Реализм и локальность в квантовом мире: новые исследования

Физики из Австрии и Польши получили новые экспериментальные подтверждения парадоксальных с точки зрения классической физики свойств квантовых объектов. Об этом говорится в статье профессора Венского университета Антона Цайлингера (Anton Zeilinger) и его коллег, которая 19 апреля появилась в журнале Nature.

Эта работа продолжает теперь уже четвертьвековую традицию экспериментов по проверке так называемых неравенств Белла, начатую в 1982 году французским физиком Аленом Аспе (Alain Aspect). В 1964 году работавший в ЦЕРНе ирландский физик Джон Белл (John Bell) указал на возможность экспериментальной проверки принципа локального реализма, который Альберт Эйнштейн полагал обязательным атрибутом любой разумной физической теории. Эйнштейн считал, что результаты определения любых измеримых параметров физической системы, во-первых, полностью заданы ее состоянием до акта измерения и, во-вторых, не могут меняться под воздействием каких-либо удаленных событий, если те заранее не сообщают о себе сигналами, скорость которых не превышает скорость света. С точки зрения Эйнштейна, первое требование выражает идею реализма физического описания, а второе — требование локальности.

Белл первым понял, что принцип локального реализма допускает строгую опытную проверку. Он доказал фундаментальной важности теорему (см. теорема Белла), из которой вытекает, что при соблюдении этого принципа корреляции между измеримыми физическими величинами должны удовлетворять определенным соотношениям, которые сейчас называют неравенствами Белла. Со временем в теоретической физике возникло целое направление, посвященное поиску новых вариантов этой теоремы и вытекающих из нее неравенств.

Экспериментальная проверка теоремы Белла сильно затянулась из-за множества технических трудностей. Лишь в 1982 году аспирант Парижского университета, а ныне профессор Высшей политехнической школы Франции академик Ален Аспе провел серию прецизионных опытов с попарно связанными друг с другом световыми квантами, которые продемонстрировали нарушение неравенств Белла (измеряемыми параметрами служили направления линейной поляризации этих квантов). Позднее аналогичные опыты не раз повторялись другими физиками, причем не только с фотонами — и с совершенно такими же результатами. В конечном счете среди физиков восторжествовало мнение, что квантовомеханические объекты, в отличие от классических, не допускают описания посредством теорий, одновременно удовлетворяющих требованиям реализма и локальности.

Однако опытная проверка теоремы Белла и ее позднейших модификаций отнюдь не закрыла проблему интерпретации глубинного смысла квантовомеханического описания реальности — напротив, она перевела ее на новый уровень. Если квантовые теории не могут одновременно быть реалистичными и локальными, то что из этого следует? Возможно ли сохранить в квантовой механике локальность, пожертвовав реализмом? Или сохранить реализм, отбросив локальность (а это, напомню, запрет на воздействия, распространяющиеся со сверхсветовой скоростью)? Или надо пойти еще дальше, отказавшись и от реализма, и от локальности? Или, что не исключено, этот выбор — просто дело вкуса?

Цайлингер и его коллеги не нашли выхода из этого концептуального лабиринта, но всё же продвинулись в этом направлении. Подобно Аспе, они тоже работали с парами неразделимо взаимосвязанных (как говорят физики, спутанных) фотонов, измеряя параметры их поляризации. При этом они исходили из такого определения полноты физического описания, которое явно не содержало требования локальности. Это определение включает три положения, первым из которых служит требование реализма. Второй пункт: любая система световых квантов является статистической смесью фотонных ансамблей с определенными значениями поляризации. Третий пункт: параметры поляризации этих ансамблей удовлетворяют классическому закону Малюса (этот закон утверждает, что интенсивность линейно поляризованного света после прохождения через анализатор меняется пропорционально квадрату косинуса угла между плоскостями поляризации падающего света и анализатора). Авторы статьи в Nature показали, что из этих требований тоже вытекают определенные неравенства, которым должны удовлетворять измеряемые на опыте корреляции между поляризационными характеристиками света. Однако эти неравенства оказались сложнее белловских, и для их проверки следовало экспериментировать с эллиптически поляризованным светом. Такие измерения технически куда сложнее экспериментов Аспе с линейно поляризованными фотонами.

Цайлингер и его коллеги обнаружили, что модифицированные неравенства также не выполняются. Это означает, что в мире квантовой механики реализм несовместим не только с локальностью, но и с весьма широким классом нелокальных описаний. Правда, не исключено, что существуют какие-то формы нелокальности, которые не вступают в противоречие с реализмом. Однако авторы статьи в Nature делают альтернативный вывод. По их мнению, эксперимент с эллиптически поляризованным светом показал, что несовместимость между квантовой механикой и идеалом классического реализма куда сильнее, чем считало и считает большинство физиков. Например, можно полагать, что каждый фотон из изучаемого ансамбля как-то поляризован, однако при этом ему нельзя приписать никакого конкретного параметра поляризации.

Чтобы понять, насколько этот вывод противоречит нашему обыденному опыту, представим себе его классический аналог: продавец говорит покупателю, что может предложить несколько конкретных марок вин, но в принципе не способен прочесть ярлык ни на одной бутылке. Физики из группы Цайлингера даже не исключают необходимости отказа от таких постулатов науки, как аристотелевская логика или невозможность влиять на прошлое. Во всяком случае, как отметил сам Аспе в комментарии, опубликованном в том же выпуске Nature, результаты группы Цайлингера могут стать началом «более глубокого понимания великих тайн квантовой механики».
Источники:
1) Simon Gröblacher et al. An experimental test of non-local realism // Nature. V. 446. P. 871–875.
2) Alain Aspect. Quantum mechanics: To be or not to be local // Nature. V. 446. P. 866–867.

Алексей Левин

Комментарий на:
"Чтобы понять, насколько этот вывод противоречит нашему обыденному опыту, представим себе его классический аналог: продавец говорит покупателю, что может предложить несколько конкретных марок вин, но в принципе не способен прочесть ярлык ни на одной бутылке."

В то же время, если мы с приятелем приобретем по бутылке вина одной и той же коллекции и разъедемся в разные стороны, я со 100% вероятностью смогу узнать, что за вино он будет пить сразу же, как только попробую свое (независимо от того, как далеко он будет находиться и, что "парадоксально", даже независимо от того, будет ли он вообще "проводить эксперимент" со своей бутылкой). Все заранее определено начальными условиями рассматриваемой системы. Однако, если я буду пить вино разбавленным, то со скоростью больше скорости света он не узнает, ни в какой пропорции я его разбавляю, ни чем и в какой компании (образная суть стремления "заработать" на эффекте Эйнштейна-Подольского-Розена).

А вообще жаль, что А.Левин не изложил ничего конкретного по сути проведенного эксперимента кроме своих эмоций..