Материализм и квантовый ластик с отложенным выбором

С автором этого текста (и видеоролика, ставшего поводом к его написанию) Полом Кокшоттом наши читатели уже знакомы. В частности, недавно мы публиковали интервью с ним. В этой заметке речь пойдёт не об устройстве человеческого общества, а о квантовой механике, точнее, об одной из самых распространённых её интерпретаций, копенгагенской.

Я создаю видеоролики, в которых объясняю, что такое материализм. Большинство из них было принято без споров, но последний, как и следовало ожидать, вызвал ряд критических замечаний. Тема этого видеоролика — материализм и квантовые эффекты.

Я приводил доводы в пользу того, что доминирующая копенгагенская интерпретация квантовой механики (КМ) просто-напросто воспроизводит инструменталистские предрассудки физиков начала ХХ века. Утверждать, будто электрон или фотон не занимает в пространстве никакого места до тех пор, пока не проведена процедура измерения, значит использовать аксиому инструментализма, согласно которой наука описывает отношения между субъективно воспринятыми чувственными данными, или, выражаясь несколько шире, восприятие отношений между показаниями инструмента.

Применительно к КМ мы получаем представление о том, что в эксперименте с двумя щелями частицы не имеют никакой позиции, пока за ними не установлено наблюдение. Сразу же возникает вопрос: а что же следует считать наблюдением? Исходя из философских соображений и термина «наблюдатель», резонно утверждать, что наблюдатели — это люди. Но в реальных физических экспериментах «наблюдения» выполняются машинами или такими вещами, как фотоплёнка. Когда фотон попадает на ПЗС-детектор и регистрируется, считать ли это наблюдением?

Все эксперименты, осуществляемые для подтверждения копенгагенской интерпретации, фактически опираются на «наблюдения» или записи, производимые такого рода неодушевлёнными устройствами, поэтому в данных условиях коллизии, порождаемые наблюдателями-людьми, не могут оказывать влияние на КМ. Настаивая на том, что ПЗС-камера записывает какие-то данные только тогда, когда человек наблюдает их на её дисплее, мы впали бы в берклианский субъективизм, согласно которому вещи перестают существовать, как только мы прекращаем на них смотреть. Это абсурд, и он ни в коей мере не может служить опорой для научных исследований. Если же взамен предположить, как это делают копенгагенцы, что имеет место «разрушающее волновую функцию» взаимодействие с макроскопическими объектами, тогда неизбежно возникают две проблемы:

1. Насколько большим должен быть предмет, чтобы считаться макроскопическим? Объективно детерминированного масштаба, соответствие которому заставляет рассматривать предмет как макроскопический, похоже, нет, поэтому я пока не буду углубляться в эту проблему.
2. Откуда известно, что до обнаружения наблюдателем фотон не занимал никакой позиции? Данные, полученные в ходе эксперимента, позволяют утверждать лишь то, что частицу обнаружили в определённом месте, и нет никаких оснований предполагать, будто она не занимала ряд определённых позиций вдоль всей траектории своего движения.

В конце концов, такое предположение — не более чем философская гипотеза, тогда как многие годы существует развитая теория квантового движения [2,1], согласно которой всякая частица движется не иначе как по определённой траектории. Это — теория Бома (David Joseph Bohm), или теория волны-пилота. С 50-х годов ХХ века она конкурирует с копенгагенской. Поэтому, когда кто-то утверждает, что, пока частица не обнаружена, у неё нет позиции, он вольно или невольно выступает против механики Бома.

Ластик с отложенным выбором

Считается, однако, что эксперименты под названием «ластик с отложенным выбором» можно объяснить только в рамках копенгагенской интерпретации КМ. На самом же деле, их результаты ни в коей мере не являются доказательством истинности копенгагенской теории, и данный пост я посвятил тому, чтобы продемонстрировать это. Сначала я проведу анализ базовой оптической установки (Рис. 1), а затем рассмотрю её варианты, в том числе и тот, что используется в экспериментах «ластик с отложенным выбором».

Посмотрим на Рис. 1. Линии обозначают доступные для света прямые пути. Показано четыре оптических сплиттера (ими могут быть зеркала с половинным серебрением, которые половину падающего на них света отражают, а другую пропускают). Цифрами отмечены пять позиций (0,1,2,3,4). Все световые пути, возможные в данном устройстве, указаны в таблице. Важно понять, что свет, начинающий или заканчивающий своё движение в позициях 1 и 2, может проходить как через щель A, так и через щель B. С позициями 3 и 4 дело обстоит иначе: свет, начинающий или заканчивающий движение в позиции 3 (4), может проходить только через щель A (В).

Теперь рассмотрим установку, изображённую на Рис. 2. Здесь свет испускают источники S₁, S₂, S₃ и S₄. В зависимости от того, какой источник включён, детектор либо фиксирует интерференционную картину (включён S₁ или S₂), либо нет (включён S₃ или S₄).

Всё это можно проверить экспериментально. Результат будет соответствовать и законам классической волновой оптики, и законам квантовой теории — такой как механика Копенгагена или Бома. Здесь нет ничего особенного.

Теперь рассмотрим Рис. 3, на котором представлена идеальная модель эксперимента «ластик с отложенным выбором». Прежде всего, следует отметить, что конфигурация оптических путей не изменилась. Вот только щели должны быть заполнены неким легированным стеклом. Лазер накачки приводит атомы стекла в возбуждённое состояние, выходя из которого они излучают пару запутанных фотонов. Закон сохранения импульса заставляет фотоны лететь в противоположных направлениях. Детекторы занимают позиции 0, 1, 2, 3 и 4. Детектор D₀ может быть соединён с любым из других детекторов (D₁, D₂, D₃, D₄) через счётчики совпадений. Согласно гипотезе разработчиков данного эксперимента, когда D₀ соединён с D₁ или D₂, сканирование D₀ в плоскости X приведёт к тому, что счётчики совпадений покажут наличие интерференции, а когда D₀ соединён с D₃ или D₄, этого не произойдёт.

