Читать книгу Тайны и парадоксы квантовой физики. Книга без формул - - Страница 9

Следующими парадоксами микромира, о которых мне хотелось бы вам кратко рассказать, является ситуация с отложенным выбором (ярко показанная в опыте известного американского физика Дж. Уиллера7), а также квантовый эффект, который принято называть «квантовым ластиком». В этих экспериментах проявляются целых три квантовых эффекта. С одной стороны, в них, как и в двухщелевом эксперименте, ярко проявляется корпускулярно-волновой дуализм элементарных частиц, с другой – в них показывается запутанность и нелокальность, ну и, наконец, с третьей – в них наиболее ярким образом проявляется переход частицы из одной формы в другую, которую можно объяснить наличием у экспериментатора (или в более широком смысле – во Вселенной) информации о его траектории.

Говоря о последнем эффекте, необходимо еще раз сказать о том, что традиционная физическая логика говорит о том, что для изменения своих свойств всякое физическое тело должно испытать какое-то материальное взаимодействие. Например, для того чтобы макротело разрушилось, необходимо, чтобы на него воздействовала какая-то сила, и т. д. Однако в микромире данный постулат работать перестает. Частица может идти по одному и тому же маршруту, встречать одни и те же материальные тела и… в одном случае проявлять одни свойства, а другом – другие. Исследуя данный феномен, ряд ученых как раз и обратили внимание на то, что проявление частицей тех или иных свойств можно связать с фактом наличия во Вселенной информации о ее траектории.

Ну а теперь давайте посмотрим на все названные эффекты на практике. Для этого возьмем устройство, которое называется интерферометр Маха – Цендера. Интерферометр представляет собой прибор, содержащий один или два светоделителя.

Рис. 4. Схема простейшего эксперимента

с интерферометром Маха – Цендера

Рассмотрим вначале самую простую схему эксперимента (см. рис. 4), в котором мы пока оставим всего один светоделитель СД (полупрозрачное зеркало). Отправим на него луч света. СД сделан так, что пропускает первую половину падающего на него излучения и отражает вторую. После этого каждый луч света отражается боковыми зеркалами (1) и (2), проходит систему фазовых задержек Ф1 или Ф2 и попадает на датчики (Д1 и Д2).

Когда единичный фотон поступает на вход СД, у него с точки зрения привычного для нас физического мира появляются всего три возможности:

1. Отразиться от светоделителя, т. е. пойти путем A и попасть на датчик Д1;

2. Пройти светоделитель насквозь, т. е. пойти путем В и попасть на датчик Д2;

3. Проявив свою волновую природу, расщепиться на светоделителе на две волны и идти к этим же датчикам сразу по двум путям. В этом случае при правильном подборе фаз мы получим на датчиках ярко выраженную интерференционную картину.

Что же показали проведенные опыты?8

Каждый раз ученые фиксировали следующий результат: у них всегда срабатывал только один из датчиков, что, казалось бы, неоспоримо свидетельствовало о том, что фотон шел только по одному из возможных путей, следовательно, проявлял свою корпускулярную природу. Никакой интерференционной картины зафиксировано не было.

Однако как только исследователь добавлял в схему эксперимента второй светоделитель СД2 (рис. 5), который, заметим, стирал информацию о том, по какому пути прошел фотон, интерференция сразу же появлялась. За счет чего достигалось стирание? За счет того, что и «верхний», и «нижний» фотон могли пройти сквозь СД2 прямо, а могли – отразиться от него. Поскольку вероятность обоих событий равнялась 50%, понять, какой фотон зарегистрирует любой из датчиков – Д1 или Д2, оказывалось невозможным. Принцип «запутывания» траектории фотона, при котором наблюдатель теряет возможность понять, по какому пути он пришел, и используют в экспериментах, которые называют «квантовым ластиком».

Чрезвычайно интересно, что при этом оказывалось неважным, когда в схему эксперимента вводилось второе полупрозрачное зеркало СД2. Это могло произойти даже после того, как фотон прошел СД1 и отразился от зеркал 1 и 2, т. е. когда он практически вплотную подошел к «области Х» (см. рис. 5).

