Що таке локальність і чому її немає у квантовому світі
Квантовий світ дуже далекий від нашого, тому його закони часто здаються нам дивними та контрінтуїтивними. Однак важливі новини з квантової фізики приходять буквально щодня, тож мати про них правильне уявлення зараз необхідно — інакше робота фізиків у наших очах перетворюється з науки на магію і обростає міфами. Минулого разу ми говорили про квантові комп'ютери, сьогодні розберемося з тим, що таке локальність і чому вона порушується у квантовому світі.
Припустимо, зайшовши на улюблений науковий портал, ви звернули увагу на статтю з таким заголовком: Фізики виявили екстремальне порушення локального реалізму в квантових гіперграфових станах. Цікавість спонукає розібратися з тим, що ж таке виявили фізики, але далі перших чотирьох слів заголовка просунутися не так просто. Ми вирішили допомогти з наступною парою термінів. На наші питання про локальний реалізм та квантову нелокальність відповів Олександр Львівський, співробітник РКЦ та професор Університету Калгарі.
Що таке локальність та принцип локальності у фізиці?
Так ось принцип локальності, теж введений Ейнштейном разом з Подільським і Розеном в 1935 році, полягає в тому, що фізичну реальність не можна змінити якимись діями на віддаленому об'єкті, що не взаємодіє з нашим. Тривіально, чи не так?
А що означає порушення локальності? Як щось може бути нелокальним, наприклад, у нашому великому світі? Чим це погано, наприклад,у класичній механіці?
Порушення локальності - це коли події, скажімо, Аліси на Венері миттєво і без будь-якої взаємодії змінюють фізичну реальність у Боба на Марсі (наприклад, тепер Боб,підстрибнувши, зависне у повітрі). Такі речі неприємні не тільки тому, що вони, здавалося б, порушують теорію відносності, відповідно до якої ніяка інформація не може передаватися миттєво. Найгірше те, що вони порушують здоровий глузд, самі підстави нашого уявлення про світ — що не можна змінити стан об'єкта, не взаємодіючи з ним.
На що схожі квантові порушення локальності?
У статті 1935 року, згаданої вище, Ейнштейн з колегами розглянув заплутаний стан двох частинок, які мають і координати, і імпульси рівні одна одній, але нам невідомі. Воно може виникнути, наприклад, при спонтанному параметричному розсіюванні — розпаді фотона на два інші з меншою енергією. Тоді дивіться, що виходить. Давайте відправимо одну з цих частинок на Венеру до Аліси, а другу на Марс до Боба. Припустимо, Аліса виміряє координату своєї частки. Тоді, оскільки відомо, що координати частинок Аліси та Боба точно скорельовані, ми отримаємо у Боба частинку з певною координатою. Якщо ж Аліса виміряє імпульс (а імпульси теж скорелювати), то Боб отримає стан із певним імпульсом. Але ж у квантовій механіці існує принцип невизначеності, який говорить, що стан із певною координатою та стан із певним імпульсом — дві несумісні один з одним фізичні реальності. А якщо так, то і принцип локальності порушується. Тут, мабуть, під час перекладу та розміщення статті виникла помилка. Ситуація така: Якщо Аліса точно виміряла координати на своїй стороні, а Боб точно виміряв імпульс на своїй, а потім вони передали дані один одному, то виходить, що вони змогли одночасно виміряти точно і координати, і імпульс, що не допускає принцип невизначеності Гейзенберга .
ТакимТаким чином, у уявному експерименті Ейнштейна, Подільського і Розена порушення локальності відбувається тільки в припущенні, що вірний принцип невизначеності - тобто тільки в рамках гіпотези, що квантова теорія вірна.
Чи може бути так, що ми чогось не враховуємо і частки про все «домовилися» у момент народження?
Власне, такий висновок Ейнштейн, Подільський та Розен зробили. Вони сказали, що виходить, що квантова теорія або внутрішньо суперечлива, або суперечить основоположному принципу локальності! Фізики висловили надію, що може бути, колись, у майбутньому, вдасться створити теорію, яка зможе пояснити експериментальні результати так само добре, як квантова механіка. При цьому вона пояснюватиме кореляцію, яку я описав вище, саме таким чином, що частки з моменту народження несуть у собі якісь приховані, нам поки невідомі, скорелювані один з одним параметри, які й визначать результат вимірювань.
