Что, если «квантовая жуть» работает без запутанности? Как новый эксперимент объясняет нелокальность мира

В мире физики есть идеи, настолько странные, что они больше похожи на мистику. Пожалуй, самая знаменитая из них — квантовая запутанность, которую Альберт Эйнштейн с долей скепсиса назвал «жутким дальнодействием». Это явление, при котором две частицы остаются неразрывно связанными, даже находясь на противоположных концах Вселенной. Измерьте свойство одной — и вы мгновенно узнаете свойство другой. Десятилетиями эта «жуткость» считалась главным проявлением нелокальности нашего мира — принципа, согласно которому события могут быть связаны, невзирая на расстояние.

Но что, если мы ошибались? Что, если запутанность — это лишь самый известный, но не единственный способ создать эту квантовую магию? Недавний эксперимент группы ученых из Нанкинского университета под руководством Сяо-Сун Ма заставляет задать именно этот вопрос. Их работа, опубликованная в престижном научном журнале, предлагает почти еретическую идею: можно получить результаты, неотличимые от проявлений запутанности, вообще не запутывая частицы. Это похоже на то, как если бы фокусник показал вам знаменитый трюк, но потом признался, что использовал совершенно другой, никому не известный метод.

Правила квантовой игры: почему тест Белла так важен?

Чтобы понять всю дерзость этого заявления, нужно вспомнить о главном арбитре в споре о природе реальности — тесте Белла. В середине XX века физика разделилась на два лагеря. С одной стороны был Эйнштейн, уверенный, что мир локален и реалистичен. По его мнению, если две частицы ведут себя согласованно на расстоянии, значит, их свойства были предопределены с самого начала, как у пары перчаток: найдя левую, вы мгновенно знаете, что в другой коробке — правая.

С другой стороны была квантовая механика, утверждавшая, что свойства частиц не существуют до момента измерения. Мир нелокален, и связь между частицами — это не заранее записанный сценарий, а мгновенно возникающая корреляция.

Именно физик Джон Стюарт Белл в 1964 году придумал, как разрешить этот спор экспериментально. Он сформулировал математическое неравенство. Если мир устроен по Эйнштейну (локальный реализм), результаты измерений никогда не смогут нарушить это неравенство. Если же верна квантовая механика, нарушение возможно. Все последующие эксперименты, раз за разом, с ошеломляющей точностью показывали: неравенства Белла нарушаются. Эйнштейн был неправ. Наш мир действительно «жуткий» и нелокальный. И главным инструментом для демонстрации этого всегда служила квантовая запутанность. До сегодняшнего дня.

Новый трюк: неразличимость вместо запутанности

Китайские физики решили пойти другим путем. В их установке фотоны (частицы света) проходили через сложный лабиринт из кристаллов и линз. Ключевым моментом было то, что ученые намеренно ввели в систему элементы, которые разрушали любую возможную запутанность между частицами по таким параметрам, как частота и скорость. Они как бы разорвали ту самую «призрачную цепь», которая связывала фотоны.

Но взамен они использовали другое, не менее странное квантовое свойство — неразличимость. Представьте, что у вас есть два абсолютно идентичных близнеца, которые выходят из комнаты через две одинаковые двери. Если вы видите одного из них на улице, вы не можете со стопроцентной уверенностью сказать, через какую именно дверь он вышел. В квантовом мире эта фундаментальная невозможность различить пути или источники частиц сама по себе создает новое физическое состояние. Вероятности прохождения каждого из путей начинают интерферировать друг с другом, порождая эффекты, невозможные в классической физике.

Именно это и произошло. Когда исследователи проанализировали результаты, они с удивлением обнаружили, что их «незапутанные» фотоны нарушили неравенства Белла. Их поведение было согласовано настолько сильно, что это невозможно было объяснить никакой классической, локальной физикой. Они вели себя так, будто были связаны той самой «жуткой» связью, которую экспериментаторы так старательно разрушали. Выходит, неразличимость сама по себе может быть достаточным «топливом» для создания нелокальных эффектов.

Дьявол в деталях: а не было ли обмана?

Конечно, столь смелое заявление не могло остаться без критики. Научное сообщество — это самый строгий скептик, и другие физики тут же начали искать в эксперименте возможные лазейки.

Первое слабое место — метод постселекции. Ученые учитывали не все полученные данные, а отбирали лишь определенные, «удачные» события. Критики, вроде Стефано Паэзани из Копенгагенского университета, указывают, что это похоже на подбрасывание монеты сто раз, но публикацию результатов только тех серий, где пять раз подряд выпал «орел». Это может искусственно создать видимость сильной корреляции там, где ее на самом деле нет.

Вторая проблема, на которую указал Джефф Ландин из Оттавского университета, — это классическая головная боль всех тестов Белла: возможность «сговора». А что, если две части измерительной установки (условные Алиса и Боб) не были полностью изолированы и могли обмениваться информацией по скрытым классическим каналам? В таком случае их согласованные результаты — не квантовое чудо, а обычная коммуникация.

Наконец, есть и более тонкое возражение от Эфраима Штейнберга из Университета Торонто. Он предполагает, что запутанность все-таки была, просто не там, где ее искали. Возможно, были запутаны не сами фотоны, а квантовые поля, из которых они родились. Это элегантная гипотеза, которая сохраняет статус-кво, но переносит «жуткость» на более глубокий, фундаментальный уровень реальности.

Переписывая основы: что же такое квантовая странность?

Команда Сяо-Сун Ма признает справедливость критики и уже планирует новые, более «чистые» эксперименты, чтобы закрыть эти лазейки. Но даже если в текущей работе есть недостатки, она уже сделала главное — заставила физиков задуматься.

А что, если квантовая нелокальность — это более фундаментальное свойство мира, чем сама запутанность? Возможно, запутанность — это просто самый очевидный и изученный способ ее проявить. А неразличимость — другой, независимый путь к той же вершине. Это меняет всю картину. Это значит, что десятилетиями мы смотрели на один из симптомов, принимая его за саму болезнь (или, в данном случае, за чудо).

Этот эксперимент — прекрасный пример того, как работает живая наука. Он не опрокидывает основы, но мягко их расшатывает, приглашая заглянуть глубже. Это не просто техническое достижение, а повод переосмыслить самые базовые концепции о природе реальности. Ответ на вопрос, можно ли получить квантовую жуть без запутанности, пока открыт. Но сам факт, что мы теперь можем его задать и проверить, означает, что наше путешествие в странный и прекрасный квантовый мир еще далеко от завершения.