Рис. 5. Схема эксперимента с интерферометром Маха – Цендера с двумя светоделителями

Известнейший физик (лауреат премий Эйнштейна, Энрико Ферми, обладатель медали Нильса Бора и т. д.) Дж. Уиллер писал об этом так: «В этом смысле мы имеем странную инверсию нормальной временной последовательности. Теперь, вводя или выводя зеркало (СД2 – прим. авт.), мы получаем неустранимый эффект, в соответствии с которым мы имеем право сказать об уже прошлой истории этого фотона». И: «Таким образом можно решать, пройдет ли фотон по одному или по обоим путям после того, как он уже прошел» (Wheeler, 1984).

Если рассуждать исходя из привычной нам физической картины мира, то поведение фотона в этом эксперименте действительно кажется поразительным.

В привычной (макроскопической) для нас картине мира фотон должен выйти из пластины СД1 и пойти по путям А и В, уже являясь волной или частицей. И тогда мы сразу приходим к фантастическому парадоксу: получается, что фотон должен точно знать заранее, что сделает экспериментатор. В самом деле, если пути А и В будут достаточно длинными (т. е. схема эксперимента позволит это сделать), то исследователь может часами сидеть и думать, что ему сделать – оставить или изъять пластину СД2 из цепи эксперимента. Однако обмануть фотон даже при данных обстоятельствах, которые, казалось бы, должны ясно выразить всю силу свободы воли, имеющуюся у экспериментатора, у него не получится. Если фотон войдет в эксперимент как частица, то экспериментатор в этом случае должен точно не захотеть вставить в цепь эксперимента пластину СД2. И наоборот, если фотон зайдет в эксперимент как волна, то экспериментатор должен обязательно захотеть вставить в цепь эксперимента пластину СД2 (и сделать это!). Мы также понимаем, что можем заменить экспериментатора механическим устройством, работающим по невычислимому алгоритму, основанному, например, на генераторе случайных чисел, которое уберет все предположения на тему особой связи фотона и сознания человека. В итоге предложенный нами парадокс теперь может прозвучать так: вне зависимости от того, что произойдет с траекторией фотона в будущем, кто будет «управлять» эти будущим (машина или человек), он в любом случае будет «знать», что произойдет с ним в этом будущем или даже, если усилить данный тезис, «управлять своим будущим».

Очевидно, что подобные предположения являются настолько невероятными, что их хочется сразу отбросить.

Или глубоко задуматься и пойти попить чайку.

И все-таки кажется, что это должно работать как-то не так. Но как?

Давайте пока сохраним напряжение и усложним эксперимент.

Напомню, мы разбираем квантовый эффект, который называется «квантовый ластик».

Итак, установим на каждом возможном пути фотона даунковертор (ДК) – прибор, который при попадании в него одного «нормального» фотона делит его на два фотона с половинной энергией (см. рис. 6).

Рис. 6. Схема эксперимента с интерферометром Маха – Цендера с двумя светоделителями и двумя даунконверторами

При этом один из двух «новых» фотонов (так называемый «сигнальный» фотон) будет идти по старому маршруту, а второй («холостой» фотон) – будет отправляться на детекторы (Д3) и (Д4). Как вы уже, наверное, понимаете, при повторении предыдущего опыта интерференционная картина прогнозируемо (и обязательно) исчезнет – ведь теперь при движении по своей траектории фотон неизбежно попадет на Д3 или Д4, которые точно скажут, какой он выбрал путь.

Пока удивительные свойства квантовой частицы, о которых мы уже знаем, не поменялись. Запомним это и сделаем еще один, заключительный шаг. Усложним наш эксперимент в последний раз, добавив в него еще три светоделителя и два датчика.

Рис. 7. Схема усложненного эксперимента

с интерферометром Маха – Цендера

Что произойдет после этого?

Не пугайтесь, возьмите в руки карандаш и внимательно рассмотрите путь фотона в новой схеме (см. рис. 7).

Если вы читаете электронный вариант книги – лучше этот рисунок сейчас распечатать.

Так же, как и в предыдущий раз, фотон пройдет через даунковертор ДК1 и/или ДК2 и разделится на фотоны с половинной энергией. Так же, как и в предыдущий раз, основные (или сигнальные) фотоны пойдут от ДК1/ДК2 к пластине СД2, а «холостые» фотоны пойдут к СД3 и СД4.

Однако далее перед «холостыми» фотонами возникнут две альтернативы. Давайте для простоты рассмотрим возможный путь «холостого» фотона, который идет по верхнему пути А.

