Вселенная локально нереальна — Нобелевка 2022

Квантовая физика, Физика

Вселенная локально нереальна. Мы сейчас будем обсуждать Нобелевку 2022 года.

(Вместо расшифровки ниже можно посмотреть видео здесь)

Только раз уж спросили, то слушайте! Потому что я готовилась… Сейчас я на табуретку залезу.

Больше всего меня поразило, что Альберт Эйнштейн, который придумал всю эту мозговзрывательную Теорию относительности, оказался в отношении квантовой физики невероятным консерватором.

То есть придумал все это безумие, а потом сидит, такой, и говорит: «Нет! Я реалист!»

А теперь разберемся, что такое локальность и что такое реальность в физике?

Реальность в физике

Ну с реальностью более или менее всё понятно. Это просто означает, что предметы существуют реально, независимо от того, смотрим мы на них или нет. Например, у нас есть яблоко, оно либо красное, либо зеленое.

Но квантовая физика разрушила эти постулаты, как мы уже знаем, то есть частица может находиться в нескольких местах одновременно. Она может обладать разными свойствами одновременно. (Соответственно — яблоко может быть красным и зеленым одновременно).

Возвращаемся к двухщелевому эксперименту. Многие скептики так и не могут врубиться, что дело вообще не в том, как именно схлопывается волновая функция. То есть — это из-за детекторов, или из-за влияния сознания — это вообще не важно. Важно то, что до того, как она схлопнулась, частица проходит через обе щели одновременно, это показывают уже более продвинутые опыты нашего времени.

Они запускают, например, через щели электрон или фотон — по одному (!), и все равно появляется интерференция, то есть, всё равно частица как будто раздваивается и проходит через обе щели, интерферирует сама с собой и дает волновой эффект.

Ну и дальше продолжение такое, что как только измерили, через какую щель прошел, то функция схлопывается, то есть всё: фотон или электрон начинает вести себя как частица, а не как волна.

Таким образом, частица находится во всех местах одновременно, ровно до тех пор, пока мы не измерили ее. То же самое касается, например, спина электрона, то, что его невозможно определить. Он является каким угодно до тех пор, пока ты его не измерил.

И вот когда вся эта история началась по квантовой физике, ученые разделились на два лагеря, и Альберт Эйнштейн был как раз из тех, кто скептически относился к таким возможностям квантовой физики. Он своему другу сказал: «Ну ты серьезно, что ли, веришь, что луны нет, когда мы на нее не смотрим?»

Вероятно, дело усугубилось еще тем, что были обнаружены, связанные (или запутанные) частицы. Суть этого запутанного состояния в том, что если, например, у тебя есть два связанных электрона, и ты измеряешь спин одного, то спин другого будет противоположным с вероятностью 100%.

Вот сейчас важно, понять: появились формулы, которые могли предсказывать, например, какой спин у электрона. Легче всего это представить так: вот, например, кидаем монетку, но не один раз, а проводим выборку. Например, нам нужно кинуть сто раз эту монетку, и мы рассчитываем по формуле, что 60% раз она упадет орлом наверх, 30% наверху будет решка, и 10% — она встанет на ребро.

Со связанными частицами тяжелее. Это как если у вас есть два игральных кубика. И, например, каждый раз, когда они выпадают, то в сумме должно получаться семь, но значение каждого из них неизвестно. И вот по этим формулам все и рассчитывается по сей день в том, что касается квантовой механики.

Но вы представьте, если бы мы могли точно предсказывать, как в обычной физике, вот там сила такая-то, расстояние такое-то, значит, в результате тело будет там-то.

В квантовой физике у нас нет определенности, то есть это все равно какие-то предположения. Как ставки.

Итак, у нас получается два лагеря, один лагерь — это квантовая теория и второй — это теория скрытых переменных.

В квантовой теории частица находится везде одновременно: вот либо в двух щелях одновременно, либо, например, вокруг ядра электрон крутится, он находится в облаке вероятностей, он может быть везде. С вероятностью больше или меньше — ГДЕ-ТО. До тех пор, пока не измерили.

Но теория скрытых переменных предполагает, что мы чего-то просто не догоняем, чего-то мы не видим, и когда мы найдем, что мы не видим, то мы сможем предсказывать.

Так как обе теории имели свои формулы, но результат давали один и тот же, хоть со скрытыми переменами, хоть без скрытых переменных — результат предсказаний был одинаковый, то физики сказали: «Какая разница». Вот тогда и появилась, кстати, эта фраза «заткнись и считай». Меня эта фраза дико бесит, мне её кто-то в комментариях написал: «Как сказали на физике — заткнись, и считай!» Так вот не заткнись и считай, а нужно ДУМАТЬ, потому что принципиальное решение, что это — квантовая теория или теория переменных, — меняет абсолютно квантовую информатику, меняет подход.

Теперь, что касается локальности.

Эйнштейн был сторонником того, что невозможно повлиять на физическую систему со скоростью выше скорости света. То есть, например, что такое физическая система? Вот лежит ручка на столе, и стою тут я, мы две физические системы. Если я хочу, чтобы ручка упала, я должна подойти, толкнуть её, и я не могу приблизиться к ней быстрее, чем на скорости света. Ну как бы причем тут скорость света в данной ситуации.

Например, если у вас есть часы на Земле и часы на Марсе, вы не можете синхронизировать время, вы не можете сделать ничего одновременно. Вообще не может быть такого понятия, как одновременно в теории относительности, потому что, чтобы передать, какое время сейчас на Земле, вам нужно послать сигнал на Марс, и он будет идти со скоростью света. А это уже задержка. Ну, как вы знаете, сколько-то там минут будет идти этот сигнал.

