Приложение
Четыре взгляда на очень странный эксперимент

В 1978 году, вскоре после начала работы в Техасском университете, Джон Уилер предложил мысленный эксперимент, который, по его словам, «позволяет проникнуть в самую суть спора между Бором и Эйнштейном». Он предположил, что «этот эксперимент, возможно, расскажет нам о главном механизме Вселенной». Уилер назвал его «экспериментом с отложенным выбором» (рис. A.1).

Эксперимент существует в двух конфигурациях. Мы начнем с более простой – на рисунке слева (рис. П.1А). Лазерный пучок (то есть пучок фотонов) появляется из нижнего левого угла и попадает на светоделитель, который (как ясно из названия) расщепляет его на две равные части: одна из них отражается вверх, а другая проходит через светоделитель в правый нижний угол. Оба образовавшихся пучка попадают еще на одно зеркало, каждый на свое, и после отражения от них снова пересекаются. Затем каждый из пучков регистрируется приемником. Это все.

Рис. П.1. Эксперимент Уилера с отложенным выбором. А. Без второго светоделителя индивидуальный фотон попадает на любой из детекторов с вероятностью 50/50. Б. Со вторым светоделителем индивидуальный фотон будет интерферировать сам с собой; это гарантирует, что он никогда не попадет на детектор 2

Теперь рассмотрим тот же эксперимент, но «с изюминкой» (рис. П.1Б, справа). Установим второй светоделитель в верхнем правом углу, в точке, где два пучка пересекаются, прежде чем отправиться на свои приемники. Каждый из наших двух пучков тоже разделится на два: теперь половина каждого пучка пойдет направо, к приемнику 2, а половина – вверх, на приемник 1. Но этот светоделитель сконструирован по-особому: так, чтобы две объединенные половины пучка не вели себя одинаково в обоих направлениях. Те две половины пучка, которые идут вверх, полностью синхронизированы: их холмы и впадины согласованы друг с другом, усиливая объединенную волну. Это конструктивная, или усиливающая, интерференция, та самая, из-за которой появляются яркие полосы в эксперименте с двойной щелью из главы 5. А две половины пучков, направляющиеся направо, находятся в противофазе: максимумы одного точно совпадают с минимумами другого, и они полностью гасят друг друга. Это деструктивная, или ослабляющая, интерференция, ответственная за темные полосы в эксперименте с двойной щелью. В результате приемника 2 свет не достигает – оба пучка, направляющиеся к нему, деструктивно проинтерферировали друг с другом. А свет, попадающий на детектор 1, столь же ярок, как и исходный лазерный пучок, который поступил на первый светоделитель в нижнем левом углу установки.

Пока все нормально. Все, что мы описали, кроме лазера, пока укладывается в рамки классической физики. Попробуем теперь ввести в нашу картину кванты. Сделаем лазерный пучок очень слабым – настолько, насколько это вообще возможно, то есть будем в ходе нашего эксперимента посылать по одному фотону за раз. Пока у нас не появилось второго светоделителя в правом верхнем углу, ситуация остается довольно простой. Фотон регистрируется либо детектором 1, либо детектором 2, а мы, видя, на какой из приемников он пришел, можем сказать, какой из путей он выбрал внутри нашей установки. Если мы будем посылать таким образом много фотонов, по одному за раз, то на каждый из детекторов попадет примерно половина из них.

Однако, говорит Уилер, установка второго светоделителя все очень усложняет. Теперь фотон никогда не придет на детектор 2, так как он будет интерферировать с самим собой, совсем как в эксперименте с двойной щелью. Посылайте по одному столько фотонов, сколько хотите, – все они будут приходить только на детектор 1. Это, говорит Уилер, происходит потому, что каждый фотон выбирает оба пути сразу и интерферирует сам с собой, не давая самому себе прийти на приемник 2. Вводя в схему второй светоделитель, говорит Уилер, «мы делаем бессмысленной саму идею выбора одного из путей».

Все это не слишком отличается от эксперимента с двойной щелью – по сути, это и есть эксперимент с двойной щелью, только с немного отличающейся геометрией. И, как и в эксперименте с двойной щелью, подмывает сказать, что еще до того, как отправиться в путешествие через установку, фотон уже знает, введен ли в нее второй светоделитель. Если светоделитель только один, фотон проходит лишь по одному из путей, но если установлен и второй, фотон проходит оба пути сразу, чтобы он мог сам с собой проинтерферировать.

И тогда Уилер вводит в схему опыта еще одну особенность: задержку момента выбора. Между светоделителем и зеркалом в нижнем правом углу есть некоторый зазор (см. рис. П.1А). Давайте сделаем его побольше – скажем, в несколько километров. Тогда у фотона, летящего со скоростью света, уйдет с десяток микросекунд, чтобы добраться от светоделителя к приемникам. Это даст нам достаточно времени, чтобы при помощи компьютера ввести (или, наоборот, удалить) второй светоделитель уже после того, как фотон выйдет из первого. Другими словами, мы можем отложить выбор схемы, по которой проведем наш эксперимент, – рис. П.1А или рис. П.1Б – до момента, когда фотон уже окажется в пути через экспериментальную установку. Однако, если мы сделаем это, результат опыта не изменится. Когда второй светоделитель на месте, фотон никогда не придет на детектор 2. А когда второй светоделитель выведен из схемы, фотон придет на каждый детектор примерно в половине случаев.

