Отличная квантовая механика - [32]
2.3. Квантовая нелокальность
В разд. 2.2 мы говорили о локальных измерениях на запутанных состояниях. Мы обнаружили, что локальное измерение Алисы вызывает мгновенный коллапс нелокального состояния в некое состояние, которое находится в локации Боба и зависит от измерения, которое Алиса решает выполнить. Мы показали, что удаленное приготовление состояния не нарушает причинности, т. е. что на измеряемые свойства фотона Боба измерение Алисы никак не влияет. Затем мы порассуждали о том, что квантовое состояние — это чисто теоретический конструкт, так что ему «разрешается» демонстрировать нефизичные на первый взгляд свойства на бумаге при условии, что это не влечет за собой никаких реальных следствий в эксперименте. Проблема, однако, все же не решена до конца: если в теоретической модели присутствуют абсурдные, контринтуитивные элементы, не имеющие отношения к измеряемой физике, то, может быть, эта модель не так уж хороша!
Этот парадокс был впервые строго сформулирован в 1935 г. в статье Альберта Эйнштейна, Бориса Подольского и Натана Розена (ЭПР)[45]. Первоначально парадокс ЭПР был предложен для механического движения пары частиц, так что нам придется отложить его обсуждение до главы 3. Здесь же мы поговорим о его альтернативной формулировке, подобной той, что была предложена Дэвидом Бомом в 1951 г.[46]
Рассуждение ЭПР опирается на понятие физической реальности. Наблюдаемое определяется как элемент физической реальности, когда результат его измерения может быть верно предсказан еще до измерения. Предположим, например, что Алиса и Боб (две удаленные не взаимодействующие между собой стороны) располагают запутанным состоянием
Если бы Алиса вместо этого измеряла в диагональном базисе, фотон Боба удаленно приготовился бы либо в |+45º⟩, либо в |–45º⟩. И затем, если бы Боб решил измерить свой фотон в диагональном базисе, результат его измерения можно было бы предсказать точно — так что в данном случае физической реальности фотона Боба соответствует наблюдаемое
Далее ЭПР рассуждали так: если два участника находятся далеко друг от друга и/или не могут взаимодействовать, то никакое действие одной из сторон не может изменить физическую реальность у второго участника. Они назвали это принципом локальности, или локальным реализмом (locality, или local realism). Применив данный основанный на здравом смысле принцип в нашем случае, мы вынуждены заключить, что оба наблюдаемых — и
Данное противоречие заставило ЭПР сделать вывод о том, что «квантово-механическое описание реальности… неполно». Под полнотой ЭПР понимали требование, что «каждый элемент физической реальности должен иметь отражение в физической теории»[47]. В рассматриваемом случае два элемента физической реальности —
ЭПР завершили статью так:
«Хотя мы и показали, что волновая функция не дает полного описания физической реальности, мы оставили открытым вопрос о том, существует ли такое описание или нет. Мы думаем, однако, что такая теория возможна»[48].
Иными словами, говорят ЭПР, когда-нибудь, наверное, будет разработана теория, которая сможет предсказывать экспериментальные результаты не хуже квантовой механики, не проявляя при этом никаких парадоксальных черт. Если говорить конкретно о нашем случае, то эта «новая» теория позволит предсказывать результаты измерения Боба в любом базисе, независимо от действий Алисы.
Можно возразить, что, согласно эксперименту, результаты Боба, если он не измеряет в том же базисе, что и Алиса, получаются случайными. Не исключает ли это всякую возможность существования детерминистической теории? Чтобы дать ответ на это возражение, вспомним наглядный пример, который мы придумали в подразд. 2.2.1: некто случайным образом отправляет одну туфлю из пары Алисе, а другую Бобу. С точки зрения Алисы и Боба, правость или левость полученной туфли будет абсолютно случайной. Тем не менее тот, кто упаковал туфли и разослал их, знает, какая из них ушла к какому наблюдателю: этому кому-то известен скрытый параметр (hidden parameter), к которому Алиса и Боб не имеют доступа.
Поведение фотонов сложнее поведения туфель, поскольку корреляции между результатами измерений зависят от базисов, выбранных обеими сторонами. Но, возможно, ситуация все же допускает аналогичное объяснение? Может быть, два фотона загодя, в момент их создания, получают какой-то набор скрытых параметров, которые каким-то образом полностью предопределяют результат измерений их поляризации в