1. С вероятностью 50% пройти через светоделитель СД3 и попасть в детектор Д3.

2. С такой же вероятностью 50% отразиться от светоделителя СД3 и далее попасть на светоделитель СД5. После этого у него также возникнет две альтернативы:

А) с вероятностью 50% попасть в детектор Д6 (пройти СД5 «насквозь»);

В) с вероятностью 50% попасть в детектор Д5 («преломиться» в СД5).

Если верхний «холостой» фотон выберет альтернативу 1, т. е. попадет в Д3, то мы точно узнаем, что первоначальный, неразделенный фотон прошел по траектории А.

Если верхний «холостой» фотон выберет альтернативу 2, т. е. сработает Д5 или Д6 (все равно, какой из них), то мы уже никогда не узнаем, по какому пути прошел первоначальный, неразделенный фотон.

Ну а теперь мы вплотную подобрались к самому волнующему моменту.

Если мы выделим на датчиках Д1 и Д2 регистрации «сигнальных» фотонов, которые появились при срабатывании на Д3 или Д4 их половинок – «холостых» фотонов, то, разумеется, мы обнаружим, что никакой интерференционной картины нет. Зафиксировав путь фотона, мы «лишили» его всякой возможности быть волной.

Однако если мы выделим на Д1 и Д2 подмножество точек, которые получались при срабатывании только датчиков Д5 или Д6, то мы увидим, что они образуют интерференционную картину!

Из этого следуют несколько выводов – для того чтобы осмыслить их, давайте проследим путь фотонов в различных модификациях эксперимента еще раз.

Начнем с сигнального фотона в первом, самом простом эксперименте.

Сформулируем вопрос: что является причиной изменения свойств сигнального фотона в данном эксперименте?

В первой модификации эксперимента фотон, выйдя из источника (как нам это представляется) частицей, достигал некоторого материального тела «полупрозрачного зеркала СД1». Достигнув зеркала, он или отражался от него, или проходил насквозь, или одновременно шел по обоим путям. Таким образом, мы можем легко посчитать причиной изменения траектории фотона материальное тело (зеркало), которое он встречал на своем пути. Т. е. здесь все пока выглядит логично.

Во второй модификации первого эксперимента фотон встречал на своем пути еще одно материальное тело – второе зеркало СД2, которое так или иначе (пусть мы даже не знаем как, это сейчас неважно), но также могло теоретически изменить характер движения фотона, превратив его теперь в «волну».

Причиной изменения природы фотона могло теоретически выступить материальное тело – зеркало СД2.

Во втором эксперименте, с появлением даунконверторов, сигнальный фотон, достигнув того же самого зеркала СД2, переставал менять свою природу, однако до этого на своем пути он встречал эти самые даунковерторы ДК2 и/или ДК3, приобретая половинную энергию исходного фотона. Таким образом, возможность изменить свои свойства из-за встречи с «некоторым материальным телом» у сигнального фотона сохранились все равно.

Причиной изменения природы фотона во втором эксперименте также могли теоретически выступить материальные тела – даунконверторы ДК1/ДК2.

Однако в третьей модификации эксперимента сигнальный фотон становился «волной или частицей», двигаясь по одному и тому же пути, встречая перед собой одни и те же физические элементы!

Возьмите карандаш и опять посмотрите на схему – например, сигнальный фотон, выйдя из ДК1 и далее отразившись от СД2, мог зарегистрироваться на датчике Д1, продемонстрировав нам свою волновую природу. Это он делал в случае, если пространственно разделенный с ними холостой фотон, отразившись от СД3, далее регистрировался на датчиках Д5/Д6.

Но он мог пройти точно такой же путь, так же выйти из ДК1 и далее, отразившись от СД2, зарегистрироваться на датчике Д1, продемонстрировав нам, что он – частица! Для этого надо было, чтобы пространственно разделенный с ними холостой фотон, «пройдя насквозь» СД3, зарегистрировался на датчике Д4.

Таким образом, мы видим, что в данном эксперименте состояние сигнального фотона:

А. Перестает зависеть от его траектории (перестает зависеть от любых материальных тел, которые он мог бы встретить на этой траектории), что само по себе уже является прекрасным!

Б. Начинает зависеть от траектории запутанного с ним холостого фотона;

Следствия А и Б наглядно демонстрирует нам явление квантовой запутанности и связанной с ней нелокальности.

