Парадокс Эйнштейна — Подольского — Розена28.12.2015 12:07

Физик Эмиль Ахмедов о спорах про квантовую теорию, парадоксе взаимосвязи двух фотонов и развитии научного познания

Как ни странно, квантовую механику опровергают значительно реже, чем теорию относительности. Вероятно, это связано с тем, что ее тяжелее понять, требуется больше знаний, чтобы освоить материал, связанный с квантовой механикой, или что парадоксы формулируются сложнее, чем для теории относительности.

В свое время между Нильсом Бором и Эйнштейном шел интенсивный спор по поводу основ квантовой теории. В качестве опровержения квантовой механики Эйнштейн вместе с Подольским и Розеном придумали парадокс, противоречащий здравому смыслу. Парадокс заключается в следующем. Представьте себе, что у вас рождаются два фотона, это две электромагнитных волны с нулевой поляризацией, то есть у вас рождаются две световых волны, электромагнитных, с общей нулевой поляризацией. Это значит, что они движутся в противоположных направлениях, а поляризация у них общая нулевая, так что они компенсируют друг друга. При этом мы не знаем отдельно поляризацию первого фотона и поляризацию второго фотона, но общую поляризацию мы знаем. Представьте себе, что один фотон улетел, скажем, на Марс, а второй — на Венеру, на Марсе кто-то с прибором взял и измерил поляризацию отдельного фотона. В тот момент, когда он измерил поляризацию этого фотона, мгновенно определилась поляризация второго фотона, который находится на огромном расстоянии от него, в сотне миллионов километров. Это в случае если они не потеряли когерентность, то есть если эти два фотона оставались замкнутой системой на протяжении всего времени разлета.

Получается парадокс, что, измеряя этот фотон, вы мгновенно влияете на тот фотон. Это совершенно противоречит здравому смыслу. Сразу следует оговориться, что никакой передачи информации при помощи такой операции проделать нельзя по следующей причине: оба фотона, вообще говоря, не имеют до момента измерения никакой определенной поляризации. Определенную поляризацию имеют они только вдвоем, вместе взятые, как вот эта замкнутая система. Каждый из них при этом может иметь любую поляризацию, а второй — компенсирующую ее до тривиальной поляризации. Когда вы измеряете поляризацию фотона на Марсе, вы на нее повлиять не можете — в том смысле, что вы не можете заставить фотон быть поляризованным вдоль конкретного направления. Вы можете только померить, и он с какой-то вероятностью окажется поляризованным тем или иным образом. Это значит, что второй фотон с такой же вероятностью окажется противоположно поляризованным. Но при этом вы не можете заставить этот фотон оказаться поляризованным определенным образом. Если бы вы могли это сделать, это было бы передачей информации. Но именно из-за вероятностной причины, вероятностной физической основы того, что происходит, вы не можете передавать информацию. Вы можете только померить, с какой вероятностью поляризован этот фотон, и с такой же вероятностью будет поляризован второй фотон противоположным образом.

Существует множество экспериментов, которые подтверждают, что действительно так происходит: на расстоянии вы меняете волновую функцию — другими словами это называется волновая функция фотона, вы меняете волновую функцию фотона. И квантовая механика именно так и устроена, несмотря на то что Эйнштейн считал это противоречащим здравому смыслу. Еще раз повторюсь, в чем парадокс. Если бы у вас была коробка с двумя шарами — один черный, другой белый — и вы взяли бы эту коробку, пополам поделили и развели бы — одну отвезли на Марс, а другую на Венеру, —, а потом открыли и увидели, что на Марсе шар белый, а на Венере шар черный, — тут вообще никакого парадокса нет. Вы не влияете. В тот момент, когда вы их поделили и развели, у вас две коробки разделенные, у вас уже в одной коробке белый, а в другой черный шар. Они никак друг на друга не влияют. У вас уже система разомкнулась — один шар черный, другой белый. Другое дело с фотонами, что каждый из них не имеет определенной поляризации. Определенную поляризацию имеет вся система в целом, замкнутая система. До момента измерения замкнутой системой являются два фотона, вместе связанные.

Парадоксально звучит то, что вы можете, измерив один фотон, мгновенно повлиять на другой. В том смысле, что до момента измерения у этого фотона может быть любая поляризация, неизвестно какая, а у второго — компенсирующая ее до тривиальной. Потом, когда вы измерили, у этого фотона стала совершенно определенная поляризация, и на расстоянии сотен миллионов километров у второго фотона мгновенно стала тоже совершенно определенная поляризация, компенсирующая это. В этом и заключается парадокс, что вы можете влиять на тот фотон на расстоянии. Это казалось Эйнштейну невозможным, противоречащим здравому смыслу. Но опять же, возможно, он имел в виду, что это противоречит тому, что информацию можно передавать так на расстоянии. Но хочу подчеркнуть, что таким способом информацию передать невозможно. Потому что вы не заставляете этот фотон иметь определенную поляризацию, а можете померить, что он имеет ту или иную поляризацию, тогда тот фотон с какой-то вероятностью приобретет противоположную поляризацию. Если бы вы хотели передавать информацию, вы должны были заставить этот фотон иметь определенную поляризацию, тогда тот имел бы противоположную, компенсирующую. Так вы смогли бы передавать сигнал, заставили бы его таким поляризованным быть, этот бы оказался противоположно поляризованным, и человек бы на том конце знал бы: «О, значит, я должен делать то-то». Передали ему информацию, что нужно предпринимать. В данном случае у него просто появился фотон на Венере с какой-то поляризацией. Он не знает, что вы ему хотели передать, вы же просто померили его с какой-то вероятностью.

Хочу подчеркнуть, что в данном случае ситуация следующая. У вас есть новая теория — квантовая механика, есть человек, религиозно верящий в эту теорию, — Нильс Бор, который считает, что фундаментальной основой всех явлений природы является эта вероятностная интерпретация. Он просто религиозно в это верит. Он пытается убедить весь остальной мир, что он прав. Вместе с Гейзенбергом они предпринимают массу усилий, чтобы это доказать. Но люди ранга Эйнштейна, тоже приложившие руку к созданию этой теории, с ними не согласны. Через такие тернии проходит та или иная наука, прежде чем она становится общепризнанной, общепринятой и общедоступной. На начальном этапе люди друг с другом спорят, не соглашаются. И она должна проходить через эти этапы, иначе это не было бы научным познанием.

Эмиль Ахмедов