Этот результат выглядит довольно странно, и все-таки он подтверждается реальными экспериментами. Все происходит именно так. Но как же может фотон «решить» отправиться только по одному пути уже после того, как он прошел через первый светоделитель? Этот очевидный парадокс можно усилить, увеличив расстояние, проходимое фотоном. В принципе нет ничего, что помешало бы выполнить этот эксперимент на установке размером со световой год или даже миллиарды световых лет. Все выглядит так, как будто фотон вдобавок к способности иногда находиться в двух местах сразу может еще и изменять свое прошлое – или будто это мы можем влиять на отдаленное прошлое своим выбором конфигурации экспериментальной установки. Уилер решительно присоединился к такой трактовке опыта. «Мы должны заключить, – написал он – что сам акт нашего измерения не только объяснил историю фотона на его пути к нам, но в некотором смысле и определил эту историю. Степень обоснованности прошлой истории Вселенной определяется измерениями, которые мы выполняем – сейчас!»

Но это лишь одна из точек зрения на наш эксперимент, вытекающая из уилеровской версии копенгагенской интерпретации. Что в конечном счете представляет собой измерение? И как оно происходит? Уилер никогда не входил в эти объяснения, он только настаивал, что измерение не имеет никакого отношения к сознанию или жизни. Вне этих пределов он только констатирует, что измерение «есть необратимый акт, в процессе которого неопределенность коллапсирует в определенность». «Измерение», «коллапс» – мы здесь на знакомой территории, и Уилер снова оказывается перед всегдашней необходимостью определить, что есть измерение и как оно происходит. Но именно этого-то он и не хочет делать. (Уилер также утверждает, что «сутью» квантовой физики, «как показывает эксперимент с отложенным выбором, является измерение». Правда, это высказывание не очень-то помогает определить, что именно является измерением.) Так вот, есть, конечно, и другие способы взглянуть на этот эксперимент – способы, значительно отличающиеся от расплывчатых и плохо согласующихся друг с другом идей Уилера. Рассмотрим три таких подхода.

Интерпретация с волной-пилотом: фотон попадает на светоделитель. Его волна-пилот расщепляется и следует по обоим путям, тогда как фотон выбирает только один из них (хотя мы не знаем, какой именно). Если второго светоделителя нет, волна-пилот достигает обоих приемников, приводя частицу с собой на один из них.

Если второй светоделитель на месте, то, пройдя через него, волна-пилот интерферирует с собой и не достигает детектора 2. Это не позволяет достичь детектора 2 и фотону, какой бы из путей он ни выбрал.

Не имеет значения, установлен второй светоделитель до или после того, как фотон проходит через первый, – важно только, находится ли второй светоделитель на месте в момент прихода волны-пилота.

Многомировая интерпретация: волновая функция фотона попадает на первый светоделитель, расщепляется и идет по обоим путям. Если второго светоделителя нет, волновая функция фотона попадает на оба приемника и запутывается с их волновыми функциями. Поскольку количество частиц, вовлеченных в эту гигантскую запутанную волновую функцию, огромно, декогеренция происходит очень быстро и волновая функция ветвится. В одной из ветвей фотон приходит на приемник 1, в другой – на приемник 2.

Если в установку введен второй светоделитель, пройдя через него, волновая функция фотона деструктивно интерферирует с собой; таким образом, она не достигает детектора 2. Следовательно, фотон попадает только на детектор 1, и мир не разветвляется.

Не имеет значения, установлен второй светоделитель до или после того, как фотон проходит через первый, – важно только, находится ли второй светоделитель на месте в момент прихода волновой функции.

Теория спонтанного коллапса: волновая функция фотона попадает на первый светоделитель, расщепляется и идет по обоим путям. Если второго светоделителя нет, волновая функция фотона попадает на оба приемника и запутывается с их волновыми функциями. Поскольку количество частиц, вовлеченных в эту гигантскую запутанную волновую функцию, огромно, одна из них наверняка почти мгновенно «сорвет джекпот» и вызовет коллапс, заставив фотон полностью случайно попасть на один или другой приемник.

Если в установку введен второй светоделитель, то, пройдя через него, волновая функция фотона деструктивно интерферирует с собой; поэтому фотон никогда не попадет на правый детектор.

Не имеет значения, установлен второй светоделитель до или после того, как фотон проходит через первый, – важно только, находится ли второй светоделитель на месте в момент прихода волновой функции.

Короче говоря, выводы, сделанные Уилером, в лучшем случае не являются обязательными. (В худшем же случае они логически противоречивы.) С приведенных точек зрения нельзя также считать этот эксперимент особенно странным – уж во всяком случае он не более странен, чем опыты Белла. Существуют варианты этого эксперимента, в некотором смысле объединяющие его с экспериментами Белла, но и эти опыты можно подобным же образом объяснить в рамках всех этих интерпретаций (правда, объяснения получаются довольно сложные).

И последнее замечание: хотя волны-пилоты нелокальны, в этом случае в рамках интерпретации на основе волны-пилота все полностью локально. Так что Уилер был отчасти прав – этот эксперимент действительно передает самую суть споров между Эйнштейном и Бором. Теоретически его можно объяснить с позиций локальности, но приверженцы копенгагенского подхода настаивают на его нелокальном объяснении!