Майбутнє може впливати на минуле: таємниці квантів

Принцип причинності в найпростішому формулюванні свідчить, що подія в минулому може вплинути на подію в майбутньому. Однак деякі фізики вважають, що в квантовому світі майбутнє може впливати на минуле.

Група фізиків під керівництвом президента Ізраїльського фонду фундаментальних досліджень Якіра Ааронова опублікувала в інтернеті препринт статті під інтригуючим заголовком «Can a Future Choice Affect a Past Measurement's Outcome?». Автори стверджують, що стан квантової системи в даний момент часу впливає на стан цієї системи в минулому, з чого випливає, що на квантовому рівні закон причинності діє як в прямому напрямку від минулого до майбутнього, так і в зворотному!

Ефект Ааронова-Бома

Помістимо по один бік від екрану з двома паралельними щелями джерело моноенергетичних електронів, а по інший бік встановимо детектор, який буде реєструвати періодичні коливання щільності електронів, викликані їх інтерференцією.

Ускладнимо досвід - між екраном і детектором паралельно щілинам помістимо довгий тонкий соленоїд з струмом. Магнітне поле замкнуто всередині соленоїда, назовні воно не проникає. Здавалося б, електрони не можуть ніяк його відчути, адже на їх шляху від щілин до детектора його напруженість дорівнює нулю. Однак Ааронов і Бом показали, що при включенні струму інтерференційні смуги зсуваються, що і підтвердив Чамберс. Вся справа в тому, що на різність фаз хвильових функцій електронів, що приходять до детектора від обох щілин, впливає векторний потенціал електромагнітного поля, а ось він поза соленоїдом відмінний від нуля. Тобто електрони відчувають присутність електромагнітного поля навіть тоді, коли його не здатний виявити ні єдиний класичний прилад!

Слабкі й сильні

Нова робота заснована на затвердженні Ааронова і його однодумців, що квантовій системі відповідає не одна, як у стандартній версії, а пара хвильових функцій. Одна з них описує еволюцію системи в прямому напрямку по стрілі часу, інша - в протилежному. Вимірювання, проведене зараз, змінює значення цієї функції в минулому, що можна виявити попередніми вимірами. Однак їх необхідно вести, майже не обурюючи стану системи (скажімо, використовуючи дуже слабкі магнітні поля, якщо мова йде про орієнтацію спину електронів).

Але головне полягає в тому, що кожен з результатів цих слабких вимірювань буде малоінформативний і практичної користі не принесе. А ось якщо провести безліч таких вимірювань, помилки скомпенсують один одного і в сухому залишку виявиться реальна інформація. Однак розшифрувати її можна лише після виконання нормального, сильного виміру (яке, якщо повернутися наприклад з електронними спинами, однозначно визначить проекцію спину на напрямок магнітного поля).

А як іде справа з причинністю, якщо скоро в заключному досвіді цей напрямок можна вибрати довільно? Справа в тому, що такий вибір позначиться на результатах сильного виміру, і, відповідно, на результатах дешифрування слабких вимірювань. Квантова частинка на шляху від слабкого виміру до сильного перебуває в суперпозиції різних станів, один з яких несе відбиток проведеного слабкого виміру, а другий буде виявлено в сильному вимірі. Отримані у фіналі дані вплинуть на інформацію, яку можна отримати з попередньої роботи. Таким чином, причинність все ж зберігається, хоча і в більш обмеженому сенсі, ніж у стандартній версії квантової механіки.

Складний квантовий світ

Ааронов і його колега по Тель-Авівському університету Лев Вайдман оприлюднили теорію слабких квантових вимірювань у 1988 році. Вона довгий час вважалася суто формальною конструкцією, проте в останні роки її з успіхом використовували в низці лабораторій. Так, у 2007 році американські фізики зареєстрували нікчемну різницю в кутах заломлення світлових пучків різної поляризації (оптичний спиновий ефект Холла), що входять з повітря в скло. Ще через два роки інші дослідники цим же методом виміряли поворот плоского дзеркала на 23 трильйонних частки градуса (якщо б воно відображало лазерний промінь, пляма від нього зрушила б на місячній поверхні приблизно на міліметр). Отже, фізична цінність слабких вимірювань вже доведена. Проблема в іншому - чи можна з їх допомогою обґрунтувати концепцію зворотної причинності?

Сам Якір Ааронов, відповідаючи на це питання «ПМ», підкреслив, що модель двох хвильових функцій з різними напрямками часу не суперечить ні логічній структурі квантової механіки, ні співвідношенням невизначеностей, що випливають з цієї структури: "Квантові процеси містять специфічні шуми, які в принципі неможливо повністю придушити. Слабкі вимірювання дуже м'яко промацують ці шуми і дають можливість знизити їх рівень. Саме так було виявлено цілу низку квантових явищ, які раніше не вдавалося зареєструвати. У цьому немає ніякої містики, просто ми ще раз переконалися, що квантовий світ влаштований навіть складніше, ніж думали Нільс Бор, Вернер Гейзенберг і інші творці квантової механіки ". Правда, з думкою Ааронова багато фізиків рішуче не згодні. Слово за експериментаторами.