В. Ну и, наконец, в данном эксперименте мы очень наглядно наблюдаем логику, при которой природа сигнального фотона начинает зависеть от того, существует ли в пространстве эксперимента информация, которая могла бы тем или иным образом сообщить нам траекторию такого фотона.

Действительно, получается, что как только в данном эксперименте появляется такая информация – фотон становится «корпускулой» (говоря нам о том, что в прошлом он как бы «шел по одному пути» – хотя мы этого, конечно же, не знаем), как только такая информация о траектории исчезает – фотон становится «волной» (как бы говоря нам о том, что в прошлом он шел по двум путям – хотя мы этого, конечно же, не знаем тоже). Мы можем переставлять местами датчики, добавлять или убирать полупрозрачные зеркала, двигать даунконверторы, усложнять или упрощать данный эксперимент так, как только позволит нам наша фантазия, – упомянутая логика будет работать все равно, «обмануть фотон» и узнать его путь пока не удалось никому.

Таким образом, можно привести простую и понятную причину (или следствие?), которая могла бы объяснить происходящее: как только возможность получить информацию о пути фотона стиралась из пространства эксперимента, интерференция появлялась.

Как только путь фотона становился измеряем – она мгновенно исчезала.

Исходя из того, что подобную логику можно применить практически ко всем аналогичным физическим экспериментам с фотонами, целый ряд ученых делает вывод о том, что единственной логически значимой причиной изменения свойств фотона является наличие информации о его движении.

Значит ли это, что квантовую систему меняет наличие о ней информации? Если это так, то можно ли сказать, что именно информация лежит в основе реальности? Или все-таки это свойство реальности, которым пользуется одна ее часть для того, чтобы в данном случае упорядочить другую?.. А может быть, информация – это просто следствие каких-то неизвестных для нас физических процессов?..

Мы оставим глобальные рассуждения об этом для заключительного раздела и выводов, а пока подумаем еще раз над возможной интерпретацией полученных результатов. Давайте еще раз перечислим все возможные, пусть самые невероятные, но логически непротиворечивые варианты, которые могут объяснить результаты третьего эксперимента.

1. Фотон знает свое будущее и подстраивается под него с самого начала эксперимента (или даже управляет своим будущим). Он делает это сам или с помощью каких-то «невероятных помощников». В этом случае он спокойно выходит из источника, являясь волной, потому что знает, что отразится от СД4 и что далее исследователь поставит СД5 (или же делает так, чтобы исследователь это сделал).

Фактически в этом варианте мы возвращаемся к теории «супердетерминизма», которую мы уже упомянули в разделе, посвященном двухщелевому эксперименту. Это логически непротиворечивая теория, которую, впрочем, нельзя ни доказать, ни опровергнуть. Мы рассмотрим ее чуть позже.

2. Фотон может очень быстро «прыгать» то в один оптический канал, то в оба сразу – в зависимости от текущей конфигурации того или иного эксперимента. При этом очевидно, что смена формы и пространственного положения частицы должна быть управляемым процессом, зависящим, как мы видим, от текущей конфигурации проводимого опыта. Так, если мы уберем зеркало СД5, то регистрация холостого фотона датчиком Д6 точно скажет о том, что основной (сигнальный) фотон пройдет (или уже прошел?) по пути А. Если же мы введем в эксперимент зеркало СД5, то сразу «поместим» сигнальный фотон в оба канала А и В. Таким образом, в зависимости от конфигурации и хода данного эксперимента фотон должен постоянно «прыгать» из канала в канал, находясь то «здесь», то «там», то «и здесь, и там». Как он может это делать (особенно если поместить его внутрь светодиодов с непрозрачными стенками9) – совершенно непонятно.

Как мы понимаем, данный вариант предполагает наличие некоторой неизвестной нам силы, которая бы в зависимости от текущей конфигурации эксперимента перемещала бы фотон из одного канала в другой.

3. Мы можем усилить предыдущий вариант, предположив, что фотон перемещается не из одного канала в канал, а вне пространства и времени (в иной «модус бытия») или же в другое пространство и время. В этом случае, когда его, например, «не трогают», он может «прыгнуть» в это «новое пространство» и появиться оттуда только в момент своего измерения (см.10 и ссылки в данной работе, и также см.11).

