Альберт Эйнштейн сыграл ключевую роль в открытии квантовой механики
благодаря своей теории фотоэлектрического эффекта.
Однако его сильно волновали её философские последствия.
И хотя большинство из нас знают его как автора формулы E=MC^2,
его последним крупным вкладом в развитие физики
стала работа, опубликованная в 1935 году
в соавторстве с его юными коллегами Борисом Подольским и Натаном Розеном.
Рассматриваемая всеми до 1980-х как странная философская заметка,
работа Эйнштейна-Подольского-Розена (ЭПР) теперь играет ключевую роль
в понимании квантовой физики.
Она описывает странный феномен, известный как запутанные квантовые состояния.
В работе говорится об источнике, испускающем пáры частиц,
каждая из которых обладает двумя измеримыми свойствами.
Каждое из данных измерений с одинаковой вероятностью
может принять одно из двух значений.
Скажем, для первого свойства это 1 и 0, а для второго — А и В.
Повторные последовательные измерения
одного и того же свойства одной и той же частицы
дадут одинаковые результаты.
Но поразительно здесь не только то,
что состояние частицы не определено, пока оно не измерено,
но и то, что измерение и определяет состояние.
Более того, эти измерения влияют друг на друга.
Если вы определили, что частица находится в состоянии 1,
а затем определили значение второго свойства,
ваши шансы получить результат А или В равны.
Но если вы повторно измерите первое свойство,
ваши шансы получить 0 будут равны 50%,
несмотря на то, что до этого вы уже получили результат 1.
То есть смена измеряемого свойства аннулирует первоначальный результат,
позволяя свойству получить новое случайное значение.
Но всё становится ещё загадочнее,
если вы решаете измерить свойства обеих частиц.
Каждая их них будет иметь случайные значения.
Но если вы их сравните,
то увидите, что они всегда согласовываются.
Например, если результат обоих измерений равен 0,
это отношение сохранится.
Теперь они находятся в запутанном состоянии.
Определив состояние одной из частиц,
вы с уверенностью сможете назвать состояние второй.
Но эта запутанность
противоречит знаменитой теории относительности Эйнштейна,
потому что ничто не ограничивает расстояние между частицами.
Если вы определите состояние одной из частиц в Нью-Йорке в полдень,
а второй — наносекунду спустя в Сан-Франциско,
результаты всё равно окажутся одинаковыми.
Но если измерение действительно определяет состояние,
то выходит, что одна частица должна отправлять второй какие-то сигналы
со скоростью, в 13 миллионов раз превышающей скорость света,
что, согласно теории относительности, невозможно.
Поэтому Эйнштейн отверг запутанность как «spuckafte ferwirklung»,
или «жуткое дальнодействие».
Он решил, что это говорит о неполноте квантовой механики.
В реальности же оказалось, что состояния обеих частиц предопределены.
Просто они скрыты от нас.
Сторонники традиционной квантовой теории во главе с Нильсом Бором
поддерживали теорию о том, что квантовые состояния не определены,
и запутывание позволяет состоянию одной частицы
влиять на состояния её далёкого партнёра.
30 лет физики оставались в тупике,
пока Джон Белл не догадался,
что для проверки ЭПР-парадокса нужно было рассмотреть случаи,
в которых задействованы разные измерения частиц.
Теории локальных скрытых параметров,
которых придерживались Эйнштейн, Подольский и Розен,
строго ограничивали, как часто можно было получить результаты
вроде А1 или В0,
поскольку результаты должны быть предопределены заранее.
Белл доказал, что чисто квантовый подход,
при котором состояние считается неопределённым, пока его не измерили,
имеет другие ограничения
и прогнозирует результат смешанных измерений,
что невозможно в предопределённом сценарии.
Как только Белл придумал, как проверить парадокс ЭПР,
физики принялись за дело.
Начиная с Джона Клаузера в 70-х и Алена Аспэ в начале 80-х,
учёные провели десятки экспериментов
с целью проверить предположения ЭПР,
и все пришли к одному выводу: квантовая механика верна.
Связи между неопределёнными состояниями запутанных частиц реально существуют,
и их нельзя объяснить никакой переменной.
Работа ЭПР оказалась ошибочной, и это прекрасно.
Заставив физиков всерьёз задуматься об основах квантовой физики,
она привела к дальнейшему развитию теории
и помогла начать исследования таких областей, как квантовая информация,
ныне процветающая область,
где могут быть разработаны компьютеры небывалой мощности.
К сожалению, произвольность результатов измерений
не позволяет развивать фантастические технологии,
вроде использования запутанных частиц
для доставки сообщений со сверхсветовой скоростью.
Так что относительность пока безопасна.
Но квантовая Вселенная куда загадочнее, чем предполагал Эйнштейн.