Последний эксперимент. Как 100 тыс. добровольцев опровергли Эйнштейна
Главной научной сенсацией мая стало сообщение о результатах The Big Bell Test (Большого теста Белла, или сокращенно БТБ) — самого крупного по числу задействованных людей физического эксперимента за всю историю человечества. Более сотни физиков в 12 лабораториях, расположенных на разных континентах, с помощью мощных лазеров, сверхпроводящих магнитов, алгоритмов машинного обучения, онлайн-игры и свыше 100 тыс. добровольцев со всей планеты подвергали испытанию основы квантовой механики. БТБ был проведен 30 ноября 2016 г. Более года ушло на обработку результатов. Об итогах эксперимента рассказала статья, опубликованная 9 мая в Nature — главном научном журнале мира.
Значение БТБ выходит далеко за рамки собственно физики. Ведь квантовая механика, созданная в 1925–1926 гг., служит базисом не только всей современной физики, но и химии, астрофизики и даже космологии, а также ядерной энергетики и ряда других прикладных отраслей. Более того, БТБ позволил проверить связь между тайнами микромира и загадками человеческого сознания. Поэтому не будем сильно углубляться в технические подробности эксперимента, а расскажем о той проблеме, которую исследовали ученые, и о тех выводах, к которым они пришли.
Суть проблемы заключается в том, что квантовая механика насквозь парадоксальна. Она утверждает, что микрочастицы описываются так называемыми волновыми функциями, распространяющимися на все пространство и определяющими вероятность обнаружения частицы в том или ином месте. Причем в момент детектирования частицы ее волновая функция мгновенно изменяется во всем пространстве, схлопываясь в одну точку — ту, где частица обнаружена. С критикой такого описания выступали многие физики, но особое упорство проявил Альберт Эйнштейн. Хоть он и стоял у истоков квантовой теории, но ему совершенно не нравилось ни вероятностное описание поведения частиц ("Бог не играет в кости!" — уверял он), ни мгновенное схлопывание волновой функции.
В 1935 г. вышла статья Альберта Эйнштейна, Бориса Подольского и Натана Розена, в которой был предложен мысленный эксперимент, впоследствии названный ЭПР-парадоксом (по первым буквам фамилий трех соавторов). Согласно квантовой механике в некоторых случаях две одинаковые частицы оказываются запутанными (например, если они рождаются в результате распада какой-то частицы). Такие частицы имеют общую волновую функцию, одну на двоих. ЭПР-парадокс заключается в том, что если измерить состояние одной частицы ЭПР-пары, то тем самым (в результате схлопывания их общей волновой функции) мгновенно определится состояние ее напарницы, даже если эти две частицы успели разлететься на гигантские расстояния.
Эйнштейн рассчитывал, что эта статья станет убийственным аргументом против квантовой механики, который подорвет ее в самых основах. На самом же деле ЭПР-парадокс сыграл совершенно другую роль: он породил такие современные технологии, как квантовая телепортация, квантовая криптография и квантовые компьютеры. Все они используют запутанные частицы.
Толчок исследованиям в этой сфере дал еще один непримиримый критик квантовой механики — Джон Стюарт Белл. Он предположил, что странности квантовой механики, включая ЭПР-парадокс, можно объяснить, введя некие скрытые параметры, то есть какой-то внутренний механизм, диктующий микрочастицам их непредсказуемое поведение. В 1964 г. Белл доказал теорему о том, что можно провести такой серийный эксперимент с ЭПР-парами, статистические результаты которого либо подтвердят, либо опровергнут наличие скрытых параметров. Согласно этой теореме, чтобы скрытые параметры существовали, должны выполняться так называемые неравенства Белла. После выхода статьи Белла встал вопрос об экспериментальной проверке этих неравенств. Но для этого нужно было научиться манипулировать с ЭПР-парами. Так упорные сомнения Эйнштейна и Белла, желавших опровергнуть квантовую механику, вызвали к жизни новую сферу науки и технологий — квантовую информатику.
