Используя простые теоретические модели, вы можете создавать системы, которые работают строго в соответствии с правилами классической физики и все же точно воспроизводят предсказания квантовой механики для отдельных частиц – даже самых парадоксальных! Итак, каков реальный признак кванта?
Мир квантов полон парадоксов, немыслимых для человеческого понимания и необъяснимых для классической физики. Этот тезис можно услышать почти всегда, когда речь идет о квантовой механике. Вот некоторые примеры общих явлений, которые обычно считаются квантовыми: один электрон генерирует интерференционные полосы за двумя отверстиями, как бы проходя между ними одновременно; частицы, которые одновременно находятся во многих разных состояниях, принимают определённое состояние только во время наблюдения; измерения без воздействия; стирание прошлого с помощью квантового ластика или, наконец, нелокальности, создавая впечатление, что запутанные частицы мгновенно взаимодействуют друг с другом на любом большом расстоянии. Но все ли эти явления обязательно должны быть чисто квантовыми?
В только что опубликованной статье, доктор Павел Блазяк из Института ядерной физики Польской академии наук (IFJ PAN) в Кракове показал, как построить оптические интерферометрические системы, которые точно воспроизводят наиболее странное квантовомеханическое предсказание по отношению к отдельным частицам из «кирпичиков» классической физики. Представленная модель помогает лучше понять, почему нужна квантовая механика и что действительно ново для окружающей нас реальности. Если квантовый эффект имеет простое классическое объяснение, его нельзя рассматривать как особый секрет. Публикация четко указывает границу, за которой необходима квантовая теория: реальная квантовая «магия» начинается только для многих частиц.
“Противоречия вокруг квантовой механики действительно много. Они настолько сильны, что даже сегодня, когда теории почти сто лет, большинство физиков предпочитают использовать ее просто, избегая неудобных вопросов об интерпретации”, – говорит д-р Павел Блазяк, и добавляет: “наши проблемы связаны с тем, что … мы были слишком решительным. Раньше мы сначала наблюдали определенные явления и переводили их, мы построили математический аппарат, основанный на хорошо установленных физических теориях. В случае квантовой механики произошло обратное: из всего лишь нескольких экспериментальных мыслей мы догадались о абстрактном математическом формализме, описывающем результаты измерений в лаборатории, но мы не имеем наименьшего представления о физической реальности”.
Ричард Фейнман, превосходный американский физик, был глубоко убежден, что феномен, который невозможно объяснить классической физикой, – это квантовая интерференция, ответственная, среди прочего, за полосы, видимые за двумя щелями, через которые проходит один квантовый объект. У Эрвина Шредингера, одного из основателей квантовой механики, был еще один фаворит: квантовая запутанность, которая могла дистанцировать атрибуты двух и более квантовых частиц на расстоянии. Большая группа физиков все еще задается вопросом, насколько эти неинтуитивные явления квантовой механики являются результатом наших когнитивных ограничений или способов, которыми мы изучаем мир. Это не природа, но наша нехватка полного знания системы приведет к тому, что наблюдаемые в ней явления возьмут на себя черты необъяснимой экзотики. Этот тип подхода представляет собой попытку взглянуть на квантовую механику как на теорию с четко определенной онтологией, что приводит к ответу на вопрос, что действительно отличает квантовую теорию от классических теорий.
В статье в журнале Physical Review A были продемонстрированы принципы построения моделей любых сложных оптических систем, построенных из рабочих элементов по принципам классической физики, дополнительно учитывая наличие некоторых локальных скрытых переменных, к которым экспериментатор имеет только косвенный доступ. Д-р Блазяк показал, что для отдельных частиц представленная модель точно воспроизводит все явления, которые обычно рассматриваются как очевидный знак кванта, включая коллапс волновой функции, квантовой интерференции или контекстуальности. Более того, классические аналоги этих явлений оказываются довольно простыми. Однако эта модель не может воспроизвести характерные черты квантового запутывания, наличие которого требует по крайней мере двух квантовых частиц. Это, по-видимому, указывает на то, что запутывание и связанная нелокальность могут быть более фундаментальным свойством квантового мира, чем квантовая интерференция.
“Такой подход позволяет избежать фатальной практики уклончивых ответов и размахивать руками в дискуссиях об основах и интерпретации квантовой механики. У нас есть инструменты для формулирования таких вопросов и их четкого решения. Разработанная модель направлена на то, чтобы показать, что онтологические модели с ограниченным доступом к информации имеют по крайней мере потенциал для объяснения большинства экзотических квантовых явлений в широко понимаемой классической физике. Реальный квантовый секрет был бы только квантовой запутанностью”, – объясняет д-р Блазяк.
Таким образом, квантовая запутанность попадает в самую суть квантовой механики, указывая на это «что-то», что заставляет отойти от классически понимаемой реальности и смещает границу тайны в сторону многопартийных явлений. Оказывается, квантовые эффекты для отдельных частиц могут быть успешно воспроизведены в классических (то есть локальных) онтологических моделях с ограниченным доступом к информации. Поэтому, если бы мы опустили многопартийные явления, мы могли бы фактически обойтись без квантовой механики и ее «призрачной» нелокальности. Описанная локальная модель, воспроизводящая квантовые явления для одной частицы, очень четко определяет границу, за которой заявления о нелокальности теряют свою силу.
Итак, Фейнман или Шредингер? Однако, похоже, Шредингер попал в самое сердце квантовой механики. Но тихим победителем может быть … Альберт Эйнштейн, который никогда не был доволен общепринятой интерпретацией квантовой механики.
«Вот почему исследования в области квантовой механики настолько увлекательны. Они варьируются от постоянно повторяющегося вопроса о природе нашей реальности к сущности реального кванта, которому обязано превосходство квантовых технологий над их классическими коллегами», – завершает доктор Бласяк с улыбкой.