В 1930-х годах Альберт Эйнштейн выразил глубокое недовольство квантовой механикой, назвав одно из её ключевых следствий «жутким дальнодействием» . В новом выпуске научно-популярного канала Veritasium ведущий подробно разбирает суть феномена квантовой запутанности, знаменитый спор физиков о природе реальности и то, как теорема Джона Белла помогла экспериментально разрешить это великое противостояние.
🌀 Квантовый спин: основа микромира 0:00
Чтобы понять суть квантовой запутанности, необходимо сначала разобраться с базовым свойством микромира — спином . Все фундаментальные частицы обладают этим свойством . Важно отметить, что физически частицы не вращаются вокруг своей оси, однако аналогия с вращением уместна: они обладают угловым моментом и определенной ориентацией в пространстве .
Когда физики измеряют спин частицы, они должны выбрать направление для этого измерения . Любое такое измерение имеет только два возможных исхода:
- Спин направлен вдоль оси измерения (состояние «спин вверх») .
- Спин направлен противоположно оси измерения (состояние «спин вниз») .
Поведение частицы меняется в зависимости от угла измерения . Например, если исходный спин частицы был направлен строго вертикально, а измерение проводится по горизонтальной оси, вероятность получить результат «вверх» или «вниз» составит ровно 50% на 50% . При этом сам процесс измерения меняет физическое состояние частицы: после замера она сохраняет вновь приобретенное направление спина .
Если же измерить вертикальный спин под углом в 60 градусов к вертикали, то, поскольку направление измерения ближе к исходной оси, частица окажется в состоянии «спин вверх» в 75% случаев (три четверти времени), и в состоянии «спин вниз» в 25% случаев (одна четверть времени) . Автор видео подчеркивает, что математически эта вероятность строго зависит от квадрата косинуса половины угла измерения .
🤯 Запутанные частицы и «жуткое дальнодействие» 1:44
Эксперимент, предложенный Эйнштейном, требует создания пары особых частиц . Например, они могут спонтанно образовываться из чистой энергии . Согласно закону сохранения углового момента, совокупный спин Вселенной должен оставаться неизменным . Это означает, что если спин одной частицы при измерении в определенном направлении оказывается направлен «вверх», то спин второй частицы при измерении в том же направлении обязательно должен быть направлен «вниз» .
Здесь и начинается область квантовых странностей . Можно предположить, что каждая частица с момента своего рождения обладает строго определенным спином . Однако, по словам автора видео, это предположение не выдерживает математической проверки .
Если бы частицы имели фиксированный вертикальный противоположный спин, то при их горизонтальном измерении каждая давала бы случайный результат с вероятностью 50/50 . В таком случае существовала бы 50-процентная вероятность того, что обе частицы покажут одинаковый спин (например, обе «вверх»), что напрямую нарушило бы закон сохранения углового момента .
Квантовая механика решает это противоречие следующим образом:
- До момента измерения частицы вообще не имеют определенного спина .
- Они находятся в состоянии квантовой запутанности, то есть их спины просто противоположны друг другу .
- Как только измеряется состояние одной частицы, состояние второй мгновенно предопределяется, даже если их разделяют световые годы .
Многие физики интерпретируют это как доказательство того, что выбор метода измерения первой частицы мгновенно влияет на результат измерения второй частицы со скоростью, превышающей скорость света . Альберта Эйнштейна категорически не устраивало такое объяснение, и он назвал его «жутким дальнодействием» (spooky action at a distance) , .
По мнению Эйнштейна, существовало более рациональное альтернативное объяснение: частицы с самого момента своего создания содержат в себе некую «скрытую информацию» (скрытые параметры) о том, какой спин они покажут при любом возможном направлении измерения . Поскольку эта информация изначально заложена в частицах в точке их совместного рождения, никакой сигнал не должен передаваться между ними быстрее скорости света .
