Квантовая физика, время, сознание, реальность

Заречный Михаил

Сейчас мы подойдём к этим и другим вопросам со стороны экспериментальных данных по квантовым корреляциям.

Пространство и время в целостной (замкнутой) системе

Есть интересный аспект вопроса о времени, которым сейчас интенсивно занимаются физики. Можно ли ввести понятие времени для целостной (замкнутой) системы типа нашей Вселенной, или для любой замкнутой системы? Существует ли объективно история? В настоящее время многие физики пришли к выводу, что нет.

Очевидно, понятие времени можно ввести только в том случае, если возможна классификация событий по причинно-следственным связям (событие A предшествовало событию B и может влиять на него, или событие B предшествовало

событию A и может влиять на него, или события A и B никак не связаны). Оказывается, что подобную классификацию можно ввести только в случае открытых систем. Напомню, система является открытой, если есть нечто внешнее по отношению к ней, например, наблюдатель. В открытых системах суперпозиция состояний может переходить в смесь.

В целостной системе ситуация совсем другая. В такой системе имеет место суперпозиция состояний. Это значит, что эксперимент, проведённый в точке A, может мгновенно изменить результаты наблюдений в точке B, находящейся на любом расстоянии от точки A. Поэтому любое событие A путём выбора соответствующей системы отсчёта "может быть сделано" как происходящее до события B и способное влиять на него, или как происходящее одновременно с событием B, или как происходящее после события B, при этом событие B способно влиять на событие A. В некотором смысле, всё происходит "одновременно". Понятие времени в этом случае теряет смысл.

Для локального наблюдателя в точке B изменения результатов эксперимента выглядят как чудо — они не имеют причин, поскольку экспериментатор никак не взаимодействовал с объектом наблюдения, и никакого материального носителя взаимодействия не было. Есть следствие, но нет причины.

Утверждение о "нематериальном" и мгновенном влиянии результатов эксперимента в точке A на результаты наблюдений в точке B несколько лет назад было экспериментально доказано. Интересно, что мысленный эксперимент, близкий к экспериментам, проведённым совсем недавно, провёл ещё Альберт Эйнштейн, пытаясь опровергнуть квантовую механику. Но мир оказался гораздо фантастичнее, чем это представлялось величайшему из физиков.

Чтобы сказанное выше стало понятнее, рассмотрим эксперимент, проведённый в Рочестерском университете Ричардом Манделом с коллегами в середине 90х годов прошлого столетия. Подобные опыты, направленные на проверку т. н. неравенств Белла и исследование квантовой нелокальности, начались в 1981 году с исторического эксперимента группы Алена Аспекта. В настоящее время проведено около сотни подобных экспериментов, и они говорят в пользу нелокальности окружающего нас мира.

Схема эксперимента показана на рис. 4.

Лазерный луч с помощью полупрозрачного зеркала расщеплялся на два пучка, а затем каждый из пучков направлялся на так называемый нелинейный кристалл, т. е. преобразователь частоты, способный расщеплять квант света (фотон) на два дочерних кванта. Закон сохранения энергии при этом, конечно же, выполняется: энергия каждого из дочерних квантов вдвое меньше энергии материнского кванта. Например, если падает лазера с длиной волны 405 нм (зелёного цвета), то на выходе из кристалла будут два луча с длиной волны 810 нм (красного цвета), энергия каждого кванта которых вдвое меньше энергии кванта в исходном луче. Затем, с помощью системы зеркал, делалось так, что каждая из этих двух пар фотонов интерферировала между собой, примерно так, как интерферировали компоненты суперпозиции в нашем опыте с рассеянием электронов на двух щелях. Результаты наблюдения интерференционной картины фиксировались детекторами Д1-Д2 для первой пары фотонов, и детекторами Д3-Д4 — для второй пары.

