Останній експеримент. Як 100 тис. добровольців спростували Ейнштейна
Головною науковою сенсацією травня стало повідомлення про результати The Big Bell Test (Великого тесту Белла, або скорочено БТБ) — найбільшого за кількістю задіяних людей фізичного експерименту за всю історію людства. Більше сотні фізиків у 12 лабораторіях, розташованих на різних континентах, з допомогою потужних лазерів, надпровідних магнітів, алгоритмів машинного навчання, онлайн-ігри і понад 100 тис. добровольців з усієї планети випробовували основи квантової механіки. БТБ був проведений 30 листопада 2016 р. Більше року пішло на обробку результатів. Про підсумки експерименту розповіла стаття, опублікована 9 травня в Nature — головному науковому журналі світу.
Значення БТБ виходить далеко за рамки власне фізики. Адже квантова механіка, створена в 1925-1926 рр., служить базисом не тільки всієї сучасної фізики, але і хімії, космології і навіть космології, а також ядерної енергетики та ряду інших прикладних галузей. Більш того, БТБ дозволив перевірити зв'язок між таємницями мікросвіту і загадками людської свідомості. Тому не будемо заглиблюватися в технічні подробиці експерименту, а розповімо про ту проблему, яку досліджували вчені, і про тих висновках, до яких вони прийшли.
Суть проблеми полягає в тому, що квантова механіка наскрізь парадоксальна. Вона стверджує, що мікрочастинки описуються так званими хвильовими функціями, що поширюються на весь простір і визначають ймовірність виявлення частинки в тому чи іншому місці. Причому в момент детектування частинки її хвильова функція миттєво змінюється у всьому просторі, схлопываясь в одну точку — ту, де частка виявлена. З критикою такого опису виступали багато фізики, але особливу завзятість проявив Альберт Ейнштейн. Хоч він і стояв біля витоків квантової теорії, але йому зовсім не подобалося ні імовірнісний опис поведінки частинок ("Бог не грає в кості!" — запевняв він), ні миттєве колапс хвильової функції.
У 1935 р. вийшла стаття Альберта Ейнштейна, Бориса Подольського і Натана Розена, в якій був запропонований уявний експеримент, згодом названий ЕПР-парадоксом (за першими літерами прізвищ трьох співавторів). Згідно квантовій механіці в деяких випадках дві однакові частинки виявляються заплутаними (наприклад, якщо вони народжуються в результаті розпаду якоїсь частинки). Такі частинки мають загальну хвильову функцію, одну на двох. ЕПР-парадокс полягає в тому, що якщо виміряти стан однієї частинки ЕПР-пари, то тим самим (в результаті різкого зменшення їх загальної хвильової функції) миттєво визначиться стан її напарниці, навіть якщо ці дві частинки встигли розлетітися на гігантські відстані.
Ейнштейн розраховував, що ця стаття стане убивчим аргументом проти квантової механіки, який підірве її в самих основах. Насправді ж ЕПР-парадокс зіграв зовсім іншу роль: він породив такі сучасні технології, як квантова телепортація, квантова криптографія та квантові комп'ютери. Всі вони використовують заплутані частинки.
Поштовх дослідженням в цій сфері дав ще один непримиренний критик квантової механіки — Джон Стюарт Белл. Він припустив, що дивацтва квантової механіки, включаючи ЕПР парадокс можна пояснити, ввівши якісь приховані параметри, тобто якийсь внутрішній механізм, який диктує мікрочастинок їх непередбачувану поведінку. У 1964 р. Белл довів теорему про те, що можна провести такий серійний експеримент з ЕПР-парами, статистичні результати якого або підтвердять, або спростують наявність прихованих параметрів. Згідно з цією теоремою, щоб приховані параметри існували, повинні виконуватися так звані нерівності Белла. Після виходу статті Белла постало питання про експериментальній перевірці цих нерівностей. Але для цього потрібно було навчитися маніпулювати з ЕПР-парами. Так наполегливі сумніви Ейнштейна і Белла, бажали спростувати квантову механіку, викликали до життя нову сферу науки і технологій — квантову інформатику.
