Швейцарские исследователи недавно впервые продемонстрировали т.н. эффект парадокса Эйнштейна — Подольского — Розена (ЭПР-парадокс) в очень сложной квантовой системе, состоящей из 600 атомов рубидия. В ходе экспериментов ученые опровергли принцип локального реализма, осуществив полное запутывание двух отдельных элементов из атомного облака газа при сверхнизких температурах. Было доказано, что управление системой возможно, так как состояние одной части квантового объекта позволяет прогнозировать состояние другой. Результаты исследования были опубликованы в журнале Science и освещены изданием Science Alert. Согласно парадоксу ЭПР, сформулированному в 1935 году, две частицы могут взаимодействовать таким образом, что измерение их положения и импульса становится возможным с точностью, превышающей пределы, установленные принципом неопределенности Гейзенберга.

Например, суммарный импульс двух частиц (А и В), которые образовались в результате распада третьей, должен быть равен исходному импульсу последней, поэтому измерение импульса частицы А позволяет узнать импульс частицы B, при этом в движение второй частицы не вносится никаких возмущений. Тогда можно точно определить координаты частицы В, нарушая таким образом принцип неопределенности Гейзенберга.

Поскольку принцип неопределенности в любом случае сохраняется, это значит, что запутанные (скоррелированные) частицы способны обмениваться информацией со скоростью, превышающей скорость света.

Тогда измерение импульса частицы А неизбежно вносит возмущения в координаты частицы Б, делая их неопределенными, как бы далеко первая частица ни находилась от последней. Эйнштейн полагал, что тем самым нарушается реализм мира и физические объекты в рамках квантовой механики перестают объективно существовать. Он считал, что подобная интерпретация неверна и вероятностный характер поведения частиц на самом деле объясняется существованием неких скрытых параметров. Однако на настоящий момент теория скрытых параметров не получила экспериментального подтверждения.

Ученые создали конденсат Бозе — Эйнштейна из около 600 атомов рубидия-87. Конденсат представляет собой охлажденный до сверхнизких температур газ, в котором все атомы занимают минимально возможные квантовые состояния, то есть становятся почти неотличимыми друг от друга. С помощью лазера атомы привели в сжатое состояние, при котором флуктуации одной переменной (в данном случае одна из составляющих спина, то есть «оси вращения») становятся очень малы, а другой — велики. Таким образом, между атомами создавалась квантовая связь.

Исследователям удалось разделить облако на два различных региона — А и В. С помощью лазеров были измерены коллективный спин атомов в конденсате и составляющие «оси вращения». При этом на основе неравенств, учитывающих данные параметры, была доказана запутанность между атомами для сжатого состояния и данного коллективного спина. Корреляция оказалась настолько сильной, что возникал ЭПР-парадокс и можно было предсказать квантовое состояние атомов в регионе В, измеряя спин в регионе А (предсказание возможно только в одном направлении).

Парадокс Эйнштейна — Подольского — Розена: когда квантовая механика вызывает недоумение

В 1935 году Альберт Эйнштейн, Борис Подольский и Натан Розен опубликовали статью, которая бросила вызов основам квантовой механики — одной из самых успешных, но при этом самых загадочных теорий в истории науки. Эта работа легла в основу того, что сегодня известно как парадокс Эйнштейна — Подольского — Розена, или ЭПР-парадокс.

Суть парадокса

ЭПР-парадокс был призван показать, что квантовая механика — неполная теория. Учёные не отрицали её предсказательную силу, но утверждали, что она не даёт полного описания реальности. Их аргумент строился на двух ключевых понятиях: реальность и локальность.

• Реальность: если значение физической величины можно предсказать с достоверностью (без измерения), не нарушая систему, то этой величине соответствует элемент физической реальности.
• Локальность: никакое действие в одной точке пространства не может мгновенно повлиять на объект в удалённой точке. Скорость передачи информации не может превышать скорость света.

Эйнштейн и его коллеги рассмотрели систему из двух запутанных частиц — например, двух фотонов, рожденных в одном процессе и разлетающихся в противоположные стороны. Согласно квантовой механике, до измерения состояние каждой частицы не определено: оно описывается суперпозицией состояний. Однако, как только мы измеряем, например, спин одной частицы, состояние второй мгновенно определяется, независимо от расстояния между ними.

Это выглядит так, будто информация передаётся мгновенно — быстрее скорости света. Эйнштейн называл это «жутким действием на расстоянии» (spooky action at a distance) и считал, что это противоречит принципу локальности.

«Скрытые параметры» — попытка спасти классическую картину мира

Чтобы объяснить это явление без нарушения локальности, Эйнштейн предположил, что квантовая механика неполна, и что существуют скрытые параметры — некие внутренние свойства частиц, которые мы пока не можем измерить, но которые определяют результаты измерений заранее. По этой гипотезе, запутанность — не результат «действия на расстоянии», а следствие того, что частицы «договорились» о своих состояниях ещё при рождении.

Ответ квантовой механики: неравенства Белла

Долгое время ЭПР-парадокс оставался предметом философских дебатов. Но в 1964 году британский физик Джон Стюарт Белл предложил способ проверить гипотезу скрытых параметров экспериментально. Он вывел неравенства Белла — математические соотношения, которые должны выполняться, если природа локальна и реальна (в смысле ЭПР).

Однако многочисленные эксперименты, начиная с работ Ален Аспе в 1980-х годах, показали: неравенства Белла нарушаются. Это означает, что либо локальность, либо реальность (или оба принципа сразу) не выполняются в квантовом мире.

Современное понимание

Сегодня физики склоняются к тому, что:

• Квантовая механика не нарушает причинность — мгновенная корреляция между запутанными частицами не может быть использована для передачи информации быстрее света.
• Запутанность — реальное физическое явление, лежащее в основе квантовой криптографии, квантовых компьютеров и квантовой телепортации.
• Парадокс ЭПР не является логической ошибкой, а скорее глубоким указанием на то, что наша интуиция, построенная на макроскопическом опыте, не работает в микромире.

Заключение

Парадокс Эйнштейна — Подольского — Розена — не ошибка, а провокация к размышлению. Он показал, что Вселенная устроена гораздо страннее, чем могли себе представить классики физики. То, что казалось абсурдом, сегодня является основой передовых технологий. И, возможно, именно такие «парадоксы» ведут нас к более глубокому пониманию реальности.