Заметим в скобках, что, согласно Эйнштейну, при скоростях, равных скорости света, время останавливается. Это значит, что время полета фотона, который летел к нам от далекой звезды 4 млрд световых лет, с точки зрения этого фотона, равняется… нулю. В его системе отсчета его полет будет выглядеть совершенно по-другому: он родился – и, «не поняв ничего», мгновенно исчез… И в этом смысле у фотона действительно нет ни прошлого, ни будущего. Так что подход, который помещает фотоны (как и все иные элементарные частицы) вне времени и пространства, в какое-то особое, неизвестное нам состояние материи, несомненно, несет в себе явное рациональное зерно.

Необходимо сказать, что второй и третий вариант в некотором смысле довольно близки. Действительно, и там и там для физического предъявления фотона в той или иной точке пространства необходима какая-то сила/посредник. Например, в третьем варианте фотон помещается вне времени и пространства и далее в зависимости от того, что происходит в поле эксперимента, опять предъявляется в нем в том или ином виде. Но кто или что это с ним делает, спросите вы? Ответов два: либо это свойство самой материи, либо это делает какое-то неизвестное науке поле или сила, которые опять-таки являются одним из свойств окружающего нас мира.

4. Вероятно, существуют и еще более экзотические варианты реальности, который бы могли объяснить поведение фотонов в данном эксперименте, такие как «мы все находимся в матрице» и т. д.

Конечно же, все четыре альтернативы, которые мы привели, кажутся крайне необычными, если не сказать больше. Все это еще раз ярко показывает степень нашего текущего непонимания квантовой реальности, которая носит абсолютно парадоксальный характер.

Я также попросил бы уважаемых читателей обратить свое внимание на то, что все варианты поведения фотона в данном эксперименте требуют введения в реальность информационно-логического «куратора» фотона! Такой «куратор» (давайте назовем его центром управления фотоном, ЦУФ) должен каким-то образом влиять на фотон во всех случаях!

В самом деле, в первом варианте такой «куратор» должен давать ему точные знания о его будущем (в т. ч. с учетом того, что сделает исследователь или какое-то устройство, включенное в цепь эксперимента).

Во втором варианте ЦУФ появляется просто явно, он не только дает указания о том, какие свойства должен показывать фотон, но и перемещает его в необходимую (ые) точку (и) пространства, которая (ые) позволит (ят) ему проявить свои волновые или корпускулярные свойства.

Третий вариант отличается от второго тем, что ЦУФ время от времени должен помещать фотон вне пространства и времени (в таинственный модус «нечто») или в другое пространство и время.

В четвертом варианте ЦУФ вообще становится главным, поскольку в «матрице» ЦУФом становится сама «матрица» – огромная «симуляция всего»…

Как может выглядеть такой ЦУФ?

В некоторых из перечисленных вариантов логически функционал такого ЦУФ можно было бы поместить в сам фотон, который в этом случае должен получить возможность не только мгновенного сбора и обмена информацией между всем веществом эксперимента, но и, например, «бесследного перемещения» самого фотона «куда-то» и такого же его «появления из ниоткуда».

Однако напрашивается более логичное предположение, при котором функции подобного, почти невероятного, управления фотоном берет на себя какое-то поле, среда или сама природа материи. Если это так, то данное поле/среда/материя должна связывать/координировать все (возможно – огромное) количество вещества пространства эксперимента, мгновенно «снимая» с него данные и безошибочно передавая в другие точки этого же пространства управляющие сигналы (внимание – полупрозрачное зеркало на месте, фотон – появись в обоих каналах! (покажи одни свойства); внимание – зеркало убрали, фотон – останься только в одном канале! (покажи другие свойства) и т. д.).

Рассуждения о том, как может выглядеть подобная реальность, мы продолжим чуть позже, в заключительной части и выводах. Для того чтобы делать выводы сейчас, нам еще не хватает фактов. Пока же, суммируя результаты эксперимента с отложенным выбором, давайте еще раз отметим, что картина микромира фотона в данном эксперименте с обыденной точки зрения является совершенно непонятной, если не сказать невероятной – так же, как и во многих других экспериментах.

И это не может не воодушевлять любого исследователя, не так ли?

Следующий парадокс квантовой физики, о котором мне хотелось бы коротко рассказать, называется парадоксом Зенона.