогда с нее не падают? Сегодня каждый знает, что все предметы, включая людей, падают к центру Земли, а не просто сверху вниз. И люди на другой стороне планеты притягиваются к ней так же, как магниты к дверце холодильника. Благодаря магнитам мы можем себе представить, как Земля притягивает нас, так что ни австралийцы, ни европейцы не сорвутся.
Но как быть с игрой Белла? Где для нее аналог магнитов на холодильнике? Какая история могла бы объяснить это? К сожалению, я не могу дать вам интуитивно понятное объяснение того, как именно квантовая запутанность позволяет выигрывать чаще, чем три раза из четырех. Но я могу пригласить вас продолжить путешествие в мир атомов и фотонов, поиграть в эту странную игру и посмотреть, что интересного или даже полезного может из этого получиться. Давайте посмотрим, что это значит для нашей картины мироздания. Давайте разберем эти корреляции, так же как ребенок разбирает игрушку, чтобы посмотреть что у нее внутри.
Справка 4. Джон Белл: «Я квантовый инженер, но по воскресеньям у меня есть принципы». По счастью, я довольно часто встречал Джона Белла. Вот история одной из наших первых встреч.
«Я квантовый инженер, но по воскресеньям у меня есть принципы», так начал разговор Белл во время нашей довольно необычной встречи в марте 1983 года. Я никогда не забуду эти слова! Джон Белл, знаменитый Джон Белл, представился инженером, то есть одним из тех практиков, которые знают, как заставить вещи работать. А для меня, недавно получившего докторскую степень в области теоретической физики, Джон Белл был гигантом среди теоретиков.
В 1983 году общество физических исследований кантона Во организовало ежегодную тренинг-сессию. На неделю в Монтане собрались преподаватели и физики-исследователи, посвящавшие половину времени катанию на лыжах, а вторую половину лекциям известных ученых. В том году главной темой были основы квантовой физики, и это означало возможность встретиться с Аленом Аспе, первым человеком[14], который одержал победу в игре Белла, и несколько вечеров кататься с ним на лыжах. Джон Белл был в числе приглашенных, потому что не сделать этого было невозможно, но он не был заявлен в программе лекций, по особым для этой части научного сообщества причинам, что, очевидно, было страшной глупостью. Мы с другом попросили Белла устроить для нас импровизированное выступление. Сначала он отказывался, ссылаясь на то, что он не привез свои слайды, но в конце концов однажды вечером после ужина этот нелегальный экспромт состоялся в подвале, на скорую руку оборудованном под лекционный зал, где слушатели разместились на полу. Инженер с принципами рассказывал нам о практическом применении физики в разработке приложений, в сложных или занятных экспериментах, а также для того, чтобы выявить эмпирические правила, которые прекрасно работают на практике. И еще рассказал о том, что нельзя упускать из вида главную цель научного познания: дать систематическое объяснение природы. С тех пор эта мысль всегда со мной.
Выигрыш в игре Белла не предполагает обмена информацией
Предположим, что Алиса и Боб выигрывают чаще, чем 3 раза из 4, а возможно, даже каждый раз. Могут ли они использовать это для обмена информацией[15]? Мы помним, что они разделены огромным расстоянием, и такая коммуникация подразумевает передачу информации со сколь угодно высокой скоростью.
Как Алиса могла бы передать некую порцию информации Бобу? Единственным средством является отклонение джойстика. К примеру, «налево» может означать «да», а «направо» «нет». Но, с точки зрения Боба, его ящик, его прибор производит результаты лишь случайно. Каким бы ни было положение его джойстика, два возможных результата b = 0 и b = 1 возникают одинаково часто, и это остается справедливым при любом положения джойстика Алисы. Таким образом, не существует способа использовать корреляции в игре Белла для передачи послания от Алисы Бобу (или наоборот). Мы можем заметить корреляцию, только сравнив показания двух приборов. Вспомните наш странный «телефон» из главы 1.
Таким образом, Алиса и Боб не могут использовать свои приборы для общения[16]. Только сравнив свои результаты, то есть тогда лишь, когда они прекратили игру и встретились в конце дня, они могут установить, выиграли они или проиграли.
Таким образом, между Алисой и Бобом нет соединения, по которому они могли бы связываться. Общение исключительно через игру Белла подразумевало бы связь без какой-либо физической сущности для передачи сообщения от передатчика к приемнику. Но тогда это была бы коммуникация без передачи, что невозможно (см. справку 5).
Но, может быть, существует какой-то неизвестный вид связи, какая-то «невидимая нить», которая соединяет два прибора и позволяет если не общаться, то хотя бы просто выигрывать в игру Белла? Если бы такая связь существовала, мы бы сразу разгадали этот «фокус». Было бы жаль узнать, что это лишь обычная ловкость рук.
