Каждый, хоть раз слышал о квантовой механике. И что там полно непонятного и странного. И сегодня я расскажу об одном эксперименте, который не имеет никакой иной трактовке кроме той, что в ходе этого опыта регулярно и повторяемо удаётся отправить сообщение в прошлое. Опыт называется эксперимент квантового ластика с отложенным выбором. А теперь по порядку.
Всё началось более чем 200 лет назад, когда Томас Юнг провел свои опыты по дифракции и интерференции света. В чем суть опыта. Есть источник света, есть экран. Между экраном и источников помещают непрозрачную пластинку, в пластинке делают длинную прорезь. На регистрирующем экране видим тонкую полоску света. Всё хорошо, а теперь добавляем ещё одну параллельную прорезь рядом с первой. И ожидаем увидеть две полосы. Но, к удивлению, полос не две, вместо них мы видим причудливый узор из темных и светлых пятен, который в физике называется интерференционная картина.
Это было началом самого часто повторяемого эксперимента за всю историю физики. После этого опыта становится ясно, что свет – это не поток частичек, а электромагнитные волны, которые могут огибать препятствия и взаимодействовать друг с другом.
Проходя сквозь каждую щель и падая на экран свет проходит разные расстояния. Мы знаем, что у волны есть гребень и впадина. В точку экрана куда пришли два гребня будет яркое пятно (волны пришли в одинаковой фазе), а в точку куда пришёл гребень и впадина волны уровняли друг друга и будет пятно тёмное. (говорят, что волны в противофазе)
Теперь давайте разбираться отчего же этот опыт такой необычный. Ну волна так волна, что с того. Первые вопросы возникли у Эйнштейна, у которого никак не получалось свести формулы если свет – это просто волна и он ввёл такое понятие как квант света, и вы конечно уже догадались – речь идёт о фотоне. И вот если предположить, что свет состоит из маленьких частичек, то формулы прекрасно сходились. Альберт придумал много разных штук с фотонами, ему потом ещё и нобелевку за это дали. Но опыт Юнга никто не отменял. Он нам ясно даёт понять, что свет — это волна, а теоретические выкладки говорят об обратном. Тогда физики договорились между собой, что в рамках оптики и классической электродинамики свет – это электромагнитная волна, а в рамках квантовой механики он пускай будет чем-то средним. И введи такое понятие как корпускулярно-волновой дуализм. Т.е. фотон может вести себя как волна, а может как частица – по ситуации. Ветряный в общем.
Это первый затык. Второй гораздо более интересный и необъяснимый. Умники в белых халатах решили провести опыт юнга с двумя щелями, но не со светом, а с пучком электронов. И стали стрелять по экрану электронами. Каково же было удивление, когда обнаружили что электроны в этом опыте ведут себя так же, как фотоны. Они проявляли свойства волны. Но простите, электрон это уже не фотон. Это частица, которая имеет массу покоя. А проходит ОДНОВРЕМЕННО сквозь оба отверстия. Кукушки у ученых послетали, не может частица проходить одновременно сквозь две дырки. Ну и родилась вполне себе закономерная идея. А давайте поставим датчик около отверстия, который будет регистрировать прохождение электрона сквозь щель. Тогда мы точно будем знать где именно пролетел электрон.
Тут начинается настоящая мистика. Ибо после установки датчика, электроны стали вести себя как обычная частица макромира, и интерференционная картина превратилась в две полоски. У особо искушённых читателей на этом моменте начинает обычно подгорать пукан, и они стремятся написать комментарий «Афтор выпей йаду, нельзя просто взять и понаблюдать электрон.». Что же вы отчасти правы. На самом деле чтобы «посмотреть» на электрон, мы должны стрельнуть в него фотоном. Что безусловно повлияет на его траекторию, и изменит результаты эксперимента. А теперь почему вы не правы. Опыт повторили с крупными молекулами, регистрировать которые можно и пассивными датчиками. Такой эксперимент впервые провел Антон Ца́йлингер в 2004 году (этот же Австриец впервые осуществил квантовую телепортацию). Суть его в том, что сквозь две щели стреляют крупными молекулами фуллерена (состоит из 70-ти атомов углерода). И даже эти громадные, с квантовой точки объекты, проскакивают сквозь две щели одновременно. Само понятие траектория становится абстрактным. Далее молекулы нагревают, а около щелей ставят термометры, и вот когда разогретая молекула фуллерена пролетает сквозь щелку с термометром, она уже пролетает только сквозь одну щель, и картина на регистрирующем экране из интерференционной превращается в обыкновенные две полоски. Выводы невероятны. Если нельзя ни коим образом зарегистрировать поведение частицы, то ей вообще плевать на законы физики. Она летает себе спокойно сквозь две дырки. Но если за ней можно «подсмотреть», то она ведёт себя как приличная. И подчиняется законам классической механики. Вот отсюда и идёт этот мистический и невероятный «наблюдатель». Некто меняющий фактом своего наблюдения физическую реальность. Если молекула пролетает сквозь две щели, то говорят, что она представляет собой волновую функцию – облако вероятности. Если же её «пронаблюдать» и молекула определилась, со своей траекторией (после того как на неё посмотрел наблюдатель), то говорят о коллапсе волновой функции – молекула реализовалась в физическом мире в классическом понимании.
