Используя простые теоретические модели, можно 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! Это поднимает фундаментальный вопрос: каков же реальный, уникальный признак квантового мира?
Парадоксы, которые, возможно, не так уж квантовы
Мир квантовой механики часто описывается как полный парадоксов, необъяснимых с точки зрения классической физики и немыслимых для человеческого понимания. К числу таких явлений традиционно относят интерференцию одиночного электрона на двух щелях, суперпозицию состояний, коллапс волновой функции при измерении, квантовое стирание и, конечно, нелокальную запутанность частиц. Однако новое исследование ставит под сомнение обязательную «квантовость» многих из этих феноменов.
Классическая модель квантовых явлений
В недавней публикации доктор Павел Блазяк из Института ядерной физики Польской академии наук продемонстрировал, как можно построить оптические интерферометрические системы из классических «кирпичиков», которые точно воспроизводят самые странные предсказания квантовой механики для одиночных частиц. Эта модель помогает четче понять, где на самом деле проходит граница, требующая квантового описания. Если эффект имеет простое классическое объяснение, его нельзя считать особым секретом квантового мира. Публикация ясно указывает: настоящая квантовая «магия» начинается только при переходе к системам из многих частиц.
Проблема интерпретации и поиск онтологии
«Противоречия вокруг интерпретации квантовой механики настолько сильны, что даже сегодня, спустя почти сто лет после создания теории, большинство физиков предпочитают просто использовать ее математический аппарат, избегая неудобных вопросов о лежащей в основе физической реальности», — отмечает доктор Блазяк. Он добавляет, что проблема коренится в необычном пути развития теории: в отличие от других областей физики, абстрактный математический формализм квантовой механики был угадан на основе немногих мысленных экспериментов, в то время как понимание физической сущности описываемых процессов до сих пор остается предметом дискуссий.
Исторически разные физики выделяли разные явления как сущностно квантовые. Ричард Фейнман считал таким явлением квантовую интерференцию, ответственную, например, за полосы за двумя щелями. Эрвин Шредингер делал акцент на квантовой запутанности. Новое исследование предлагает инструмент для четкого ответа на вопрос, что же на самом деле отличает квантовую теорию от классических.
Граница магии: от одной частицы ко многим
В статье, опубликованной в журнале Physical Review A, описаны принципы построения моделей сложных оптических систем из элементов, подчиняющихся классической физике, с учетом так называемых локальных скрытых переменных, к которым у экспериментатора есть лишь косвенный доступ. Доктор Блазяк показал, что для одиночных частиц такая модель может точно воспроизвести все явления, обычно считающиеся явными признаками квантовости: коллапс волновой функции, интерференцию, контекстуальность. Классические аналоги этих явлений оказываются довольно простыми.
Однако ключевое ограничение модели в том, что она не может воспроизвести квантовую запутанность, для проявления которой требуется как минимум две частицы. Это указывает на то, что запутанность и связанная с ней нелокальность могут быть более фундаментальным и уникальным свойством квантового мира, чем интерференция.
Сущность квантового секрета
«Такой подход позволяет избежать уклончивых ответов в дискуссиях об основах квантовой механики. У нас появляются инструменты для четкой постановки вопросов и их решения, — объясняет доктор Блазяк. — Разработанная модель демонстрирует, что онтологические модели с ограниченным доступом к информации потенциально способны объяснить большинство экзотических квантовых явлений в рамках классической физики. Подлинным квантовым секретом, судя по всему, является только запутанность».
Таким образом, квантовая запутанность попадает в самую суть механики, указывая на то «нечто», что заставляет нас отойти от классически понимаемой реальности. Граница тайны смещается в сторону многочастичных явлений. Оказывается, эффекты для одиночных частиц могут быть успешно воспроизведены в локальных классических моделях. Если бы мы пренебрегли многочастичными явлениями, мы могли бы, по сути, обойтись без квантовой механики и ее «призрачного» действия на расстоянии. Представленная модель четко очерчивает границу, за которой аргументы о нелокальности теряют силу.
Кто был прав?
Итак, Фейнман или Шредингер? Новые результаты свидетельствуют в пользу Шредингера, видевшего сердце квантовой механики в запутанности. Но тихим победителем в этом споре может оказаться Альберт Эйнштейн, который никогда не был удовлетворен общепринятой вероятностной интерпретацией квантовой теории и настаивал на поиске более полного описания реальности.
«Именно поэтому исследования основ квантовой механики так увлекательны. Они простираются от вечных вопросов о природе реальности до сугубо практической сущности того квантового преимущества, которое лежит в основе современных технологий», — заключает доктор Блазяк.