📐 Теорема Белла: как проверить скрытую реальность 4:12
Долгое время научное сообщество соглашалось с доводами Эйнштейна, считая, что в микромире просто существуют скрытые параметры, которые невозможно узнать до измерения . Ситуацию изменил физик Джон Белл, предложивший гениальный способ экспериментальной проверки этой гипотезы .
Предложенный Беллом эксперимент строится по следующей схеме:
- Используются два детектора спина, каждый из которых может случайным и независимым образом измерять спин в одном из трех выбранных направлений .
- К детекторам отправляются пары запутанных частиц .
- Физики фиксируют, совпадают ли результаты измерений (оба детектора показывают «вверх» или оба «вниз») или же они различаются .
- Эксперимент повторяется многократно с постоянной случайной сменой направлений измерения детектора .
Ключ к разгадке кроется в итоговом проценте несовпадения результатов . Если частицы действительно содержат скрытые параметры («секретный план»), то этот процент подчиняется строгим математическим границам .
Единственное требование к такому «секретному плану» частиц — при измерении в одинаковых направлениях они обязаны давать противоположные результаты . Автор Veritasium разбирает два возможных математических плана:
- План №1 (одна частица всегда дает «вверх», вторая — всегда «вниз»): при любых выбранных направлениях измерения результаты детекторов будут отличаться в 100% случаев .
- План №2 (первая частица настроена давать «вверх» для 1-го направления, «вниз» для 2-го и «вверх» для 3-го; вторая частица — строго наоборот): при переборе всех 9 возможных комбинаций направлений детекторов результаты будут отличаться только в 5 случаях из 9 (примерно 55,6% времени) .
Все остальные варианты планов математически эквивалентны этим двум . Таким образом, если гипотеза Эйнштейна о скрытых параметрах верна, детекторы должны регистрировать разные результаты измерений более чем в 5/9 (55,6%) случаев от общего числа испытаний .
🔬 Экспериментальный вердикт: реальность квантовой механики 6:33
Реальные физические эксперименты дали поразительный результат: детекторы фиксируют разные значения спина ровно в 50% случаев . Это полностью опровергает теорию скрытых параметров Эйнштейна и подтверждает предсказания квантовой механики .
Автор Veritasium наглядно демонстрирует, как именно квантовая механика объясняет этот 50-процентный результат:
- Предположим, детектор А измеряет спин первой частицы в направлении №1 и получает значение «вверх» .
- С этого мгновения мы знаем, что вторая частица покажет «вниз» при измерении в том же направлении №1 . Это происходит случайно в 1/3 всех запусков .
- Если же детектор B измеряет вторую частицу в направлениях №2 или №3 (что происходит в 2/3 случаев), угол измерения составляет 60 градусов .
- Как было показано в начале видео, при угле 60 градусов вероятность получить результат «вверх» составляет 3/4 .
- Перемножая вероятности (2/3 * 3/4), мы получаем ровно 1/2 (50%) . Таким образом, в половине случаев приборы фиксируют одинаковые спины, а в другой половине — разные, что идеально согласуется с экспериментом .
Несмотря на триумф квантовой теории, среди ученых до сих пор нет единого мнения касательно интерпретации этих результатов . По словам ведущего, часть физиков убеждена, что у квантовых частиц нет никакой скрытой информации до момента наблюдения . Другие ученые склоняются к версии, что запутанные частицы способны мгновенно передавать сигналы друг другу быстрее скорости света для обновления своего квантового состояния при измерении одной из них .
При этом все физики солидарны в одном: использовать квантовую запутанность для мгновенной передачи информации на расстояние (сверхсветовой связи) невозможно . Это объясняется тем, что результаты измерений на каждом из детекторов всегда остаются абсолютно случайными (вероятность 50/50) .
Обнаружить квантовую взаимосвязь наблюдатели могут только после того, как физически встретятся и сверят свои записи . До этого момента данные на каждом конце выглядят как белый шум . Таким образом, квантовая механика не нарушает специальную теорию относительности Эйнштейна, что, как шутит автор видео, наверняка порадовало бы великого физика , .