Ясно, что в экспериментальную установку нужно ввести элемент, создающий задержку связи между D₀ и счётчиком, чтобы фотоны сначала попадали в D₀. В качестве альтернативы можно с высокой точностью записывать, когда каждый из детекторов сгенерировал импульс, и проводить посткорреляционный анализ, используя соответствующие лаги, чтобы отфильтровывать незапутанные фотоны.

В [3] сказано, что гипотеза подтвердилась, узоры интерференционного совпадения были зафиксированы только при корреляции D₀ с D₁ и D₂.

Согласно копенгагенской интерпретации этого результата, всё дело в том, что, услышав щелчки в D₃ или D₄, мы знаем, каким путём двигались фотоны. В случае D₃ они прошли через щель A, а в случае D₄ — через щель B. Именно наше знание о том, через какую щель шли фотоны, препятствует появлению интерференционной картины при скоррелированных по времени щелчках D₀. Попахивает жуткой мистикой: поскольку T₃ > T₂, знание, получаемое нами позже, чем срабатывает D₀, по-видимому, влияет на то, как он срабатывает.

Обсуждение

Прежде всего, следует отметить, что законы оптики симметричны относительно обращения времени. То есть, в четырёхмерном пространстве-времени при инверсии оси времени оптический путь не теряет своих свойств. Симметричность относительно обращения времени имеет место как в классической теории электромагнетизма, так и в теории волны-пилота.

Из этого следует, что нет ничего пугающего в том, что в D₁ или D₂ обнаружение фотонов постфактум генерирует интерференционные полосы по совпадению, а в D₃ или D₄ не генерирует. Посмотрите на диаграмму пространства-времени на Рис. 3. Мы показали путь от щели до S₁ при инвертированном времени, соответствующий пути от щели до D₁ при времени, идущем вперёд. Посредством накачки лазером и запутанного излучения фотонов путь пространства-времени, изображённый на Рис. 2, повернувшись на 90 градусов, превратился в путь пространства-времени, изображённый на Рис. 3. Фотон, испускаемый к D₀, неотличим от фотона, испускаемого соответствующим источником на Рис. 2. При анализе предыдущего эксперимента было легко убедиться, что только излучение, идущее от S₁ и S₂, может порождать интерференцию. Для проверки нужно выборочно включать отдельные источники. В эксперименте под названием «ластик» соответствующие сопряжённые пути выбирает детектор совпадений. Тот факт, что в первом из этих экспериментов событие в S_i происходит раньше события в D₀, тогда как во втором эксперименте всё наоборот, не имеет значения. От законов оптики требуется лишь наложить на пространство-время симметричные ограничения.

На Рис. 3 показана левая часть зеркала пространственно-временной диаграммы. Симметрия должна позволить нам построить такую конфигурацию, где обе стороны диаграммы пространства-времени являются зеркальными отображениями. Рассмотрим Рис. 4. Здесь вместо детекторов предыдущего рисунка фигурируют источники света, а вместо лазера накачки — детектор, настроенный на длину волны фотонов с двойной энергией. Источники следует расположить с таким расчётом, чтобы источник S₀ и выбираемый источник (S₁, S₂, S₃ или S₄) излучали соответствующим образом запутанные фотоны. При этом длины оптических путей нужно подобрать так, чтобы фотоны слева и справа попадали в щель A или B в одно и то же время. Одновременно оказавшись в щели, они, как и при двухфотонной конфокальной микроскопии, будут стимулировать излучение фотонов с двойной энергией, часть из которых окажется зафиксированной детектором. При сканировании S₀ в направлении X мы в силу временно́й симметрии аргумента будем наблюдать флуктуации уровня поступления фотонов, когда оптические пути настроены так, что запутанные фотоны поступают в детектор через S₀ и S₁ или S₂, и отсутствие флуктуаций, когда запутанные фотоны поступают через S₀ и S₃ или S₄.

Заключение

Явления, наблюдаемые в эксперименте «квантовый ластик с отложенным выбором», — необходимое следствие любых квантованных законов оптики, симметричных относительно обращения времени. Для проведения этого эксперимента существует, как было показано, семейство установок с частичным или полным обращением по времени оптических путей. Ластик с отложенным выбором можно по симметрии считать усовершенствованным ластиком. Рассмотренные нами эксперименты ни в коей мере не являются доказательством превосходства копенгагенской интерпретации КМ при сравнении с другими вариантами симметричной оптики, подобными теории волны-пилота.

Обратите внимание, что приведённые мною аргументы в значительной степени навеяны рассуждениями на данную тему, которые представлены в книге Ха Прайса (Huw Price) Time’s Arrow, Archimedes Point.

Литература

[1] Jean Bricmont. Making sense of quantum mechanics, volume 37. Springer, 2016.
[2] Peter R Holland. The quantum theory of motion: an account of the de Broglie-Bohm causal interpretation of quantum mechanics. Cambridge university press, 1995.
[3] Yoon-Ho Kim, Rong Yu, Sergei P Kulik, Yanhua Shih, and Marlan O Scully. Delayed “choice” quantum eraser. Physical Review Letters, 84(1):1, 2000.