А теперь, собственно, к опыту с нарушением причинно-следственной связи. Вернёмся снова к фотонам. Будем всё так-же обстреливать экран и на пути поставим пластинку с двумя щелями, а после щелей поставим нелинейный оптический кристалл. Это специальное приспособление, которое разбивает один фотон на два спутанных с пониженной частотой. Такая штука называется спонтанное параметрическое рассеяние. Установка спроектирована таким образом, что фотон, проходящий сквозь верхнюю щель B, разделяется на два. Один из получившихся фотонов попадает на экран D0, а второй пройдя сквозь призму попадает в детектор D4.
Если начальный фотон, падающий на щели, проходит сквозь нижнюю щель А, то он так же разделяется на два. Первый снова на детектор D0, а второй сквозь призму и затем на датчик D3.
Детектор D0 выполняет роль регистрирующего экрана из опыта Юнга, он не позволяет нам увидеть сквозь какую щель пролетают фотоны, он просто может зафиксировать координаты фотона на экране в момент падения, а вот датчики D3 и D4, позволяют нам точно узнать сквозь какую щель проходит фотон. Если вы читали довольно внимательно всё что сверху написано, то уже догадались, что на детекторе D0, мы будем видеть две светящихся полоски. А если мы выключим датчики D3 и D4, то вновь на D0 увидим череду светлых и тёмных полосок. Что уже само по себе довольно невероятно.
Тогда экспериментаторы решили обмануть вселенную, но и себя вместе с ней. Эту установку они усложнили. Зеркала, сквозь которые проходят фотоны чтобы попасть в датчики D3 и D4, они сделали полупрозрачными и фотон падая на них, может с вероятность 50% попасть в датчик D3 или D4, а с вероятность 50% может «затеряться». Давайте для примера опять допустим что фотон пролетает сквозь верхнюю щель В, разделяется на два, один на детектор D0, второй на призму, потом на полупрозрачное зеркало, что будет если он отразится и попадёт на D4 мы уже знаем, а если он пролетит сквозь, то он отражается от обычного зеркала и попадает на другое полупрозрачное зеркало, и может с вероятность 50% быть зарегистрирован на любом из датчиков D1 или D2. То же самое если фотон проходит сквозь нижнюю щель А. Т.е. мы фактически лишили себя информации о том сквозь какую щель прошёл фотон, мы «стерли» её квантовым ластиком. И да, вы уже поняли, что происходит. Если мы стираем инфу ластиком, то картина на детекторе D0 становится интерференционной. А теперь, собственно, к необъяснимому.
Первоначальную информацию о том куда попадает фотон, мы можем получить с экрана D0. Она ближе всего к двухщелевой пластинке. И мы уже можем догадываться это интерференция или две полоски. И только спусти 8 наносекунд, пока фотон блуждает в недрах установки можно сказать быль ли он зарегистрирован на точных датчиках D3 или D4. Либо информация о его траектории была стёрта, и он попал на обезличенные датчики D1 или D2.
Теперь по полочкам. Мы с гипотетическим Толей заключаем спор о том, что если фотон будет интерферировать, то я плачу за пиво. Если фотон будет вести себя как классическая частица, то он. Затем мы выстрелили фотоном в эту установку, и заметили, что на детекторе D0, он попал в светлую область, которая соответствует интерференционной картине. И мы в течении последующих 8-ми наносекунд пьём пиво за мой счет. Разговариваем о жизни, и я сетую на то, как она несправедлива. Затем мы наблюдаем частицу в датчике D3. Понятно, что данная ситуация невозможна, ибо при регистрации этим датчиком интерференция невозможна. Для разрешения парадокса вселенная возвращает назад в прошлое, и на этот раз наблюдаем частицу на детекторе D0 в правильной области. Наша память перезатирается. Мы 8 Наносекунд пьём пиво, а Толя при этом нервно курит. Ведь теперь он проставляется. Затем идём смотреть на результаты со следующего датчика. Это датчик D3 мы уже знаем. Парадокса нет. Скачков не происходит.
Ещё раз. Фотон попадает на экран D0, в определённую область. Эта область точно зависит от того, как поведёт себя его квантово-запутанный фотон близнец спустя 8 наносекунд. Т.е. сперва он попадает в эту область(следствие), и только спустя 8 наносекунд наступает причина попадания в данную область.
А теперь ещё информация к размышлению. Мы можем сделать туннель, по которому летит фотон до второго датчика довольно длинным. Например, как расстояние от земли до солнца. И тогда у нас будет 8 минут до того, как фотон определится. Если мы будем стирать все показания, но до этого дадим посмотреть на результаты обезьяне. Станет ли картина классической от влияния обезьяны. А таракана? А Полугодовалого ребёнка?
Единственный в своем роде: в Исландии есть вулкан, в который можно спуститься