Как известно, любая частица, обладающая ненулевым спином, в том числе фотон, характеризуется

поляризацией, т. е. проекцией спина на направление движения. Фотоны могут обладать двумя состояниями поляризации, отвечающими двум возможным проекциям спина — вдоль и против направления движения. Вид поляризации света определяет плоскость колебаний электрического поля электромагнитных волн, и существуют так называемые анализаторы (специальные кристаллы), способные пропускать кванты только с определённой поляризацией. Поскольку различные состояния поляризации находятся в состоянии суперпозиции, то с помощью такого кристалла можно выделять те или иные её компоненты. Если подобный кристалл поставить по ходу одного из лучей, и вращать его относительно оси луча, то интерференционная картина будет меняться из-за изменения соотношения между компонентами суперпозиции. Итак, Ричард Мандел пространственно разнёс два пучка на достаточно большое расстояние, и начал менять помощью анализатора соотношение между компонентами суперпозиции на одном из них (нижнем на рис. 4). В силу его манипуляций с анализатором интерференционная картина на этом пучке менялась. Второй пучок он вообще не трогал! Но интерференционная картина, наблюдаемая на этом втором пучке, точь-в-точь повторяла интерференционную картину на пучке, с которым экспериментировал Мандел. И картина эта менялась мгновенно, в то же самое время, когда менялась картина на первом пучке. И это притом, что никаких "объективных" причин для изменения картины на первом пучке просто не было! Ведь человек в этом случае никак не взаимодействовал с объектом наблюдения, и никакого материального носителя взаимодействия между пучками не было!

Выходит, квантовый объект каким-то невероятным образом узнавал, что происходит с другим объектом, удалённым от него на значительное расстояние (сейчас проведены эксперименты с расстоянием между парами фотонов 10 км). Это явление обычно называют квантовыми корреляциями. Квантовые корреляции — неотъемлемое свойство сцеплённых (перепутанных) состояний. Напомним, что сцеплённые состояния частиц означают наличие связи каких-то характеристик этих частиц после их взаимодействия, и эта связь куда более жёсткая, чем следует из классических представлений. Если частицы когда-то провзаимодействовали, то в замкнутых системах связь между ними будет сохраняться всегда, и она будет мгновенной, на каком бы расстоянии друг от друга они не находились. Если с помощью анализатора или другого устройства мы определяем состояние (напр., поляризацию) одной частицы из пары, то состояние второй частицы тоже становится определённым! И вести себя эта частица будет теперь иначе, чем до измерения, проведённого с первой частицей! Это утверждение справедливо всегда для замкнутых систем, а в случае открытых систем связь между частицами будет сохраняться до тех пор, пока суперпозиция состояний не превратится под влиянием окружения в смесь.

Это похоже на то, как если бы сталкивались два шара, чёрный и белый, при этом область их столкновения не наблюдаема, и мы не знаем, какой куда полетит. Для квантовых частиц не будет так, как подсказывает здравый смысл: каждый шар изначально белый или чёрный, мы только не знаем его цвет. Вылетевшие шары будут вести себя как "серые", т. е. в каждом из них будет присутствовать суперпозиция белого и чёрного, и это проявляется в эксперименте. Но так будет происходить только до тех пор, пока мы не определим цвет одного из шаров. Если мы определили его цвет как чёрный, то другой немедленно перестаёт вести себя как серый, и начинает проявлять себя в эксперименте как белый, на каком бы расстоянии он не находился!

Теперь представим, что возле одного из пучков находится Вася, который проводит эксперименты, а возле другого — Петя, который не знает о существовании Васи. Для Пети изменение результатов эксперимента на его пучке выглядит как чудо, чудо в самом мракобесном понимании! Ведь Петя ничего не делает со своим пучком, все условия эксперимента остаются постоянными, а интерференционная картина по совершенно непонятным причинам меняется! То он видит "белые" шары, то "серые", то "чёрные". А никаких причин для изменения картины Петя не найдёт, как бы он не старался. Для него это выглядит так, как будто есть следствие, но нет причины.