В статье, опубликованной в журнале Physical Review Letters, исследователи из Массачусетского технологического института предлагают эксперимент, который может закрыть последнюю серьезную лазейку в неравенстве Белла — теореме 50-летней давности, нарушение которой в ходе экспериментов означало бы, что наша Вселенная основана не на законах классической физики, а на менее осязаемых вероятностях квантовой механики.
Квантовый подход
Такой квантовый подход позволил бы объяснить, казалось бы, противоречащие здравому смыслу явления, такие как квантовая запутанность, при которой измерение одной частицы мгновенно влияет на другую, даже если эти запутанные частицы находятся на противоположных концах Вселенной. Помимо прочего, квантовая запутанность — свойство, которое Альберт Эйнштейн скептически назвал «жутковатым дальнодействием», — предполагает, что запутанные частицы могут мгновенно влиять друг на друга, со скоростью, превышающей скорость света.
В 1964 году физик Джон Белл обратил внимание на кажущееся несоответствие между классической физикой и квантовой механикой и заявил, что, если Вселенная основана на законах классической физики, измерение одной запутанной частицы не должно влиять на измерение другой. Эта теория, известная как локальность, предполагает, что существует предел корреляции между двумя частицами. Белл вывел математическую формулу локальности и представил сценарии, которые нарушали эту формулу, но при этом соответствовали предсказаниям квантовой механики.
С тех пор физики проверяли теорему Белла, измеряя свойства запутанных квантовых частиц в лабораторных условиях. По сути, все эти эксперименты показали, что корреляция между такими частицами сильнее, чем можно было бы ожидать в соответствии с законами классической физики. Это подтверждает правоту квантовой механики.
Однако ученые также выявили несколько серьезных пробелов в теореме Белла. Это позволяет предположить, что, хотя результаты подобных экспериментов могут казаться подтверждающими предсказания квантовой механики, на самом деле они могут быть обусловлены неизвестными «скрытыми переменными», которые создают иллюзию квантового результата, но при этом могут быть объяснены с точки зрения классической физики.
Несмотря на то, что две основные лазейки были устранены, осталась третья. Физики называют ее «независимостью от настроек» или, более провокационно, «свободой воли». Согласно этой лазейке, настройки детектора частиц могут «вступать в сговор» с событиями в общем причинно-следственном прошлом самих детекторов, чтобы определить, какие свойства частицы нужно измерить. Этот сценарий, каким бы надуманным он ни был, подразумевает, что физик, проводящий эксперимент, не обладает полной свободой воли при выборе настроек каждого детектора. Такой сценарий привел бы к необъективным измерениям, предполагающим, что две частицы коррелируют сильнее, чем на самом деле, и придающим большее значение квантовой механике, чем классической физике.
«Звучит жутковато, но люди поняли, что это логическая возможность, которая до сих пор не исключена, — говорит Дэвид Кайзер из Массачусетского технологического института, профессор истории науки и старший преподаватель кафедры физики. — Прежде чем утверждать, что уравнения квантовой теории говорят нам о том, что мир неизбежно безумен и странен, давайте убедимся, что мы исключили все возможные логические лазейки, даже если они кажутся неправдоподобными в нашем современном мире».
Теперь Кайзер вместе с постдоком из Массачусетского технологического института Эндрю Фридманом и Джейсоном Галликкио из Чикагского университета предложили эксперимент, который позволит закрыть эту третью лазейку. Они хотят определить настройки детектора частиц с помощью самого старого света во Вселенной: далеких квазаров, или галактических ядер, которые сформировались миллиарды лет назад.
В чем суть идеи
По сути, идея заключается в том, что если два квазара, расположенные на противоположных сторонах неба, находятся на достаточном расстоянии друг от друга, то с момента Большого взрыва, произошедшего около 14 миллиардов лет назад, они не взаимодействовали друг с другом, и с начала существования Вселенной не было возможности для какой-либо третьей стороны установить связь с обоими квазарами. Это идеальный сценарий для определения настроек каждого детектора частиц.
По словам Кайзера, эксперимент будет выглядеть примерно так: лабораторная установка будет состоять из генератора частиц, например радиоактивного атома, который испускает пары запутанных частиц. Один детектор будет измерять свойство частицы А, а другой — свойство частицы В. За долю секунды до того, как частицы будут сгенерированы, но до того, как будут настроены детекторы, ученые с помощью телескопов будут наблюдать за далекими квазарами, чтобы определить, какие свойства каждой частицы будет измерять соответствующий детектор. Другими словами, квазар А определяет настройки для обнаружения частицы А, а квазар Б настраивает детектор для обнаружения частицы Б.
Исследователи рассуждают так: поскольку настройки каждого детектора определяются источниками, которые не взаимодействовали друг с другом и не имели общей истории с момента зарождения Вселенной, эти детекторы практически не могут «вступить в сговор» с чем-либо из своего общего прошлого, чтобы дать необъективные результаты. Таким образом, экспериментальная установка может закрыть лазейку «свободы воли». По словам Кайзера, если после многократных измерений с помощью этой экспериментальной установки ученые обнаружат, что корреляция между частицами выше, чем предсказывают законы классической физики, то это будет означать, что Вселенная в том виде, в котором мы ее знаем, основана на законах квантовой механики.
«Думаю, будет справедливо сказать, что эта [лазейка] — последний рубеж, если рассуждать логически, который стоит между этими невероятно впечатляющими накопленными экспериментальными данными и их интерпретацией, согласно которой миром управляет квантовая механика», — говорит Кайзер.
Теперь, когда исследователи предложили экспериментальный подход, они надеются, что другие проведут реальные эксперименты, наблюдая за удаленными квазарами.
По словам физика Майкла Холла, хотя идея использования света от удаленных источников, таких как квазары, не нова, в статье группы ученых впервые подробно анализируется, как можно провести такой эксперимент на практике с использованием современных технологий.
«Таким образом, это большой шаг к тому, чтобы раз и навсегда закрыть эту лазейку, — говорит Холл, научный сотрудник Центра квантовой динамики в Университете Гриффита в Австралии. — Я уверен, что проведение такого эксперимента, в котором космические расстояния сочетаются с микроскопическими квантовыми эффектами, вызовет большой интерес и, скорее всего, потребует необычного сотрудничества между квантовыми физиками и астрономами».
«Сначала мы не знали, что нам понадобится: созвездия футуристических космических спутников или 1000-метровые телескопы на темной стороне Луны, — говорит Фридман. — Поэтому мы, конечно, обрадовались, когда, к нашему большому удивлению, обнаружили, что наш эксперимент возможен в реальном мире с использованием современных технологий и достаточно интересен для наших коллег-экспериментаторов, которые действительно хотят воплотить его в жизнь в ближайшие несколько лет».
Кайзер добавляет: «Мы сказали: «Давайте рискнем — давайте использовать историю космоса со времен Большого взрыва, черт возьми». И очень здорово, что это действительно возможно».
Исследование финансировалось Национальным научным фондом.