Инфоповод

Отважные смельчаки из австралийского национального университета, «бесстрашно заглянувшие в квантовый мир» Эндрю Траскот и Роман Хакимов в рунете прославились в несколько этапов. Последним поводом оказалась вольная трактовка опубликованной в 2015 году статьи в NATURE PHYSICS, согласно которой «австралийские физики доказали иллюзорность бытия», подтверждая якобы известную ранее теорию о реальности, которой не существует до момента ее измерения наблюдателем. Впрочем, «странное предсказание квантовой механики» нам с вами, даже по мнению авторов байки, не грозит — если, конечно, мы не относимся к объектам «очень маленького масштаба»

Что на самом деле

Давайте разберемся. Чтобы понять, что такого сенсационного сделали Траскот и Хакимов, нужно понимать, чем отличились задолго до них Юнг и Уиллер.

Века эдак с ХVII физики спорили, что такое свет, как его описать и как он распространяется. Для Пьера Гассенди и Исаака Нютона свет состоял из частичек, а Декарт, Гук и Гюйгенс представляли себе волны. Гюйгенс даже придумал эфир для пущей убедительности. Но в 1803 году Томасу Юнгу удалось поставить корректный эксперимент, результаты которого почти примирили научный мир с тем, что свет — это все-таки волна. В своей работе Юнг использовал ширму с тонюсенькими, сравнимыми с длиной волны исследуемого света прорезями, за которыми после прохождения луча поставил проекционный экран, исправно продемонстрировавший картину интерференции. Таким образом, к существовавшей теории корпускул на полных правах добавилась волновая теория, и так они и терлись боками трактовок, пока мир на стал окончательно квантово-механическим и Луи де Бройль не сложил большинство яиц в корзину корпускулярно-волнового дуализма.

Но эксперименты  продолжались.

В 1978 году Джон Арчибальд Уилер предложил весьма  изощренный вариант опыта Юнга, известный как эксперимент с отложенным выбором.

В чем суть? Одинокий фотон выпущен на волю и летит в направлении преграды в виде двух щелей. Для прохождения через эти щели фотон «делает выбор А» о способе их прохождения: через щель 1, щель 2 или через обе. После преодоления преграды фотон проходит в зону детектирования 1, которая, грубо говоря, представляет собой экран. Детекторы в этой зоне могут определить координату пришедшего фотона и построить картину распределения, которая будет соответствовать интерференции волн через обе щели (Знакомая со школы картинка — полосатая картина интерференции на экране!). Значит, фотон повел себя как волна, прошел через обе щели и интерферировал по полной программе. Или второй вариант: никакого экрана. Фотон пролетает щели, а за ним с почтительного расстояния наблюдают другие детекторы: что-то типа двух телескопов, в центре внимания каждого по щели, их задача — увидеть, через какую щель пройдет фотон. Варианта, теоретически, всего три. Телескоп, следящий за первой щелью, зафиксирует вспышку, означающую, что фотон, как приличная частица, пролетел через нее; телескоп, следящий за второй щелью, зафиксирует вспышку, — а значит, фотон-частица предпочел щель 2; или же (теоретически) оба детектора получат слабые сигналы, намекающие, что у обеих щелей была активность: свет прошел через обе, и каждая получила свою долю интерференционной картины. Есть экран или нет — это выбор В, наш, наблюдателя выбор. Значит, делая выбор В, мы решаем, узнать ли нам, через которую щель прошла частица, и откладываем решение (выбор) до момента времени, после которого фотон сделал выбор А («пройти через одну из щелей или обе щели»).

Предложить-то Уиллер предложил, а вот с реализацией какое-то время не задавалось. Технологии и техники не успевали за полетом разума. И вот в 2006 году удалось наконец воспроизвести эксперимент с фотоном на самом деле. В результате оказалось, что если не убирать экран, он всегда будет показывать картинку интерференции, а если убрать, то телескопы точно определят, через какую щель прошел фотон. Тривиальная логика толкает нас к следующему выводу: своим выбором В мы влияем на произошедший раньше во времени выбор А. Есть экран — фотон проходит волной, нет экрана — протискивается в щель частицей. А это важно. Если телескопы зафиксировали прохождение фотона через какую-то из щелей, мы знаем, какой путь прошел фотон, подразумевая, что он — частица. Поняли, да? Мы — наблюдатель — делаем выбор B: ставим экран, видим интерференцию — значит, фотон повел себя как волна; убираем экран — и фиксируем путь, пройденный фотоном, летевшим как отъявленная частица. Будущее влияет на прошлое.

Что сенсационного сделали австралийцы? Придали вес эксперименту 2006 года, а именно — вместо одиночки-фотона использовали гелий в метастабильном состоянии (это вообще у меня слегка некорректная физическая шутка, суть которой в том, что гелий, в отличие от фотона, имеет массу покоя). Вместо щелей — решетки из лазерных лучей, а решение о наличии или отсутствии экрана принималось релятивистски разнесенным с ними квантовым генератором случайных чисел, чтоб хитрый атом не догадался, что его наблюдают. Атом-то, может, и не догадался, но вел себя в точности как его коллега фотон: демонстрировал поведение волны при наличии экрана, на котором он мог бы интерферировать, или смиренно шел через решетки, если его детектировали как частицу. Авторы статьи (кстати, Траскот только на фото хорошо вышел, а Маннинг и Даль, главные авторы, и вовсе не фигурируют в байках о матрице) делают следующий вывод: эксперимент подтверждает, что в случае массивной частицы не имеет смысла присваивать ей волновое или корпускулярное поведение до тех пор, пока не проведены измерения.

Я вполне представляю квантово-механическую вселенную, где кота Шредингера не существует, пока мы не поняли, жив он или нет, но ставить под сомнение существование объекта только потому, что мы не можем до поры до времени описать его свойства, даже в этом мире кажется несколько… слишком философским.

Источники:

  1. Wheeler, J. A. in Mathematical Foundations of Quantum Theory (ed Marlow, A. R.) (Academic Press, 1978).
  2. http://arxiv.org/abs/quant-ph/0610241
  3. A. G. Manning, R. I. Khakimov, R. G. Dall, A. G. Truscott. Wheeler’s delayed-choice gedanken experiment with a single atom. Nature Physics, 2015; DOI: 10.1038/nphys3343