Неопределенность и спин

Книга: Вселенная в зеркале заднего вида. Был ли Бог правшой? Или скрытая симметрия, антивещество и бозон Хиггса

Назад: Как сделать устройство для телепортации

Все электроны одинаково хороши, но это не значит, что любые два электрона всегда выглядят одинаково. Как мы уже видели, электроны и все другие частицы обладают врожденным свойством под названием спин. Простейшее устройство для телепортации вполне могло бы сводиться к определению, куда направлен спин электрона, и копированию этой информации на другой электрон на том конце комнаты. На первый взгляд все просто, правда?

А вот и нет.

Мы с вами играем уже в высшей лиге, поэтому пора раз и навсегда прояснить, какова природа квантовой механики. До сих пор у нас была возможность более или менее пренебрегать эффектами квантово-механического мира, однако я так и не сказал, что же это такое – квантовая механика. Ее можно свести к трем простым идеям.

1. Физические измерения могут привести лишь к определенному набору результатов. Это как бросать монетку: или орел, или решка, третьего не дано.

2. Во вселенной есть элемент случайности. Когда мы измеряем энергию, спин или положение электрона, то не можем уверенно сказать, что получим, пока не проделаем измерение. Мы можем лишь описывать вероятности.

3. Вероятности описываются волнами. Квантовая механика просто детально расписывает, как эти вероятности различных результатов меняются в пространстве и времени.

Следствия из этих правил весьма далеко идущие, и об одном из них вы, скорее всего, слышали. В 1927 году немецкий физик Вернер Гейзенберг выдвинул свой знаменитый принцип неопределенности. Гейзенберг обнаружил, что чем лучше знаешь, где находится электрон, тем меньше знаешь, куда он направляется, и наоборот. Кроме того, неопределенность предполагает, что уже сама попытка выяснить, чем занят электрон, может на него повлиять.

Например, можно получить электрон со случайным спином.

Из первой главы мы знаем, что если взять и измерить спин электрона при помощи набора магнитов, можно получить всего два результата: вверх или вниз. Только вот предсказать, какой именно, нельзя.

Случайность спина куда более фундаментальна, чем случайность брошенной монетки. Если бросишь монетку, хотя бы в принципе возможно рассчитать, как она упадет, орлом или решкой. Можно измерить скорость ветра, все силы, действующие на монетку, предсказать равновесие, определить упругость стола, куда она упадет, и т. д. Надо только собрать все-все данные, смоделировать ситуацию на компьютере – и можно будет каждый раз предсказывать результат броска. Мы считаем падение монетки случайным лишь потому, что ленимся проделать всю эту работу.

А когда речь идет о рандомизированном спине, даже сама вселенная не знает, как все повернется. Невозможно предсказать, вверх или вниз направлен спин электрона, поскольку он ни тот ни другой. Пока не измеришь, у электрона будут совершенно буквально оба спина – суперпозиция, как предпочитают говорить физики.

Физик П. А. М. Дирак, пожалуй, как никто другой поработал над тем, чтобы исследовать фундаментальные свойства спина. Вот что он писал:

Эта статистическая интерпретация в наши дни повсеместно считается лучшей возможной интерпретацией квантовой механики, хотя многих она огорчает. Все привыкли к детерминизму минувшего столетия, когда настоящее полностью определяет будущее, и им придется привыкать к другой ситуации, в которой настоящее дает о будущем всего лишь информацию статистической природы. Это очень многим неприятно… должен сказать, что и самому мне индетерминизм не очень нравится. Но я должен смириться с ним, поскольку это определенно лучшее, что мы можем сделать с нашими нынешними знаниями.

Как же этот индетерминизм проявляется на практике? Давайте снова попросим Алису помочь нам во имя науки. У Алисы есть электрон, который она хотела бы телепортировать приятелю. Однако не стоит забывать, что неподвижные электроны отличаются друг от друга только спином. Алисин электрон обладает спином на 80 % вверх и на 20 % вниз, но она этого пока не знает. Как Алисе вычислить это соотношение?

Измерение спина

Если речь идет о монетке, все просто. Подбросьте ее несметное множество раз, сосчитайте, сколько раз выпадет орел, и получите вероятность. Однако у квантового спина есть дополнительный слой сложности. Как только Алиса принимается за измерения, она меняет систему. В данном случае в 80 % измерений у нее получается, что спин направлен вверх. Однако, измеряя параметры электрона, Алиса его меняет. Как именно она его меняет, она не контролирует, но что меняет – это точно.

Итак, Алиса начинает работу с электроном, спин у которого направлен на 80 % вверх и на 20 % вниз, однако, если ее измерения показывают, что он направлен вверх, она конвертирует исходный электрон в электрон, спин у которого направлен на 100 % вверх. Физики называют это «коллапс волновой функции». Поскольку измерения Алисы могут дать лишь два варианта ответа – вверх или вниз – она никогда не получит ту смесь, какой обладал электрон изначально, а следовательно, у нее будет недостаточно информации, чтобы его телепортировать. То, что невозможно измерить систему, не изменив ее – общее правило. Вот как говорил об этом сам Гейзенберг:

Любой эксперимент разрушает часть знаний о системе, полученных в результате прошлых экспериментов.

А как вернуть эти знания? Оказывается, недостаток знаний не помешает нам телепортировать частицы. Просто нам надо разобраться, как распутать самые запутанные квантово-механические узлы.

Назад: Как сделать устройство для телепортации

Дальше: Запутанность