После открытия лазейки в знаменитом эксперименте, доказывавшем отсутствие внутренних свойств у квантовых объектов, три группы экспериментаторов быстро её закрыли. Этот эпизод закрывает вопрос по теориям скрытых переменных.

Физик-теоретик Джон Уилер однажды использовал фразу «огромный дымчатый дракон» для описания частицы света, летящей от источника к счётчику фотонов. «Пасть дракона остра, там, где он кусает счётчик. Хвост дракона остёр, там, откуда исходит фотон», — писал Уиллер. Иначе говоря, у фотона есть определённая реальность в начале и в конце пути. Но его состояние посередине – тело дракона – размыто. «О том, что дракон делает, или как он выглядит в промежутке, мы не имеем права говорить».

Уилер поддерживал точку зрения, по которой элементарные квантовые явления нельзя назвать реальными, пока мы не совершим наблюдение – философскую позицию под названием антиреализм. Он даже придумал эксперимент, демонстрирующий, что если вы будете настаивать на реализме – при котором у квантовых объектов, таких, как фотоны, всегда есть определённые внутренние свойства, что больше похоже на классическое представление о реальности – тогда вам придётся принять, что будущее может влиять на прошлое. Из-за абсурдности путешествия в прошлое эксперимент Уиллера стал аргументом в пользу антиреализма на квантовом уровне. Но в мае 2018 Рафаэль Чавес с коллегами из Международного института физики нашли лазейку. Они показали, что эксперимент Уилера при определённых предположениях можно объяснить при помощи классической модели, приписывающей фотону внутренние свойства. Они снабдили дракона чётко определённым телом, скрытым от математического формализма стандартной квантовой механики.

Рафаэль Чавес

Команда Чавеса предложила определённую модификацию эксперимента Уилера для проверки лазейки. Три других команды с необычной расторопностью поторопились провести изменённый эксперимент. Их результаты, опубликованные в июне, показали, что классические модели, пропагандирующие реализм, не дают осмысленной интерпретации результатов. Квантовая механика, может быть, и странная, но всё равно остаётся самым простым из имеющихся объяснений.

Ловушка для дракона

Уилер придумал свой эксперимент в 1983 году, чтобы подчеркнуть одну из главных концептуальных загадок квантовой механики: корпускулярно-волновой дуализм. Квантовые объекты ведут себя либо как частицы, либо как волны, но не одновременно и так, и так. Из этого свойства квантовой механики, судя по всему, следует, что у объектов нет внутренней реальности, пока над ними не проведут наблюдения. «Физикам приходилось мириться с дуализмом как с неотъемлемой и странной особенностью квантовой теории почти сто лет», — сказал Дэвид Кайзер, физик и историк науки из Массачусетского технологического института. «Эта идея появилась раньше других типичных странных особенностей квантовой теории, таких, как принцип неопределённости Гейзенберга и кот Шрёдингера».

Этот феномен подчёркивается особым случаем знаменитого эксперимента с двумя щелями под названием интерферометр Маха — Цендера.

В эксперименте один фотон запускают в сторону полупрозрачного зеркала, или светоделителя. Фотон с равной вероятностью либо отражается, либо проходит сквозь него – в результате чего в итоге идёт по одному из двух путей. В данном случае он пойдёт либо по пути 1, либо по пути 2, и попадёт либо в детектор Д1, либо в Д2, с равной вероятностью. Фотон ведёт себя как невидимое целое, демонстрируя свою корпускулярную натуру.

Но есть нюанс. В точке пересечения путей 1 и 2 можно добавить ещё один светоделитель, что всё меняет. В таком случае квантовая механика говорит, что фотон как бы проходит по двум путям одновременно как волна. Две этих волны сходятся вместе на втором светоделителе. Эксперимент можно поставить так, что волны комбинируются конструктивно – пик к пику, провал к провалу – только если они идут по направлению к детектору Д1. А путь к счётчику Д2 обозначает деструктивную интерференцию. При таком раскладе фотон всегда можно будет найти в Д1, и никогда – в Д2. В таком случае фотон демонстрирует свою волновую природу.

Сверху: фотон как частица. Каждый из детекторов регистрируют фотон в 50% случаев. В середине: фотон как волна. Фотон регистрирует только Д1. Внизу: отложенный выбор. Начинаем без второго светоделителя, и добавляем его в последний момент. Фотон, который сначала вёл себя как частица, внезапно начинает вести себя как волна. Вывод: либо внедрение второго светоделителя отправляет фотону сигнал в прошлое, либо у фотона нет никаких внутренних свойств.

