Неопределенность правит бал

Квантовая теория может показаться слишком расплывчатой и неопределенной наукой, но имейте в виду, что каждый раз, глядя на что‑то, вы запускаете квантовый процесс. Все ваше тело состоит из атомов, каждый из которых состоит из квантовых частиц. Пожалуй, самым известным термином, относящимся к квантовым частицам, является принцип неопределенности. Его иногда интерпретируют так, что в квантовом мире не существует ничего определенного, но на самом деле за этой концепцией стоит совсем другая философия. Принцип неопределенности (его еще иногда называют принципом Гейзенберга по имени сформулировавшего его немецкого физика) гласит, что чем большей информацией вы располагаете об одних свойствах квантовой частицы, тем меньше будете знать о других. Например, чем точнее вы можете определить местоположение частицы, тем неопределеннее будет ее момент (масса, умноженная на скорость). Если вам точно известен момент, это значит, что частица может находиться во Вселенной где угодно.

Чтобы лучше понять принцип неопределенности, представьте себе, что фотографируете частицу. Предположим, ваш фотоаппарат имеет такую малую выдержку, что вам удалось сделать четкий снимок частицы в пространстве. Вы можете рассмотреть ее во всех деталях. Но по фотографии вы не сможете определить, куда и как она движется. Может быть, она вообще стоит на месте, а может, несется с бешеной скоростью. Если же выбрать выдержку снимка подольше, то изображение будет размазанным. По такой фотографии вы мало что сможете сказать о том, как выглядит частица, поскольку изображение будет слишком нечетким, но зато сможете сделать вывод о том, с какой скоростью она движется. Примерно так же выглядит и компромисс между определением момента частицы и ее местоположения.

Полная путаница

В квантовом мире есть еще много (очень много!) вещей, от которых голова идет кругом, но мне хотелось бы вкратце упомянуть самую примечательную из них – так называемую квантовую запутанность. Она заключается в том, что между двумя квантовыми частицами может существовать такая тесная связь, что они являются фактически единым целым, даже если одна из них попадает в ваш глаз, создавая зрительный образ, а другая в этот момент находится в космосе на расстоянии нескольких световых лет.

Квантовый спин – удивительная вещь. Он происходит от английского слова spin, что значит «вращение», но частица не вращается вокруг своей оси, как Земля. Спин – это просто одна из числовых характеристик частицы. Если вы проводите его измерение, то на выбор может быть только две возможности: спин направлен либо вверх, либо вниз. До начала измерений ничего сказать о спине невозможно. Существует лишь вероятность одного из двух результатов.

Предположим, что эта вероятность составляет 50:50. Это значит, что в половине случаев измерения данной частицы вы получите «верхний» спин, а в половине – «нижний». Но пока вы не проведете измерение, определить, какой результат будет получен, невозможно, поскольку частица находится не в каком‑то одном из этих состояний, а в обоих сразу. Точно так же фотон может следовать по любому из возможных путей до тех пор, пока вы не вычислите его местонахождение.

Представьте себе, что у нас есть тесно связанная пара таких квантовых частиц. Если мы измерили спин одной из них, то можем с полной уверенность говорить, что у второй он будет в этот момент противоположным. (Создать такую запутанность между двумя частицами можно несколькими способами. Самый простой из них состоит в том, чтобы одновременно создать два фотона из одного и того же электрона.)

А теперь начинается самое интересное. Вы можете отдалить эти частицы друг от друга на любое расстояние – хоть послать на другой конец Вселенной, – но если в ходе измерения вы определили, что у одной из них верхний спин, то можете знать наверняка, что у другой он будет нижним.

Казалось бы, что тут такого? Если мы возьмем, к примеру, монету и распилим ее вдоль, то у нас получится две половины: одна – орел, а другая – решка. Вы, не глядя, кладете одну половину к себе в карман, а другую, опять же не глядя, отправляете куда‑то очень далеко. А теперь взгляните на половинку, которая лежит у вас в кармане. Если на ней орел, то вы сразу же понимаете, что на другой должна быть решка. Для этого не надо быть семи пядей во лбу. Однако с квантовыми частицами все обстоит не так просто.

Половинки монеты изначально являются либо орлом, либо решкой. Если же вы имеете дело с запутанными частицами, то их спин заранее не определен. Каждая из них в момент измерения может с 50‑процентной вероятностью находиться либо в одном, либо в другом состоянии. Обе частицы идентичны. Лишь когда вы обращаете внимание на одну из них и ее спин в этот момент случайно оказывается направлен вверх, вторая частица, где бы она в это время ни находилась, будет иметь нижний спин. Информация о состоянии друг друга мгновенно преодолевает просторы Вселенной. Вполне возможно, что в будущем можно будет таким образом хранить секретную информацию и получать ее в любой момент, когда только потребуется.

Если бы можно было использовать этот механизм для пересылки сообщений, они доходили бы до адресата мгновенно, где бы он ни находился. Правда, этот эффект проявляется случайно и не может нести значимую информацию. Вы не можете произвольно выбирать верхний или нижний спин.

Но даже в этом случае свойство квантовых частиц обмениваться информацией на огромных расстояниях может найти полезное применение. С его помощью можно так надежно шифровать сведения, что современным компьютерам для расшифровки понадобилось бы время, сопоставимое с возрастом Вселенной. Существует также возможность квантовой телепортации, основанной на создании точных копий частиц на значительном удалении.