Починаючи з 1970-х років було проведено безліч експериментів, які показали, що нерівності Белла порушуються, а значить, прихованих параметрів не існує. Однак у критиків квантової механіки залишалося заперечення до методики цих тестів. Щоб перевірити нерівності Белла, необхідно зібрати досить велику статистику, тобто поставити безліч дослідів, випадковим чином змінюючи схему експерименту від досвіду до досвіду (наприклад, варіюючи довжину шляху, по якому проходять заплутані частинки). Сумніви викликає те, чи дійсно схема експерименту змінюється по-справжньому випадково. Зазвичай, щоб варіювати вхідні дані, використовують квантові генератори випадкових чисел. Про те, що вони генерують числа випадковим чином, стверджує квантова механіка, але це якраз та теорія, яку ми хочемо перевірити. Виходить порочне коло в доказі: теорія перевіряється з допомогою самої себе.
Щоб вийти з цього порочного кола, і був придуманий Великий тест Белла. У цьому експерименті в якості генератора випадкових чисел виступили люди. Для БТБ фізики розробили браузерну гру, в якій потрібно отримати як можна більш довгу випадкову послідовність нулів і одиниць. Широке висвітлення у ЗМІ та використання соціальних мереж дозволило вченим залучити так багато уваги, що число гравців перевищила 100 тис. Більше того, оскільки в гру грали люди у всіх часових поясах, потік чисел залишався практично постійним протягом доби. Він вирушав у 12 лабораторій в Північній і Південній Америці, Європі, Азії та Австралії для перевірки нерівностей Белла. Всі лабораторії підтвердили порушення нерівностей Белла і, стало бути, відсутність прихованих параметрів.
Однак не варто ставитися до БТБ лише як до ще одного підтвердження основ квантової механіки. Справа дещо серйозніше. Раніше скептики могли стверджувати, що випадковість в мікросвіті тільки удавана і насправді все в експериментах визначено, включаючи і поведінку частинок, та показання вимірювальних приладів і роботу генераторів випадкових чисел. Але коли генератори замінені людьми, у скептиків залишається тільки один вихід: оголосити, що і поведінка людей теж повністю визначено.
Іншими словами, світ не можна розбити на дві складові: матерію, в поведінці якої немає нічого випадкового, і свідомість, що володіє свободою волі. Можливі два варіанти: або ж поведінка свідомості, як і матерії, повністю визначено, і тоді ніякої свободи волі не існує, або ж поведінка матерії і свідомості, має неискоренимый елемент випадковості. У будь-якому випадку грань між матерією і свідомістю виявляється примарною.
Зоряний світло і найголовніша квантова таємниця
У 2016 р. був проведений ще один експеримент з перевірки нерівностей Белла без застосування квантових генераторів випадкових чисел. Група фізиків з Австрії, США, Німеччини і Китаю використовувала для генерування випадкових умов світло зірок і підтвердила, що нерівності Белла все одно порушуються. Про своїй роботі вчені повідомили 21 листопада 2016 р. в препринте, а потім — в статті, опублікованій 7 лютого 2017 р. в Physical Review Letters.
З допомогою пари телескопів вчені фіксували колір фотонів, літак від двох різних зірок (згідно сучасним знанням розподіл фотонів за кольорами вздовж одного напрямку можна розглядати як випадкове). Вибрані зірки знаходяться на відстані близько 600 і 1900 світлових років від Землі в різних напрямках від спостерігача. У відповідності з принципом причинності приховані змінні в такому експерименті могли виникнути не раніше ніж 600 років тому, а подія, яка могла забезпечити подібні кореляції, повинно було відбутися понад 2 тис. років тому.
Звичайно, якась кореляція між подіями на двох далеких один від одного зірок здається неймовірною, тим не менше повністю виключати її не можна. Тому автор експерименту з використанням світла зірок, професор Массачусетського технологічного інституту Девід Кайзер, привітав результати The Big Bell Test, де для генерування випадкових чисел були використані люди. Кайзер вказує: якщо вважати, що свободи волі не існує, то ми повинні визнати наявність якоїсь невидимої сили, яка впливає як на поведінку багатьох тисяч учасників онлайн-ігри, так і на результати вимірювань різних частинок в різних лабораторіях, розкиданих по всьому світу. "Прикидаючи шанси, я віддаю перевагу квантової механіки", — підсумовує вчений.