Гений Уилера проявился в вопросе: что, если мы задержим выбор того, добавлять ли второй светоделитель? Предположим, фотон входит в интерферометр, когда там нет второго светоделителя. Он должен вести себя как частица. Но можно добавить второй светоделитель в самую последнюю наносекунду. Теория и эксперимент демонстрируют, что фотон, который до этого должен был вести себя как частица, и попасть либо в детектор Д1, либо к Д2, начинает вести себя как волна, и попадает только в Д1. Для этого ему, кажется, надо идти по двум путям одновременно, а не по одному из них. В классическом понимании всё происходит так, будто фотон вернулся назад во времени и изменил свою сущность с частицы на волну.

Один из способов избежать такой ретрокаузальности [влияния событий из будущего на прошлые] – отрицать наличие у фотона внутренней реальности, и утверждать, что фотон становится реальным только при измерении. Тогда нам нечего отматывать назад.

Такой антиреализм, который часто связывают с копенгагенской интерпретацией квантовой механики, получил теоретический удар после выхода работы Чавеса, по крайней мере, в контексте данного эксперимента. Его команда решила объяснить контринтуитивные свойства квантовой механики при помощи нового набора идей, каузального [причинно-следственного] моделирования, популярность которого росла в последнее десятилетие при содействии специалиста по информатике Джуда Перла и других. Каузальное моделирование определяет причинно-следственную связь между различными элементами эксперимента. Часто, когда при изучении взаимосвязанных событий – назовём их А и Б – мы не можем определённо сказать, что А служит причиной Б, или что Б служит причиной А, существует возможность, что причиной их обоих служит непредвиденное, или «скрытое» событие В. В таких случаях каузальное моделирование может помочь раскрыть это В.

Чавес и его коллеги, Габриэла Лемоси Жак Пьенар , сконцентрировались на отложенном эксперименте Уилера, ожидая неудачи в поисках модели со скрытым процессом, как придающим фотону внутреннюю реальность, так и объясняющим его поведение без всякой ретрокаузальности. Они считали, что докажут, будто эксперимент с отложенным выбором «чрезвычайно контринтуитивный, в том смысле, что его не может объяснить никакая каузальная модель», — сказал Чавес.

Габриэла Лемос

Но их ждал сюрприз. Задача оказалась достаточно простой. Они начали с того, что предположили, что фотон, сразу после прохождения первого светоделителя, имеет внутреннее состояние, определяемое «скрытой переменной». В данном контексте, скрытая переменная – это то, чего нет в стандартной квантовой механике, но что каким-либо образом влияет на поведение фотона. Затем экспериментатор решал, добавить или убрать второй светоделитель. Каузальное моделирование, запрещающее путешествия в прошлое, гарантирует, что выбор экспериментатора не влияет на прошлое внутреннее состояние фотона.

Учитывая скрытую переменную, поддерживающую реализм, команда показала, что возможно записать правила, использующие значение переменной и наличие или отсутствие второго светоделителя, чтобы провести фотон к Д1 или Д2 способом, повторяющим предсказания квантовой механики. У них получилось классическое, каузальное, реалистичное объяснение. Они нашли новую лазейку.

Это удивило нескольких физиков, сказал Тим Бёрнс, специалист по квантовой теоретической физике из Нью-Йоркского университета в Шанхае. «Чего люди не оценили, так это того, что эксперимент такого рода допускает классическое объяснение, идеально повторяющее результаты эксперимента, — сказал Бёрнс. – Можно создать теорию со скрытой переменной, без всякой квантовой механики».

«Это был нулевой шаг», — сказал Чавес. Следующий шаг – выяснить, как изменить эксперимент Уилера, чтобы можно было провести различие между классической теорией скрытой переменной и квантовой механикой.

В изменённом эксперименте интерферометр Маха — Цендера остался без изменений; второй светоделитель присутствует всегда. Вместо этого роль экспериментальных подстроек, которые исследователь может изменять по желанию, играют два сдвига по фазе – один в начале эксперимента, другой в конце.

Суммарный эффект двух сдвигов фазы изменяет относительную длину путей. Это меняет картину интерференции, а с ней и предполагаемое волновое или корпускулярное поведение фотона. К примеру, значение первого сдвига фазы может быть таким, что фотон ведёт себя как частица внутри интерферометра, а второй сдвиг может заставлять его вести себя как волна. Исследователям было нужно, чтобы второй сдвиг настраивался после первого.

С такой постановкой эксперимента команда Чавеса придумала способ различать классическую каузальную модель и квантовую механику. Допустим, первый фазовый переход может принять одну из трёх переменных, а второй – одну из двух. Получается шесть возможных постановок эксперимента. И здесь предсказания классической модели скрытых переменных и стандартной квантовой механики отличаются. Потом учёные составили формулу. Формула получает на вход вероятности, подсчитанные на основе количества раз, которые фотон приходит в определённый детектор (на основе постановки с двумя фазовыми переходами). Если формула равняется нулю, то классическая каузальная модель способна объяснить статистику. Но если уравнение выдаст число больше нуля, тогда, из-за определённых ограничений, накладываемых на скрытые переменные, не существует классического объяснения результатов эксперимента.