Нерівності Белла, вони пов'язані з локальністю та нелокальністю, з локальним реалізмом? Якщо так, то як?
Робота Ейнштейна, за всієї її важливості, мала швидше філософський характер. Адже фізика заснована на порівнянні теорії та експерименту. Проводячи експеримент, фізик з'ясовує, яка гіпотеза істинна, а яка помилкова. А Ейнштейн не пропонував жодної альтернативної теорії. Навпаки, він постулював, що нова теорія передбачатиме ті ж результати, що і квантова фізика. Тому наступні тридцять років вона служила основою хіба що для спекулятивних міркувань.
Чи спостерігали порушення локальності експериментально? Чи є важливі відмінності між різними експериментами?
Експерименти за схемою Белла з'явилися практично відразу після його відкриття тапродовжуються досі, постійно вдосконалюючись. Усі ці експерименти свідчили на користь порушення локальності. Тобто є кореляції, які неможливо пояснити за допомогою прихованих локальних параметрів. Мета вдосконалення експериментів – усунення «дір». Наприклад, одна з таких «дір», яку донедавна не вдавалося перемогти, була втратою частки частинок дорогою до Аліси і Боба і при детектуванні. Якщо частки губляться, можна, граючи роль адвоката диявола, говорити, що природа створює ці втрати вибірково, що вони спотворюють статистику результатів і лише ілюзію нелокальності. Експеримент, у якому всі «дірки» було усунуто, з'явився лише кілька місяців тому. Це значне досягнення у сучасній фізиці.
Виходить, що частки обмінюються інформацією миттєво. Як це співвідноситьсяз посту атами СТО, що забороняють переміщення чогось зі швидкістю вищешвидкості світла?
Квантові порушення локальності це нелокальність у версії «лайт». Вона не така груба, якими могли б бути порушення локальності у «великому світі». Нелокальна дія відбувається не детерміністично (Аліса змахнула чарівною паличкою, і квантовий стан частинки Боба певним чином змінився), а як наслідок виміру, проведеного Алісою. Причому стан, отриманий Бобом, залежить від випадкового результату вимірювання Аліси. Поки Боб не знає, який результат отримала Аліса, жодної нової інформації він зі своєї частки не зможе отримати. Тому жодної миттєвої передачі на відстань немає.
У уявному експерименті Ейнштейна, Подільського і Розена, наприклад, нелокальність існує (Аліса може приготувати частинку Боба в одному з двох несумісних станів), алеінформація у своїй не передається. Адже і значення координати, і значення імпульсу, які може виміряти Боб, залишаються з його погляду випадковими навіть після виміру Аліси. Тільки після того, як він дізнається від Аліси результат її виміру, він зможе зробити висновок, що стан його частки змінився.
Є якісь приклади нелокальних теорій?
Квантова нелокальність існує тільки в рамках копенгагенської інтерпретації квантової механіки. Відповідно до неї, при вимірі квантового стану відбувається його колапс. Якщо ж брати за основу багатосвітову інтерпретацію, яка каже, що вимір стану лише поширює суперпозицію на спостерігача, то жодної нелокальності немає. Це лише ілюзія спостерігача, який «не знає», що він перейшов у заплутаний стан із часткою на протилежному кінці квантової лінії.
У яких ще фізичних теоріях діє принцип локальності?Чи локальна електродинаміка Максвелла?
Принцип локальності - універсальний принцип класичної фізики, яка включає і електродинаміку Максвелла. Лише в квантовій механіці мають місце його порушення, та й то у вигляді «лайт» - що деякі експериментально спостерігаються кореляції неможливо пояснити за допомогою прихованих локальних параметрів.
Чи потрібно якось долати квантову нелокальність? Як це нам допоможе?допоможе?
Оскільки нелокальність, як ми з'ясували, не призводить до катастрофічних наслідків наших уявлень про світ, «справлятися» з нею не потрібно. Однак роздуми про неї дають нам глибше розуміння суті квантової механіки. Крім того, квантова заплутаність, що дає початок нелокальності, є наріжним каменем квантових комп'ютерів та інших квантових технологій.