Преамбула

Если бы вы жили во времена ньютоновской научной революции, хотели бы вы быть в курсе дела? Сегодня квантовая физика дает нам шанс пережить концептуальную революцию сравнимой значимости. Эта книга поможет вам понять происходящее, с одной стороны не погружаясь в математику, а с другой – не скрывая концептуальных сложностей. Физики используют математику для поиска следствий из их гипотез и для точных расчетов вытекающих из них предсказаний, но разве нужна математика для того, чтобы поведать великую историю физики? Ведь самое интересное в физике – это не математика, а идеи. Цель этой книги не забросать вас уравнениями, а помочь понять.

Некоторые главы потребуют от читателя истинного умственного усилия. Каждый поймет кое-что, но никто не поймет все! В этой области знания сама идея понимания представляется зыбкой и размытой. Тем не менее, я уверен, что каждый может, пусть лишь частично, понять концептуальную революцию, которая происходит прямо на наших глазах, и получить удовольствие от этого понимания. Просто примите, что не все будет очевидно, и, конечно, не стоит исходить из распространенного мнения, что понять физику – безнадежное дело.

Если какая-то часть повествования покажется вам слишком сложной, просто продолжайте читать. Скорее всего, продолжение внесет ясность. А может быть, это один из трудных моментов, которые я приберег для коллег-физиков, чтобы им тоже было интересно читать эту книгу. При необходимости возвращайтесь назад и перечитывайте те отрывки, которые вызывали сложности. Ведь важно получить общее представление, а не разобрать все досконально. В итоге однажды вы с удивлением обнаружите, что многое из квантовой физики можно понять, не прибегая к математике!

Квантовая физика всегда была предметом пространных объяснений и путаных философских трактатов. Единственный способ не попасть в эти ловушки – руководствоваться здравым смыслом. Ведь что такое эксперимент? Это вопрос, который ученые задают окружающей действительности. Физик решает, какой вопрос и когда задать. Получив ответ, в виде, к примеру, появившегося красного огонька, он не задается вопросом, красный ли огонек на самом деле и не является ли он иллюзией того или иного рода. Ответ: «красный», и точка.

Читатель увидит, что одни и те же истории всплывают в разных главах книги. Мой учительский опыт говорит, что повторение важных вещей в разных контекстах очень полезно. Ведь моя книга не претендует на историческую точность. Любые замечания относительно моих знаменитых предшественников отражают лишь мои личные впечатления, приобретенные за более чем тридцать лет профессиональной работы в качестве физика.

Введение

В самом нежном возрасте каждый узнает, что существует лишь две возможности взаимодействовать с чем-то, до чего никак не дотянуться рукой. Нужно или переместиться в сторону объекта, то есть подползти к нему, как это делают младенцы, или найти какой-нибудь длинный предмет вроде палки, который позволит расширить пределы досягаемости. Позже мы открываем для себя более сложные механизмы, которые можно использовать, к примеру письмо можно опустить в почтовый ящик. Его заберет почтальон, служащий на почте положит его в нужную стопку, потом грузовик, поезд или самолет перевезет письмо в нужный город, и в итоге оно будет доставлено к двери человека, имя которого обозначено на конверте. Интернет, телевидение и многие другие примеры, с которыми мы сталкиваемся каждый день, говорят нам, что в итоге любое взаимодействие и коммуникация между двумя пространственно разделенными объектами распространяется непрерывно, от точки к точке, посредством некоторого механизма. Этот механизм может быть сложным, но всегда следует непрерывной траектории, которую, по крайней мере теоретически, можно проследить в пространстве и времени.

Тем не менее квантовая физика, которая исследует мир вне пределов нашего непосредственного восприятия, утверждает, что пространственно удаленные друг от друга объекты иногда образовывают единое целое. Более того, в таких системах, как бы далеко ни были разнесены их компоненты, при воздействии на один из них реагировать будут оба! Как можно в такое поверить? Как можно проверить это утверждение? Как это понимать? И можно ли использовать это странное проявление квантовой физики, эти удаленные объекты, образующие единое целое, для передачи информации на расстоянии? Вот основные вопросы, на которые мы постараемся ответить в этой книге.

Я попытаюсь поделиться с вами завораживающим открытием мира, который невозможно описать при помощи взаимодействий, последовательно распространяющихся от точки к точке, – мира, в котором так называемые нелокальные корреляции становятся обыденностью. Мы поговорим о нередуцируемых вероятностях, корреляциях, информации и даже о свободной воле.

