Страница 11 из 42
Этого нельзя понять, ведь "понять" означает уменье выразить нечто новое через более привычные понятия, а квантовые понятия нельзя выразить через понятия, известные нам из школы ньютоновской физики. Квантовые понятия надо просто принять — привыкнуть к ним.
Студентом я никак не мог осмыслить фразу из учебника квантовой механики Д.И. Блохинцева: "Фотон нельзя представлять себе поплавком на гребне квантовой волны", и однажды сказал об этом Блохинцеву. Он с присущим ему юмором посоветовал: "А вы прочитайте эту фразу раз пятьдесят и всякий раз старайтесь понять, что бы это значило. Когда будет читать пятьдесят первый раз, вам все это покажется изначально очевидным!"
Проходя сквозь преломляющий кристалл, фотон расщепляется на два дочерних (ротона со взаимно перпендикулярной поляризацией, поэтому, измерив направление поляризации фотона А сразу узнаем, какова поляризация фотона Б. Телеграфное сообщение наблюдателям в точке 2 о том, какое будет результот их измерения, покажется им похожим на откровение дельфийского оракула или пророчества болгарской предсказательницы Ванги.
Измерение поляризации фотонаХ превратило бы его в фотон со случайным направлением поляризации. Однако можно измерить относительную поляризацию фотонов АиХ,не изменяя их собственной. Физики умеют это делать. Теперь, зная относительные поляризации пар А -X и А-Б, можно телеграфировать в точку 2, как нужно повернуть вектор поляризации и фотона Б, чтобы он стал неотличимой копией фотона X.
Принципиальную несводимость квантовых представлений к ньютоновским постоянно подчеркивали создатели квантовой науки, хотя с этим не соглашался Эйнштейн. Он полагал, что мы имеем дело всего лишь с временными "строительными лесами" на здании будущей физики, и пытался найти примеры, которые доказали бы неполноту квантовой теории, в силу которой она и приводит к парадоксам.
Один из таких примеров, который Эйнштейн придумал вместе с двумя своими коллегами, сводится к следующему. Частица света фотон, проходя через кристалл кальцита, превращается в два фотона с одинаковой (половинной) энергией и взаимно перпендикулярными поляризациями: у одного фотона колебания электрического поля происходят вертикально, у другого — горизонтально. При этом мы не знаем, у какого фотона какая поляризация. Известно лишь, что они перпендикулярны друг другу. Чтобы узнать их, один фотон (будем называть его "фотон А") направим в точку 1, где стоит анализатор поляризаций, а второй фотон (Б) пусть летит в точку 2, где есть свой анализатор. Точки 1 и 2 удалены друг от друга, и между приходящими туда фотонами нет никакой материальной связи.
Ясно, что, измеряя в точке I, мы с равной вероятностью можем обнаружить как вертикальную, так и горизонтальную поляризацию. По воде случая фотон, пришедший в точку 1, может обладать любой из них. Измерение в точке 2, казалось бы, по воле случая, тоже обнаружит одну из двух — фотоны-то совершенно равноправны. Однако квантовая теория говорит, что хотя между фотонами нет никакой материальной связи, измерение в точке I каким-то неведомым нам путем (в этом, по мнению Эйнштейна, и проявляется неполнота квантовой теории) влияет на фотон Б. Случайность в точке 2 почему-то мгновенно исчезает, и можно телеграммой известить удивленных наблюдателей в точке 2, каков будет результат их измерений, даже если оно выполняется в тот же момент времени, что и в точке I. Влияние одной точки на другую, будь одна из них на Земле, а вторая на Марсе или еще дальше, передается с бесконечной скоростью.
Современная квантовая механика — комментировали этот пример Эйнштейн и его коллеги — предсказывает существование в природе канала передачи информации с удивительными свойствами, в которые трудно поверить. Как будто и вправду существует экстрасенсорное дальновидение, о котором часто говорят сторонники паранормальных явлений!
Однако в действительности в примере Эйнштейна нет никакого парадокса. Это объяснил датский физик Нильс Бор. Фотоны в точках 1 и 2 нельзя считать совершенно независимыми, поскольку мы заранее знаем, что их поляризации хотя и могут быть любыми, необязательно перпендикулярны друг другу. Поэтому, измерив поляризацию одного из них, мы сразу же скажем, какова она у другого.
Правда, причину мнимого парадокса легко усмотреть лишь в простом примере с двумя фотонами. В общем случае квантовых систем, рассмотренном Эйнштейном и его коллегами, она не столь очевидна. Состояние фотона характеризуется всего лишь одним параметром — направлением поляризации; состояния более сложных систем определяются большим числом переменных, и. тем не менее, их значения мгновенно передаются в точку 2, как только измерение делает их известными в точке I. И во всех случаях причиной является некое априорное условие — корреляция, как говорят физики, связывающая квантовые объекты.
И вот тут мы встречаемся с самым интересным, ради чего читателю пришлось преодолеть дебри квантовых парадоксов. Присоединив к двум "эйнштейновским" фотонам еще один с произвольными свойствами и связав его условием координации, мы сможем телепортировать этот фотон на сколь угодно далекое расстояние.
Квантовая телепортация
Вот как это делается. Наш рассказ будет несколько неточным, но пусть простят нас специалисты, — это делается для того, чтобы проще передать суть дела. Прежде всего следует иметь в виду, что мы не можем точно измерить поляризацию отдельно взятого фотона — повторные измерения всякий раз будут давать различные (случайные) значения. Дело в том, что число фотонов н их поляризация связаны соотношением неопределенности, как координата и скорость. Поэтому, если точно известно число фотонов (в нашем случае это единица), их поляризация остается неопределенной. Для ее измерения нужно пропустить сквозь анализатор лазерный пучок с неточно известным числом фотоноа Если у нас три фотона — эйнштейновская пара А, Б и предназначенный для телепортации фотон X, их поляризации нам неизвестны. Мы знаем только, что колебания электрических полей А и Б взаимно перпендикулярны, а относительно фотона X вообще ничего нельзя сказать. Мы должны телепортировать его таким, каков он есть, никоим образом не касаясь его, чтобы не превратить его в какой-то другой фотон со случайным значением поляризации. На первый взгляд, задача невыполнимая — как направить материальный объект в заданную точку, не прикасаясь к нему?
Квантовые законы допускают такой фокус. Запрещено измерять поляризацию фотонов, однако ничто не мешает измерить относительную поляризацию находящихся в точке 1 фотонов X и А — параллельны колебания их электрических полей или перпендикулярны? Если параллельны, то поляризация фотона Б в точке 2 перпендикулярна фотону X и, повернув ее с помощью преломляющего кристалла на 90 градусов, мы получим точную копию фотона X. Ну, а если X и А поляризованы перпендикулярно друг другу, то с фотоном Б вообще ничего делать не нужно — его поляризация совпадает с X. Конечно, для того чтобы в точке 2 знали, что делать с фотоном Б, надо послать туда сообщение с результатом измерения относительной поляризации X и А.
Поскольку все фотоны совершенно одинаковы и различаются лишь направлением поляризаций, то фотон Б теперь абсолютно идентичен исходному фотону X.
Подобным образом можно телепортировать и более сложные объекты, состояние которых определяется большим числом параметров: для каждого транспортируемого объекта X создается эйнштейновская пара объектов А и Б, затем измеряются относительные параметры пары X и А. что мгновенно определяет параметры удаленного объекта Б, а полученная в точке 1 информация посылается в точку 2 в качестве инструкции для изменения параметров объекта Б.