Квантовая запутанность. Иллюстрация: National Institute of Standards and Technology

Девятого мая в журнале Nature была опубликована статья с результатами масштабного научного эксперимента, проведенного коллаборацией ученых Big Bell Test. Более ста физиков в 12 лабораториях, расположенных на пяти континентах, с помощью мощных лазеров, сверхпроводящих магнитов, алгоритмов машинного обучения, онлайн-игры и 100 тысяч добровольцев доказали, что квантовая механика – а значит, опосредованно и вся наша реальность – зиждется на элементе настоящей случайности. О том, как все это связано с вековым спором великих физиков прошлого и почему это важно, Republic постарался рассказать максимально понятно.

Эйнштейн против Бора

Одним из самых фундаментальных научных противостояний первой половины XX века был спор между сторонниками теории относительности и разработчиками теории квантовой механики. Альберт Эйнштейн поставил во главу всего абсолютность скорости света, быстрее которой не может быть ничего во Вселенной. Он придерживался локального реализма, включающего в себя: 1) принцип локальности – на объект влияют только близко расположенные к нему другие объекты; 2) предположение, что объекты обладают врожденными объективными свойствами еще до того, как мы начинаем измерять их («Луна существует и тогда, когда мы на нее не смотрим», – говорил он).

Открытие квантовой запутанности перечеркнуло все эти убеждения. Это явление предполагает, что две частицы, находящиеся в квантовой взаимозависимости, могут мгновенно взаимно менять состояние, даже если разнесены на любое возможное расстояние – хоть в разные концы Галактики. Измерив свойства одной частицы, можно с полной уверенностью предсказать изменение свойств другой. При этом взаимодействие действительно происходит моментально – быстрее скорости света. Кроме того, квантовая физика вводит в игру эффект наблюдателя: до начала измерений свойства объекта не определены, а лишь находятся в диапазоне вероятностей. Причем то, каким в итоге окажется результат квантового измерения, – по-настоящему случайно.

Эйнштейн, несогласный с этим, считал, что квантовую запутанность (которую он слегка уничижительно называл «призрачное дальнодействие») должны предопределять какие-то неизвестные пока науке принципы и скрытые переменные. «Бог не играет в кости», – отстаивая детерминизм, писал неоднократно Эйнштейн своему главному оппоненту, патриарху квантовой механики Нильсу Бору.

Теорема Белла

В 1960-х физик Джон Белл предложил способ экспериментально проверить, могут ли лежать в основе квантовой запутанности «скрытые переменные», о которых говорил Эйнштейн. Для этого нужно провести огромный массив квантовых измерений, каждый раз случайным образом меняя какой-либо из параметров эксперимента. Колоссальный объем статистических данных должен выявить хотя бы минимальную корреляцию между результатами измерений и параметрами, от которых они могли бы зависеть.