Повтор эксперимента двухвековой давности, демонстрирующего волновую природу света, помог физикам выяснить, что «спутанные» частицы света движутся сюрреалистичным образом, внезапным и нелогичным образом меняя траектории движения при попытке их «поймать», говорится в статье, опубликованной в журнале Science Advances.

Квантовая механика, как показали первые расчеты и опыты в этой области физики в 20 годах прошлого века, носит вероятностный характер. Иными словами, мы не можем абсолютно точно одновременно измерить, где будет находиться и как будет двигаться частица во время наблюдений за ней, а лишь примерно выяснить значения для этих двух параметров.

© Фото: Российский квантовый центр

Примером этого является так называемый эксперимент Юнга, проведенный английским физиком Томасом Юнгом в 1802 году.

Если мы пропустим луч из одиночных фотонов через ширму с двумя параллельными щелями, удаленными друг от друга на расстояние, соответствующее длине волны света, то тогда мы увидим три ярких полосы, состоящие из точек. Если мы попытаемся узнать, через какую из дырок будет идти фотон, подставив детектор света под одну из них, то тогда полосы просто исчезнут.

Подобное поведение частиц заставило ученых задуматься – как на самом деле движется фотон, где он находится до того, как мы его измерим, и похожа ли его траектория движения на линию, конус или вообще что-то иное. Вопрос, что на самом деле происходит, вызывает самые ожесточенные споры среди физиков.

© Mahler et al. / Science Advances 2016

Как рассказывает Эфраим Штайнберг (Aephraim Steinberg) из университета Торонто (Канада), большинство физиков сегодня считает, что мы принципиально не можем определить траекторию частиц из-за принципа неопределенности Гейзенберга. Они считают, что ее просто не существует, и что траекторию движения фотона нельзя восстановить, зная его конечное положение. Другие полагают, что каждое измерение порождает бесчисленное множество «параллельных вселенных», а третьи – считают, что движением фотонов управляет некие скрытые от нас процессы (или переменные, как их называют ученые).

Главным примером такой интерпретации квантовой механики является теория де Бройля-Бома, которая постулирует, что частицы движутся по четко заданным траекториям, подмножество которых задает так называемая «функция-пилот», представляющая собой еще одну волновую функцию. Положение частицы в этой теории задается ее изначальным положением, что, как считают сторонники этой идеи, и объясняет кажущуюся случайность квантового мира.

Данную теорию, по словам Штайнберг, критикуют за то, что она требует существования нелокальности – возможности воздействия и связи одной частицы с другой на каком угодно расстоянии и при любых масштабах, что напрямую противоречит специальной теории относительности Эйнштейна, в справедливости которой никто не сомневается.

Штайнберг и его коллеги на практике продемонстрировали, что эта нелокальность существует, а также проследили за траекториями движения фотонов. Они оказались очень похожи на результаты расчетов «функции-пилота», научившись измерять положение «запутанных» фотонов,  пропуская один из них через специальный набор линз и две щели, а другой – через детектор одиночных фотонов. Положение первой частицы ученые периодически меняли, приближая и удаляя одну из линз от источника света.

Эти наблюдения показали, что частицы света движутся не по «размазанным» траекториям, а по четким линиям. Движение фотонов по этим «дорожкам» было, как пишут физики, сюрреалистичным – положение первой частицы зависело от того, когда и куда второй фотон попадал внутри детектора, и наоборот — положение первого фотона влияло на поляризацию второго. Данный факт, как считают авторы статьи, говорит о том, что частицы ведут себя нелокальным образом.

«И стандартная Копенгагенская интерпретация, и теория Де-Бройля-Бома корректно описывают результаты этих экспериментов, и они математически эквивалентны друг другу. Просто теперь мы можем сказать, что мы действительно можем видеть траекторию движения частиц, а не просто рассчитывать его волновую функцию и ожидать ее коллапса», — заключает Штайнберг.