Квантовый эксперимент: реальность
Это доказал необычный эксперимент с космическим спутником: благодаря квантовой механике прошлое может определяться настоящим, а принцип причинно-следственных связей при этом ставится под сомнение.
Как утверждает квантовая механика, реальность — это то, что выбрал сам человек. Физикам давно было известно, что квант света (фотон) будет вести себя как волна и как частица в зависимости от того, как именно ученые измеряют ее. Отразив фотон от орбитального спутника наблюдатель может решить этот вопрос даже тогда, когда световой квант уже прошел через «точку принятия решения». Подобные эксперименты с отложенным выбором в будущем позволят исследовать границы между квантовой теорией и теорией относительности.
Подобный эксперимент уже проводился в лабораторных условиях. Выведя его в космос, ученые доказали, что природа фотона остается неопределенной даже если частице приходится преодолевать тысячи километров. Филипп Гранджи, физик из Института оптики в Палесо (Франция), который также принимал участие в лабораторном эксперименте, уверен, что подобные опыты отлично подходят для «осуществления квантовой физики в космосе».
Квантовый дуализм: может ли настоящее определять прошлое?
Так в чем же суть опыта? Напомним, что фотон может проявлять свойства или частицы, или волны, в зависимости от того, какой метод измерения предпочитают ученые. В конце 1970-х годов знаменитый теоретик Джон Арчибальд Уилер понял, что экспериментаторы могут отложить свой выбор до тех пор, пока фотон почти полностью не пройдет сквозь устройство, настроенное на то, чтобы подчеркнуть то или иное свойство частицы. Это показывает, что поведение фотона в данном случае не предопределено. Чтобы проверить свою гипотезу, Уилер предложил по одиночке пропускать фотоны через так называемый интерферометр Маха-Цендера, подчеркивающий волновую природу света. Благодаря зеркальному «расщепителю лучей», устройство разделяет квантовую волну входящего светового потока на две части и направляет их по двум разным путям. После этого второй расщепитель рекомбинирует волны, что вызывает состояние интерференции и активирует два детектора. То, какой детектор поймает сигнал первым, зависит от разницы длин двух световых потоков — ожидаемое поведение для интерферирующих волн.
Вот что представляет собой простейший Интерферометр Маха — Цендера.
Но что, если второй разделитель попросту удалить из системы? В таком случае свет перестает проявлять свойства волны: первый разделитель просто отправит фотон по тому или иному направлению, как обычную частицу. А поскольку эти пути пересекаются там, где раньше был второй разделитель, детекторы сработают с одинаковой вероятностью, вне зависимости от длины пройденного фотоном пути. Уилер же предлагает удалить вторую часть устройства уже после того, как первая расщепит световой поток. Это звучит странно, поскольку создает парадокс: решение, принятое в настоящем времени (убрать или не убрать второй разделитель) определяет событие прошлого (расщепляется ли фотон как волна или же проходит по одной траектории как частица). Современная квантовая теория избегает комментариев по этому поводу, предполагая, что до самого факта измерения фотон остается как частицей, так и волной.
Путешествие в космос и обратно
Команда исследователей во главе с Франческо Ведовато и Паоло Виллорези из Университета Падуи в Италии проводила свою версию эксперимента с использованием 1,5-метрового телескопа в Лазерной обсерватории «Матера» на юге Италии. Идея была в том, чтобы отправить фотоны в космос, после чего те отразятся от спутника. Дело в том, что, как отмечает Виллорези, на таких огромных расстояниях физики не могут провести свет двумя идеально параллельными путями — расширяющиеся в пространстве лучи будут неизбежно сливаться и перекрывать друг друга. Вместо этого они пропускали фотон через интерферометр Маха-Цендера на Земле, настроенный на траектории выхода разной длины. Разница между импульсами составляла 3,5 наносекунды, а сами вылетающие частицы телескоп выпускал в небо.
Как только импульсы отражались от спутника и возвращались на нашу планету, физики снова пропускали его через интерферометр. Устройство при этом отмечало или временной сдвиг (что означает, что импульсы перекрывали друг друга и фотон вел себя как волна), или его отсутствие (то есть фотоны вели себя как частицы). Когда импульсы в первый раз покидали устройство, они обладали различной поляризацией. Чтобы отметить сдвиг во времени, физики сначала должны были провести очень быструю электронную реполяризацию, а чтобы доказать его отсутствие, было достаточно просто не проводить никаких манипуляций.
В результате все прошло так же, как и в лабораторных условиях. Когда на фотоны воздействовали ученые, кванты света вели себя как волны; когда их оставляли в покое — как частицы. Таким образом, физики сами решали природу света уже после (!) того, как тот отразится от спутника и был на полпути обратно, о чем и рассказали на страницах журнала Science Advances.
Значение и критика эксперимента
Сам по себе эксперимент пусть и не является идеально точным и строгим отображением идеи Уилера, все же заслуживает внимания. Это отличный пример работы принципов «квантовой оптики» и в будущем подобные открытия могут оказать огромное влияние на технологии связи. За примером далеко ходить не надо: уже в мае 2017 года китайские физики использовали спутник для создания квантовой связи (т. н. «квантовой запутанности») между двумя фотонами, отправленными в разные города, значительно отстоящие друг от друга.
Строго говоря, эксперимент все же не нарушал причинно-следственные связи. Следует выразиться точнее: он пролил определенный свет на границу, разделяющую квантовую теорию и теорию относительности. Фактически, физикам удалось доказать, что измерения в настоящем может значительно повлиять на прошлое — вернее, на то, как человек воспринимает это самое прошлое. По словам Жан-Франсуа Роха, физика в Высшей школе стандартизации в Париже, который в 2007 году провел аналогичный, но более точный тест, в данном случае речь идет о малоизученной области физики, в которой две фундаментальные теории вступают во взаимодействие и порождают нечто совершенно новое.