Так вот, с точки зрения Эйнштейна, такое поведение связанных частиц было невозможным. Он называл это spooky. Поведение частиц (изменение состояние одной в тот же миг, как определено состояние другой) на расстоянии —  это spooky! Типа — пугающий Хэллоуин.

Так, еще раз повторяю: Эйнштейн был за то, что частицы реальны, то есть они имеют определенное положение, спин, качество. И при этом они локальные, то есть они не могут передавать друг другу информацию быстрее, чем со скоростью света.

Неравенство Белла

Долгое время невозможно было как-то к этому подойти, чтобы измерить и проверить теорию. Вот этих вероятных скрытых переменных. А потом появился такой математик Белл, который создал теорему. Именно теорему. Она называется неравенство Белла.

Сначала проводим такой мысленный эксперимент. У нас есть Алиса и Боб. У каждого из них в руках по связанному электрону. Алиса остается на Земле. Боб отправляется на Марс. Состояние их частиц не определено. Как только Алиса измеряет спин, если он вверх, то у Боба он тут же становится вниз. Мгновенная передача вот этой вот информации.

И тут Белл предложил такую крокозябру: а давайте, говорит, они будут мерить в разных направлениях. Ну то есть не только, например, по оси Y — вверх и вниз, а мы будем мерить еще по оси X, то есть влево-вправо, и по оси Z — это вперед-назад.

И если до сих пор у нас предсказания математически были одинаковые, то теперь смотрите, какой финт ушами.

Например, Алиса измеряет по оси Y.

А Боб не знает, как она измеряет, и он измеряет, например, по другой оси, либо по той же.

То есть — случайность.

Никто не знает, по какой оси измерено. Передать информацию они не могут, но смотрите, как интересно: если, например, она измерила по X, а он по Y, то в целом они определили спин электрона и по иксу, и по игреку, потому что этот спин тут же определится у обоих, и получается, что результаты расчетов согласно квантовой теории будут отличаться от результатов расчетов в теории скрытых переменных.

Почему так?

Потому что в квантовой теории информация передается быстрее скорости света, она передается мгновенно, и, значит, Алиса и Боб получат результаты по обеим осям.

Ну вот поэтому неравенство Белла так и называется — неравенство. То есть результаты одной теории уже больше не совпадают с результатами другой. Это неравенство Белла изменило мышление физиков навсегда, потому что действительно, до него весь этот вопрос был больше философским.

Короче, с конца 1960-х годов физики во всем мире пытались провести опыт для того, чтобы доказать это неравенство Белла либо его несостоятельность.

Важно сказать, что на самом деле всегда побеждала квантовая теория, то есть неравенство Белла нарушалось. Но всё время находились какие-то лазейки, чаще всего в локальности, то есть никак не могли физики полностью исключить какое-то влияние. Ну вплоть до того, что типа вдруг Алиса и Боб в какой-то момент в прошлом пожали друг другу руки и сговорились. И вот это повлияло на поведение частиц.

Кстати, это не такая уж глупость, и не прикол, потому что, например, на моем видео про квантовое стирание тоже предположения были, такие комментарии: «А вдруг эти связанные фотоны, перед тем, как их пуляют по разным путям, а вдруг они договорились, что один вот так пойдет, а другой вот так?»

Суть опыта на самом деле простая, то есть берут два связанных фотона, стреляют ими в разных направлениях. И в конце пути каждого фотона стоят поляризационные стекла. Фотон, проходя через стекло, меняет поляризацию на какую-то определенную, то есть он измерен.

Конечно, во-первых, нужно разнести это все очень далеко друг от друга. Сначала не хватало просто пространства, не могли выставить такую аппаратуру, чтобы проводить все эти опыты на достаточно большом расстоянии, потому что пока летит фотон, нужно успеть повернуть эту поляризационную пленку, чтобы фотоны не успели договориться между собой.

Во-вторых, фотоны по дороге постоянно теряются, и была возможность, что именно потерянные могли показать другие результаты.

Не буду вдаваться в подробности этих опытов, но в конце концов они смогли, наконец, провести его на расстоянии 184 метра. И поляризация, то есть угол поворота этих стекол, менялась случайным образом. И все лазейки были закрыты. Самое главное, что этот опыт был проведен четырьмя разными группами ученых независимо друг от друга, и эти тесты отличаются. Но все они теперь названы «Тест Белла без лазеек«.

Короче говоря, квантовая теория победила: нет никаких скрытых переменных, и информация действительно передается со скоростью выше скорости света — мгновенно.

Теперь насчет матрицы.

Получается какая-то двоякая вещь. С одной стороны выходит, что, смотрите, мы не можем пока еще использовать это качество передачи информации, потому что мы не можем задать спин, например, электрону. Мы не можем задать эти качества частице, а для того, чтобы передать какую-то информацию, ты должен повлиять на частицу. Но, кстати, они собираются использовать эти свойства для шифрования в Интернете. Видимо, будет каждый ключ содержаться в одном из связанных электронов.

И вот получается следующее. Как любят шутить некоторые люди: «Скорость света — это максимальная скорость рендеринга нашей реальности».

Но выходит же, что раз информация передается быстрее скорости света, значит, мы нарушаем эту скорость рендеринга, а значит, мы не в матрице, но с другой стороны, если когда-нибудь придумают, как передавать информацию мгновенно в квантовых компьютерах, то мы можем быть в матрице, но только уже вот в таких вот компьютерах.