Мы также увидим, как физики создают нелокальные корреляции, как они используют их в криптографии для создания абсолютно надежных ключей и как можно использовать эти удивительные корреляции для квантовой телепортации. Другая цель этой книги – проиллюстрировать научный метод. Как можно убедиться в чем-то, что совершенно противоречит привычному интуитивному восприятию мира? Какие доказательства потребуются для полной смены научной парадигмы, для принятия такого рода концептуальной революции? Отступив немного назад, мы увидим, что история квантовой нелокальности довольно проста и даже человечна. Мы также увидим, что природа производит нередуцируемо случайные события, которые могут происходить в значительно удаленных друг от друга точках пространства, при отсутствии чего бы то ни было, что перемещалось бы от точки к точке вдоль любой траектории, соединяющей две эти точки. Но мы обнаружим также, что случайный характер этих эффектов лишает нас какой-либо возможности использовать эту форму нелокальности для связи, тем самым уберегая от противоречия с одним из фундаментальных принципов теории относительности, в соответствии с которым никакая информация не может распространяться быстрее скорости света.

Мы живем в удивительное время. Физики только что открыли, что одно из наших глубочайших интуитивных представлений о невозможности «дальнодействия» – взаимодействия объектов на расстоянии – неверно. Слово «взаимодействие» не случайно стоит в кавычках; они напоминают о необходимости четко указать, что мы имеем в виду под этим понятием. Физики исследуют мир квантовой физики – мир, населенный атомами, фотонами и другими загадочными для нас объектами. Не уделить этому революционному прорыву внимание так же стыдно, как было бы стыдно ничего не знать о научной революции Ньютона или Дарвина, будь мы их современниками. Ведь концептуальная революция, происходящая сейчас, не менее важна. Она полностью переворачивает нашу картину мира и, без сомнения, даст толчок целому спектру новых технологий, которые будут выглядеть как волшебство.

В главе 2 мы дадим представление о корреляции, лежащей в основе предмета нашего рассказа, путем обсуждения игры, которую мы назовем игрой Белла. Мы увидим, что определенные корреляции не могли бы возникнуть, если бы были разрешены лишь взаимодействия, которые распространяются из точки в точку через пространство. Эта глава – ключевая для всего последующего повествования, несмотря на то что в ней ни разу не упоминается квантовая физика. Скорее всего, это будет самая сложная для понимания глава, но уверяю: чем дальше, тем яснее будет становиться картина.

Потом мы зададимся вопросом, что делать, если кто-то когда-нибудь победит в игре Белла, хоть это совершенно невозможно, даже если так утверждает квантовая физика. Потом познакомимся с концепцией истинной случайности в главе 3 и с невозможностью клонирования квантовых систем в главе 4. В двух следующих главах мы представим эту странную теорию квантовой физики: сначала рассмотрим теоретическую основу запутанности, а затем опишем соответствующие эксперименты, из которых последует неминуемый вывод, что природа нелокальна.

Вместо того чтобы принять это заключение на веру, мы проверим, действительно ли неизбежен такой вывод. В главе 9 мы рассмотрим множество мысленных попыток ученых умов сохранить локальное описание мироздания. Этот вопрос все еще является животрепещущим и активно изучается в мире физики. Более того, вы увидите насколько хитры бывают ученые! В главе 10 я опишу удивительные исследования, которые все еще продолжаются, и вы получите актуальное представление о мире научных исследований.

Зачем это?

Чаще всего мне задают именно этот вопрос. Можно подумать, никогда не нужно заниматься чем-то, что нельзя немедленно применить с пользой. Я мог бы ответить: «А зачем ходить в кино?» Правда, за эти исследования, которые я так люблю, я получаю деньги, а когда иду в кино, то деньги берут с меня, поэтому лучше подобрать более корректный пример. Откровенно говоря, лучшим ответом было бы сказать, что это очень увлекательно! Хотя я возглавляю группу специалистов по прикладной физике, я не вскакиваю с постели по утрам в надежде изобрести новый гаджет. Я просто очарован физикой. Понять природу, и в частности понять, как она может создавать нелокальные корреляции, – вполне достаточная мотивация. Почему же тогда я работаю в области прикладной физики? Не есть ли это следование конъюнктуре? На самом деле есть серьезная причина думать о практическом применении даже тогда, а может быть, особенно тогда, когда руководствуешься желанием понять концептуальные основы. Ведь новая идея такой значимости обязательно имеет последствия, она обязательно открывает новые практические перспективы. И чем революционнее концепция, тем более удивительными могут быть ее применения. Большое преимущество работы над потенциальными прикладными областями как раз в том, что она предоставляет инструмент для тестирования основополагающих идей. Вдобавок, как только мы выявили область применения, никто не сможет отрицать актуальность лежащей в ее основе концепции! Ведь нельзя отрицать актуальность концепции, для которой найдено реальное применение?