Справка 5. Коммуникации без передачи не бывает. Когда один человек, скажем Алиса, хочет передать сообщение другому, скажем Бобу, он должен сначала написать его на каком-то физическом носителе. Сообщение затем перемещается из точки в точку пространства посредством этого носителя, скажем письма, электронов или фотонов. Боб получает этот физический носитель и читает или расшифровывает сообщение. Иными словами, сообщение передается беспрерывно из одной точки в другую через пространство от Алисы к Бобу. Любой другой способ передачи сообщения не считается физическим.
К примеру, если Алиса поместит сообщение на какой-то физический носитель, но ничто не уйдет от нее в том смысле, что ни одна физическая сущность не покинет точку пространства, в которой она находится, то у нее не будет способа передать сообщение. Иначе, как это понимал уже Ньютон (см. справку 1), состоится коммуникация без передачи, а невозможно общаться, если что-то физическое, такое как вещество, или волны, или энергия, не уйдет от Алисы, когда она выбрала послание для отправки партнеру.
Это, очевидно, вопрос здравого смысла. Если бы кто-то вдруг нарушил этот принцип, скажем используя телепатию, он мог бы мог передавать информацию с любой скоростью. Действительно, если нам не нужен носитель послания, то и расстояние между Алисой и Бобом не будет иметь значения, и произвольно увеличивая это расстояние, мы получим сколь угодно высокую скорость коммуникации, в том числе и выше скорости света. Но невозможность такого действия еще более фундаментальна, чем сама теория относительности, которая запрещает движение со сверхсветовой скоростью: нефизическая коммуникация невозможна.
Однако для физика это могло бы означать важное открытие. На чем основана эта связь? Как она работает? Как быстро она может передавать гипотетические скрытые воздействия между приборами? Пока запомним, что мы не видим и не ощущаем никакой связи, а два наших прибора расположены так далеко друг от друга, что никакое воздействие, распространяющееся со скоростью света, не успело бы достичь пункта назначения вовремя. Более того, друзьям не требуется знать о местоположении друг друга. Они могут взять свой прибор и переместиться в некую неизвестную точку пространства.
Под крышкой прибора
В 1964 году, когда Джон Белл впервые представил свою игру в виде неравенства, это был лишь мысленный эксперимент. Но с тех пор эта игра была воплощена в жизнь во многих исследовательских лабораториях. Итак, откроем же наши приборы эти волшебные ящики, поскольку они позволяют победить в игре Белла.
Заглянув внутрь, мы увидим полный комплект физического оборудования, включая лазеры (красный, зеленый и даже замечательно желтый), криостат (устройство, с помощью которого поддерживается температура близкая к абсолютному нулю, то есть около 270°C), оптоволоконные интерферометры (оптические контуры для фотонов), два детектора фотонов (способные фиксировать частицы света) и часы (см. рис. 2.2). Но все это не добавляет ясности.
Рассмотрев оборудование более пристально, мы замечаем, что в центре криостата, в месте пересечения всех лазерных лучей, есть маленький кристалл, несколько миллиметров в поперечнике, похожий на кусочек стекла. Этот внешне незначительный кристалл определенно находится в центре установки. В самом деле, перемещение джойстика вправо или влево вызывает серию лазерных импульсов, которые попадают на кристалл и активируют пьезоэлемент[17] в подключенном к нему интерферометре. Этот пьезоэлемент чуть-чуть сдвигается в ту же сторону, что и джойстик. Тогда срабатывает один из фотодетекторов, и наш ящик выдает 0 или 1. Очевидно, что джойстик как-то влияет на кристалл посредством лазерных импульсов, а затем определяет состояние интерферометра через пьезоэлемент. В итоге детектор выдает результат. Два прибора совершенно идентичны. Все-таки кажется, что секрет кроется в крошечном кристалле в сердце нашего прибора.
Но обследование приборов не дает нам ясности, и в этом основной посыл этой главы. Просто исследуя устройство приборов и то, как они работают, даже с максимальной детализацией, мы никогда не найдем удовлетворительного объяснения. В любом случае мы уже знаем, что не существует локального объяснения для победы в игре Белла, поэтому мы никак не найдем его, заглядывая локально под крышку каждого из приборов! Вернемся немного назад. В конце концов, все это сложное оборудование служит лишь для того, чтобы выдать нам двоичный результат каждый раз, когда джойстик наклонен вправо или влево. Следовательно, даже если механизм очень сложен, все, на что устройство способно, это выводить результат одной из четырех программ, описанных выше. А что еще оно может делать-то? Еще раз повторю, что есть только два возможных положения джойстика и только один двоичный результат. Использование нескольких лазеров, криостата и детекторов фотонов кажется избыточным для выполнения такой простой программы. Но эта установка делает больше, ведь она помогает нам выиграть!
Физик доквантовой эпохи потратил бы много времени на изучение приборов и все равно ничего не понял бы, поэтому читатель не должен стыдиться, что тоже не понимает, что происходит внутри. Мы узнаем решение в главе 6, а пока отметим только, что главными элементами наших приборов являются кристаллы, и эти кристаллы запутаны[18]. Но что это значит? Пока «запутанность» это лишь слово, которое мы используем как имя для концепции квантовой физики, которая позволяет нам победить в игре Белла. Будем же терпеливы!