Чавес объединился с Фабио Сциарино, специалистом по квантовой физике из Сапиенца — Римского университета, и его коллегами, чтобы проверить неравенство. В то же время две китайских команды – одна под руководством Жана-Вей Пана, физика-экспериментатора из Китайского научно-технического университета в Хэфэе, а вторая – под руководством Гуан-Кана Гуо, из того же университета, проводили свои эксперименты. Каждая команда реализовала схему немного по-своему. Группа Гуо придерживалась простого варианта, использовав реальный интерферометр Маха-Цендера. «Этот эксперимент, по-моему, наиболее близок к оригинальному предложению Уилера», — сказал Говард Вайзман, физик-теоретик из Гриффитского университета, не принимавший участия в экспериментах.

Все три команды показали, что результат вычисления формулы превышает ноль с неопровержимой статистической значимостью. Они исключили те классические каузальные модели, которые могли объяснить эксперимент Уилера с отложенным выбором. Лазейка закрылась. «Наш эксперимент спас знаменитый мысленный эксперимент Уилера», — сказал Пан.

Те скрытые переменные, что ещё остались

Кайзер впечатлился «элегантной» теоретической работой Чавеса и последовавшими экспериментами. «То, что в каждом из экспериментов найдены чёткие признаки неравенства, является убедительным доказательством того, что „классические“ модели подобных систем на самом деле не описывают реальной схемы работы мира, в то время, как квантово-механические предсказания прекрасно совпадают с новейшими результатами», — сказал он.

Формула используется с определёнными предположениями. Одно из самых крупных – классическая скрытая переменная, используемая в каузальной модели, может принимать одно из двух значений, кодируемое в одном бите информации. Чавес считает это разумным, поскольку квантовая система – фотон – тоже может кодировать только один бит информации (он идёт либо в один рукав интерферометра, либо в другой). «Вполне естественно будет заявить, что модель скрытых переменных тоже должна быть двумерной», — сказал Чавес.

Дэвид Кайзер

Но скрытая переменная с дополнительной возможностью переноски информации может восстановить способность каузальной модели объяснить наблюдаемую в изменённом эксперименте с отложенным выбором статистику.

Кроме того, эти эксперименты не опровергают наиболее популярную теорию скрытой переменной.

Теория де Бройля — Бома, детерминистская и реалистическая альтернатива стандартной квантовой механики, вполне способна объяснить эксперимент с отложенным выбором. По этой теории, частицы всегда имеют местоположение (которые и являются скрытыми переменными), и, следовательно, объективную реальность, но при этом они направляются волной. Поэтому реальность как волновая, так и корпускулярная. Волна проходит по обоим путям, а частица – по одному из двух. Наличие или отсутствие второго светоделителя влияет на волну, которая проводит частицу к детекторам – и этот результат совпадает со стандартной квантовой механикой.

Для Вайзмана споры на тему противостояния копенгагенской интерпретации и теории де Бройля-Бома ещё далеко не завершены. «В копенгагенской интерпретации не происходит никакого странного обращения времени именно потому, что у нас нет прав рассуждать о прошлом фотона, — писал он в e-mail. В интерпретации де Бройля-Бома существует независимая от наших знаний реальность, но нет проблемы, поскольку нет обращения времени – а есть уникальное каузальное (направленное в будущее) описание».

Кайзер, нахваливая предпринятые попытки, хочет двигаться дальше. В текущих экспериментах выбор того, добавлять или нет второй фазовый сдвиг или второй светоделитель, делался квантовым генератором случайных чисел. Но в этом эксперименте проверяется сама квантовая механика, из-за чего у него есть привкус круговой зависимости. «Было бы неплохо проверить, остаются ли результаты эксперимента согласованными даже при таких схемах, которые основаны на совершенно других источниках случайности», — сказал Кайзер.

Для этого Кайзер с коллегами создали такой источник случайностей, используя фотоны, приходящие от удалённых квазаров, многие из которых прошли больше половины [наблюдаемой] Вселенной. Фотоны собирались метровым телескопом обсерватории Тейбл-Маунтин в Калифорнии. Если длина волны фотона не превышает определённый порог, генератор случайных чисел выдаёт 0, иначе 1. В принципе этот бит можно использовать для случайного выбора условий эксперимента. Если результаты будут продолжать поддерживать изначальное утверждение Уилера, тогда «это даст нам ещё одну причину говорить о том, что корпускулярно-волновой дуализм не объяснить в классической физике, — сказал Кайзер. – Диапазон концептуальных альтернатив квантовой физике вновь уменьшился, и уже загнан в угол. А именно к этому мы и стремимся».

А пока что тело дракона, на несколько кратких недель появившееся на виду, опять стало дымчатым и неясным.