История квантовой нелокальности – прекрасная тому иллюстрация. До тех пор, пока она не нашла применения, значительное большинство ученых не обращало на запутанность и нелокальность никакого внимания и даже считало их существование исключительно философским вопросом. Любому, кто намеревался рассматривать эти явления примерно до 1991 года, требовалась смелость и даже некоторая дерзость^[5]. Тогда по этому направлению исследований почти не было академических должностей, а сегодня почти все следят за их результатами. Естественно, правительства, выделяющие средства на исследовательские центры, больше озабочены квантовыми технологиями, чем научными концепциями, лежащими в их основе, но важно, чтобы студенты в этих центрах изучали новую физику.

В главе 7 вы познакомитесь с двумя областями применения, которые уже поставлены на коммерческую основу: квантовая криптография и квантовый генератор случайных чисел. А в главе 8 я расскажу вам о самой удивительной области применения – о квантовой телепортации.

Глава 1
Аперитив

Перед тем как перейти к основной теме этой книги, мне хотелось бы рассказать две короткие истории, которые послужат декорациями. Одна из них – о реальных событиях, случившихся в прошлом, а другая – чистый вымысел, который может стать реальностью в ближайшем будущем.

Ньютон: невиданный абсурд

Все слышали о законе всемирного тяготения Ньютона, согласно которому все объекты притягиваются друг к другу в соответствии с их массами и расстоянием между ними (говоря конкретно, обратно пропорционально квадрату расстояния между ними, но сейчас это неважно). К примеру, Солнце и Земля связаны друг с другом силой притяжения, которая компенсирует центробежную силу и удерживает Землю на приблизительно круговой орбите вокруг Солнца. Тот же принцип работает и для других планет, и для системы Земля – Луна, и даже для всей нашей галактики, которая вращается вокруг центра скопления галактик.

Сосредоточимся на системе Земля – Луна. Откуда Луна знает, что она должна притягиваться к Земле в зависимости от массы и удаленности от нее? Если угодно, откуда Луна знает массу Земли и расстояние до нее? Меряет палкой, как тот ребенок, о котором мы говорили выше? Или бросает какие-нибудь крошечные шарики? В самом деле, общается ли она с Землей каким-либо специальным образом? Этот на первый взгляд детский вопрос на самом деле чрезвычайно серьезен. В действительности он приводил в замешательство и самого Ньютона, для которого идея всемирного тяготения (несмотря на то, что он сам его открыл и тем прославился) звучала настолько абсурдно, что ни один человек в здравом уме не смог бы отнестись к ней серьезно (см. справку ниже).

Пока нам достаточно знать, что интуиция Ньютона его не подвела, хотя потребовались несколько столетий и гений Эйнштейна, чтобы закрыть этот концептуальный пробел и дать удовлетворительный ответ. Сегодня физики знают, что действие на расстоянии, которое происходит в форме гравитации или при взаимодействии между двумя электрическими зарядами, отнюдь не мгновенно. На самом деле оно является результатом обмена посыльными, и получается, что высказанная выше догадка о «маленьких шариках» близка к правде. Эти посыльные – микрочастицы, которым физики дают имена. Посыльные гравитации называются гравитонами, а те, что отвечают за электрические силы – фотонами.

Справка 1. Ньютон. «Непостижимо, чтобы неодушевленная грубая материя могла без посредства чего-либо нематериального действовать и влиять на другую материю без взаимного соприкосновения, как это должно бы происходить, если бы тяготение в смысле Эпикура было существенным и врожденным в материи. Предполагать, что тяготение является существенным, неразрывным и врожденным свойством материи, так что тело может действовать на другое на любом расстоянии в пустом пространстве, без посредства чего-либо передавая действие и силу, это, по-моему, такой абсурд, который немыслим ни для кого, умеющего достаточно разбираться в философских предметах».^[6]