2016) ученые обнаружили, что молекула воды, оказавшись в очень узком канале кристаллической решетки берилла (минерал такой), чувствует себя неуютно, застряв в одном положении, как мы в автобусе, когда едем утром на работу. Из-за этого дискомфорта молекула начинает демонстрировать квантовые эффекты: поворачивается в этом канале, но не как макрообъект плавно и со скрипом, а мгновенно меняет свое положение, как если бы стрелка часов поворачивалась только десятиминутными интервалами — это и есть туннельный эффект. Мда, как бы это было удобно в автобусе…
Кто еще скажет, что наука это скучно?
Но это мы сейчас в 21 веке знаем о квантовых чудесах и даже принимаем их за норму. А в те годы, когда Гейзенберг предложил свой принцип, самые светлые умы человечества сошлись в нешуточной битве. Как мы уже говорили, Эйнштейну очень не нравились всякие неопределенности в физике. И в то время, когда Нильс Бор пытался создать хоть какое-то подобие квантовой теории, Эйнштейн всячески изводил его провокационными вопросами. В 30-е годы Эйнштейн и два его единомышленника — Подольский и Розен — предложили так называемый ЭПР-парадокс (по первым буквам фамилий хитрых физиков), гипотетический эксперимент, который доказывал, что неопределенность Гейзенберга можно обойти. Те, кто немного разбирались в том, что происходит, набрали себе побольше попкорна и издалека, не вмешиваясь, наблюдали как физики троллят друг друга. Заголовки газет тех времен гласили: «Эйнштейн атакует квантовую теорию: Учёный и двое его коллег находят её „неполной“, хотя и „корректной“».
Рискнем упрощенно разобрать суть парадокса — вы же за этим читаете наши лекции? Допустим Гейзенберг немного прав, и мы почему-то не можем измерить импульс и координаты частицы одновременно. Но, кажется, у Эйнштейна есть лайфхак. Давайте возьмем частицу, которая собирается распадаться! После распада образуется две частицы: они разлетятся, получив некоторые общие характеристики. Такие частицы физики называют «запутанными» (запомните этот термин). Отбросив сложную матчасть, вспомним закон сохранения импульса из классической механики — суммарный импульс тел ДО равен суммарному импульсу ПОСЛЕ. Итак, «материнская» частица распадается, а ее части разлетаются, поделив импульс между собой, как бильярдные шары.
Дальше все логично и гениально: мы измеряем местоположение первой частицы, а импульс второй частицы. Таким образом, для первой частицы мы получаем и координаты (которые измерили непосредственно) и ее импульс (который просто посчитали на калькуляторе, отняв от первоначального значения импульс второй частицы).
Осознайте, насколько коварен был Эйнштейн! Да и поставить подобный эксперимент в те годы было затруднительно (коллайдеры еще не изобрели).
Озадаченный Нильс Бор практически на одной вере в чудеса заявил, что эксперимент будет некорректен, потому что частица приобретает конкретные значения импульса только после измерения, а не до распада, и не в момент распада. По сути это были все те же рассуждения, что и в предыдущей главе: скрытые параметры против генератора случайных чисел. Но, если прав Бор, то все это означает, что вторая частица «считывает», как первая определилась с импульсом, и тут же, мгновенно, присваивает себе значение, необходимое для закона сохранения. Вы там что, крышей двинулись, раз допускаете штуки, когда что-то взаимодействует быстрее скорости света? К тому же теоретически неважно на каком расстоянии находятся друг от друга запутанные частицы — хоть на противоположных краях галактик. Когда кто-то влияет на кого-то, будучи очень далеко, это называется нарушение принципа локальности. Короче говоря, Эйнштейн покрутил пальцем у виска, а Бор в ответ сделал умное лицо, и вопрос надолго повис в воздухе. Физики делали вид, что явление им неинтересно, а парадокс на то и парадокс, чтобы пугать студентов на экзаменах.
Через 30 лет, когда Бор и Эйнштейн покинули наш грешный мир, так и не договорившись, один физик по имени Белл надумал специальные уравнения, с помощью которых можно было бы проверить, кто был прав в споре. Его уравнения, известные как неравенства Белла, могли прояснить, есть ли скрытые параметры в поведении волновой функции или там воистину рэндомные процессы. А еще чуть более 20 лет спустя (в 1982 году) французские инженеры сумели поставить эксперимент, в котором неравенства Белла проверили на настоящих запутанных частицах.
Опять же в рамках нашего поверхностного повествования мы не в силах рассказать о неравенствах Белла подробно, но гарантируем, что в сети есть несколько отличных попыток их разжевать. Мы же попробуем парой абзацев объяснить суть эксперимента, вызвав у вас легкую бессонницу, а не глубокую экзистенциальную депрессию.
У частиц есть такая характеристика как спин. Вообще этот термин очень любят фрики-лжеученые всех мастей. Трансмодификацией (не знаем, что это) спина объясняется любая ересь и несостыковка в псевдотеориях и гипотезах от лучших, да и худших, умов альтернативной «науки». Поэтому по ходу повествования, а также чтобы оградить читателей от попадания на удочку мошенников, нам придется кое-что прояснить о спине.
Говоря языком физики, спин — это момент импульса, штука, похожая на импульс, но применимая к вращающимся телам. Спин как бы намекает нам, что частица не просто летает туда-сюда, вся такая размазанная по пространству, но еще и вращается. Одному Богу с его суперпространственным зрением понятно, как может вращаться волна вероятности, находящаяся в суперпозиции своих состояний, но отчего-то частицы, не будучи вращающимися предметами, имеют вот этот вот спин. Короче, у спина есть направление, из-за которого частицы ведут себя по-разному в магнитном поле (так собственно спин и обнаружили), а также в связи с тем, что в мире частиц все квантуется, то есть спин имеет не плавные значения, а дискретные, и этих значений не так уж и много. У электрона спин — ½, у фотона — 1, у гипотетического гравитона подозревают спин, равный 2. Есть еще какие-то дикие частицы со спином 5/2, а спин бозона Хиггса равен нулю и так далее. Причем можно же было давать спину числовые значения попроще, а не такие странные дроби. Но ученые не ищут легких обозначений — у них, видите ли, традиция.
Итак, электрон имеет некоторый спин, который куда-то направлен. С помощью хитрого оборудования можно измерять направление спина — при этом он, как и другие параметры, в силу жутких квантовых эффектов, при измерении выныривает к нам из суперпозиции. Эксперимент по разрешению ЭПР-парадокса состоял в том, что у групп запутанных протонов замеряли спины. И результаты статистически анализировали: проще говоря, составляли таблицы вариантов, выпадающих чаще всего. Хитрые выкладки теории вероятности гласили, что если бы были правы Эйнштейн, Подольский и Розен, то вероятность некоторых комбинаций спинов