Начиная с 1970-х годов было проведено множество экспериментов, которые показали, что неравенства Белла нарушаются, а значит, скрытых параметров не существует. Однако у критиков квантовой механики оставалось возражение к методике этих тестов. Чтобы проверить неравенства Белла, необходимо собрать достаточно большую статистику, то есть поставить множество опытов, случайным образом изменяя схему эксперимента от опыта к опыту (например, варьируя длину пути, по которому проходят запутанные частицы). Сомнения вызывает то, действительно ли схема эксперимента меняется по-настоящему случайно. Обычно, чтобы варьировать входные данные, используют квантовые генераторы случайных чисел. О том, что они генерируют числа случайным образом, утверждает квантовая механика, но это как раз та теория, которую мы хотим проверить. Получается порочный круг в доказательстве: теория проверяется с помощью самой себя.
Чтобы выйти из этого порочного круга, и был придуман Большой тест Белла. В этом эксперименте в качестве генератора случайных чисел выступили люди. Для БТБ физики разработали браузерную игру, в которой требовалось получить как можно более длинную случайную последовательность нолей и единиц. Широкое освещение в СМИ и использование социальных сетей позволило ученым привлечь так много внимания, что число игроков превысило 100 тыс. Более того, поскольку в игру играли люди во всех часовых поясах, поток чисел оставался практически постоянным в течение суток. Он отправлялся в 12 лабораторий в Северной и Южной Америке, Европе, Азии и Австралии для проверки неравенств Белла. Все лаборатории подтвердили нарушение неравенств Белла и, стало быть, отсутствие скрытых параметров.
Однако не стоит относиться к БТБ лишь как к еще одному подтверждению основ квантовой механики. Дело несколько серьезнее. Раньше скептики могли утверждать, что случайность в микромире только кажущаяся и на самом деле все в экспериментах предопределено, включая и поведение частиц, и показания измерительных приборов, и работу генераторов случайных чисел. Но когда генераторы заменены людьми, у скептиков остается только один выход: объявить, что и поведение людей тоже полностью предопределено.
Иными словами, мир нельзя разбить на две составляющие: материю, в поведении которой нет ничего случайного, и сознание, обладающее свободой воли. Возможны два варианта: или же поведение сознания, как и материи, полностью предопределено, и тогда никакой свободы воли не существует, или же поведение материи, как и сознания, имеет неискоренимый элемент случайности. В любом случае грань между материей и сознанием оказывается призрачной.
Звездный свет и самая главная квантовая тайна
В 2016 г. был проведен еще один эксперимент по проверке неравенств Белла без применения квантовых генераторов случайных чисел. Группа физиков из Австрии, США, Германии и Китая использовала для генерирования случайных условий свет звезд и подтвердила, что неравенства Белла все равно нарушаются. О своей работе ученые сообщили 21 ноября 2016 г. в препринте, а затем — в статье, опубликованной 7 февраля 2017 г. в Physical Review Letters.
С помощью пары телескопов ученые фиксировали цвет фотонов, прилетавших от двух различных звезд (согласно современным знаниям распределение фотонов по цветам вдоль одного направления можно рассматривать как случайное). Выбранные звезды находятся на расстоянии около 600 и 1900 световых лет от Земли в разных направлениях от наблюдателя. В соответствии с принципом причинности скрытые переменные в таком эксперименте могли возникнуть не раньше чем 600 лет назад, а событие, которое могло обеспечить подобные корреляции, должно было произойти более 2 тыс. лет назад.
Конечно, какая-либо корреляция между событиями на двух далеких друг от друга звездах кажется невероятной, тем не менее полностью исключать ее нельзя. Поэтому автор эксперимента с использованием света звезд, профессор Массачусетского технологического института Дэвид Кайзер, приветствовал результаты The Big Bell Test, где для генерирования случайных чисел были использованы люди. Кайзер указывает: если считать, что свободы воли не существует, то мы должны признать наличие некой невидимой силы, которая влияет как на поведение многих тысяч участников онлайн-игры, так и на результаты измерений различных частиц в различных лабораториях, разбросанных по всему миру. "Прикидывая шансы, я отдаю предпочтение квантовой механике", — заключает ученый.
