# Как теорема Белла доказала реальность квантовой запутанности

Источник: https://www.youtube.com/watch?v=ZuvK-od647c
Канал: Veritasium
Опубликовано: 12.01.2015

---

В 1930-х годах Альберт Эйнштейн выразил глубокое недовольство квантовой механикой, назвав одно из её ключевых следствий «жутким дальнодействием» [0:13]. 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
[[JUMP:0:00]]

Чтобы понять суть квантовой запутанности, необходимо сначала разобраться с базовым свойством микромира — спином [0:25]. Все фундаментальные частицы обладают этим свойством [0:38]. Важно отметить, что физически частицы не вращаются вокруг своей оси, однако аналогия с вращением уместна: они обладают угловым моментом и определенной ориентацией в пространстве [0:38].

Когда физики измеряют спин частицы, они должны выбрать направление для этого измерения [0:51]. Любое такое измерение имеет только два возможных исхода:

*   Спин направлен вдоль оси измерения (состояние «спин вверх») [0:51].
*   Спин направлен противоположно оси измерения (состояние «спин вниз») [0:51].

Поведение частицы меняется в зависимости от угла измерения [1:04]. 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% [1:04]. При этом сам процесс измерения меняет физическое состояние частицы: после замера она сохраняет вновь приобретенное направление спина [1:17].

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) [1:30]. Автор видео подчеркивает, что математически эта вероятность строго зависит от квадрата косинуса половины угла измерения [1:30].

## 🤯 Запутанные частицы и «жуткое дальнодействие»
[[JUMP:1:44]]

Эксперимент, предложенный Эйнштейном, требует создания пары особых частиц [1:44]. Например, они могут спонтанно образовываться из чистой энергии [1:44]. Согласно закону сохранения углового момента, совокупный спин Вселенной должен оставаться неизменным [1:58]. 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» [1:58].

Здесь и начинается область квантовых странностей [2:11]. Можно предположить, что каждая частица с момента своего рождения обладает строго определенным спином [2:11]. Однако, по словам автора видео, это предположение не выдерживает математической проверки [2:25].

Если бы частицы имели фиксированный вертикальный противоположный спин, то при их горизонтальном измерении каждая давала бы случайный результат с вероятностью 50/50 [2:25]. 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 [2:38].

Квантовая механика решает это противоречие следующим образом:

*   До момента измерения частицы вообще не имеют определенного спина [2:38].
*   Они находятся в состоянии квантовой запутанности, то есть их спины просто противоположны друг другу [2:38].
*   Как только измеряется состояние одной частицы, состояние второй мгновенно предопределяется, даже если их разделяют световые годы [2:53].

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 [3:30]. Альберта Эйнштейна категорически не устраивало такое объяснение, и он назвал его «жутким дальнодействием» (spooky action at a distance) [0:13], [3:17].

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 [3:44]. Поскольку эта информация изначально заложена в частицах в точке их совместного рождения, никакой сигнал не должен передаваться между ними быстрее скорости света [3:57].

## 📐 Теорема Белла: как проверить скрытую реальность
[[JUMP:4:12]]

Долгое время научное сообщество соглашалось с доводами Эйнштейна, считая, что в микромире просто существуют скрытые параметры, которые невозможно узнать до измерения [3:57]. Ситуацию изменил физик Джон Белл, предложивший гениальный способ экспериментальной проверки этой гипотезы [4:12].

Предложенный Беллом эксперимент строится по следующей схеме:

1. Используются два детектора спина, каждый из которых может случайным и независимым образом измерять спин в одном из трех выбранных направлений [4:25].
2. К детекторам отправляются пары запутанных частиц [4:38].
3. Физики фиксируют, совпадают ли результаты измерений (оба детектора показывают «вверх» или оба «вниз») или же они различаются [4:38].
4. Эксперимент повторяется многократно с постоянной случайной сменой направлений измерения детектора [4:38].

Ключ к разгадке кроется в итоговом проценте несовпадения результатов [4:51]. Если частицы действительно содержат скрытые параметры («секретный план»), то этот процент подчиняется строгим математическим границам [4:51].

Единственное требование к такому «секретному плану» частиц — при измерении в одинаковых направлениях они обязаны давать противоположные результаты [5:04]. 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 [5:43].
*   **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) [6:21].

Все остальные варианты планов математически эквивалентны этим двум [5:43]. 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 [6:33].

## 🔬 Экспериментальный вердикт: реальность квантовой механики
[[JUMP:6:33]]

Реальные физические эксперименты дали поразительный результат: детекторы фиксируют разные значения спина ровно в 50% случаев [6:49]. Это полностью опровергает теорию скрытых параметров Эйнштейна и подтверждает предсказания квантовой механики [6:49].

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» [7:03].
*   С этого мгновения мы знаем, что вторая частица покажет «вниз» при измерении в том же направлении №1 [7:03]. Это происходит случайно в 1/3 всех запусков [7:16].
*   Если же детектор B измеряет вторую частицу в направлениях №2 или №3 (что происходит в 2/3 случаев), угол измерения составляет 60 градусов [7:16].
*   Как было показано в начале видео, при угле 60 градусов вероятность получить результат «вверх» составляет 3/4 [7:29].
*   Перемножая вероятности (2/3 * 3/4), мы получаем ровно 1/2 (50%) [7:29]. Таким образом, в половине случаев приборы фиксируют одинаковые спины, а в другой половине — разные, что идеально согласуется с экспериментом [7:42].

Несмотря на триумф квантовой теории, среди ученых до сих пор нет единого мнения касательно интерпретации этих результатов [7:42]. По словам ведущего, часть физиков убеждена, что у квантовых частиц нет никакой скрытой информации до момента наблюдения [7:55]. 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 [8:07].

При этом все физики солидарны в одном: использовать квантовую запутанность для мгновенной передачи информации на расстояние (сверхсветовой связи) невозможно [8:07]. Это объясняется тем, что результаты измерений на каждом из детекторов всегда остаются абсолютно случайными (вероятность 50/50) [8:20].

Обнаружить квантовую взаимосвязь наблюдатели могут только после того, как физически встретятся и сверят свои записи [8:33]. До этого момента данные на каждом конце выглядят как белый шум [8:47]. Таким образом, квантовая механика не нарушает специальную теорию относительности Эйнштейна, что, как шутит автор видео, наверняка порадовало бы великого физика [8:47], [9:00].