Запутанное время

84 года назад, летом 1935 года физики Альберт Эйнштейн и Эрвин Шредингер вступили в многогранную переписку о последствиях новой теории квантовой механики.

В центре их беспокойства было то, что Шредингер позже назвал запутанностью: неспособность описать две квантовые системы или частицы независимо после их взаимодействия.

До своей смерти Эйнштейн оставался убежденным, что запутанность показала, что квантовая механика была неполной. Шредингер думал, что запутанность была определяющей чертой новой физики, но это не означало, что он принял ее легко.

«Я, конечно, знаю, как математически работает этот фокус-покус, — писал он Эйнштейну 13 июля 1935 года. — Но мне не нравится такая теория».

Знаменитая кошка Шредингера, подвешенная между жизнью и смертью, впервые появилась в этих письмах как побочный продукт борьбы за то, чтобы объяснить, что беспокоило этих выдающихся физиков.

Проблема в том, что запутанность нарушает то, как мир должен работать. Например, информация не может двигаться быстрее скорости света.

Но в статье 1935 года Эйнштейн и его соавторы показали, как запутывание приводит к тому, что сейчас называется квантовой нелокальностью, «жуткой» связью, которая, кажется, существует между запутанными частицами.

Если две квантовые системы встречаются, а затем разделяются, даже на расстоянии тысяч световых лет, становится невозможным измерить характеристики одной системы (такие как ее положение, импульс и полярность), не приводя мгновенно другую систему к соответствующему состоянию.

До сегодняшнего дня большинство экспериментов проверяли запутанность в пространственных промежутках. Предполагается, что «нелокальная» часть квантовой нелокальности относится к запутыванию свойств в пространстве. Но что, если запутывание также происходит во времени? Есть ли такая вещь, как временная нелокальность? Ответ, как оказалось, да.

Если вы думали, что квантовая механика не может стать чем-то более странным, команда физиков из Еврейского университета в Иерусалиме в 2013 году сообщила, что они успешно запутали фотоны, которые никогда не сосуществовали.

Предыдущие эксперименты с использованием метода, называемого «обмен запутанностью», уже показали квантовые корреляции во времени, задержав измерение одной из сосуществующих запутанных частиц; но Эли Мегидиш и его сотрудники были первыми, кто показал запутанность между фотонами, которые  вообще не перекрывались в течении их существования.

Вот как они это сделали.

Сначала они создали запутанную пару фотонов «1-2» (шаг I на диаграмме ниже). Вскоре после этого они измерили поляризацию фотона 1 (свойство, описывающее направление колебаний света) – таким образом, «убив» его (шаг II).

Фотон 2 был отправлен в погоню за ним, в то время как была создана новая запутанная пара «3-4» (шаг III). Затем фотон 3 измеряли вместе с блуждающим фотоном 2 таким образом, чтобы отношение запутанности было «заменено» со старых пар («1-2» и «3-4») на новую комбинацию «2-3» (шаг IV).

Некоторое время спустя (шаг V) измеряется поляризация одинокого оставшегося в живых фотона 4, и результаты сравниваются с результатами давно мертвого фотона 1 (назад на этапе II).

Что получилось в результате? Данные показали существование квантовых корреляций между «временно нелокальными» фотонами 1 и 4. То есть запутывание может происходить между двумя квантовыми системами, которые никогда не сосуществовали.

Что это может значить? На первый взгляд, это так же тревожно, как сказать, что полярность звездного света в далеком прошлом — скажем, более чем в два раза больше жизни Земли – тем не менее повлияла на полярность звездного света, падающего через ваш любительский телескоп сегодня.

Что еще более странно: возможно, это означает, что измерения, проведенные вашим глазом при падении звездного света через ваш телескоп в настоящее время, каким-то образом продиктовали полярность фотонов более 9 миллиардов лет назад.

Чтобы этот сценарий не показался вам слишком диковинным, Эли Мегидиш и его коллеги не могут удержаться от размышлений о возможных и довольно жутких интерпретациях их результатов.

Возможно, измерение поляризации фотона 1 на этапе II каким-то образом управляет будущей поляризацией 4, или измерение поляризации фотона 4 на этапе V каким-то образом переписывает прошлое состояние поляризации фотона 1.

Как в прямом, так и в обратном направлениях квантовые корреляции охватывают причинную пустоту между смертью одного фотона и рождением другого.

Хотя относительность помогает уменьшить загадочность.Разрабатывая свою специальную теории относительности, Эйнштейн сверг ньютоновскую концепцию одновременности с пьедестала.

Как следствие, одновременность превратилась из абсолютного свойства в относительное. Для Вселенной нет единого хронометриста; точное время, когда что-то происходит, зависит от вашего точного местоположения относительно того, что вы наблюдаете, известного как ваша система отсчета.

Таким образом, ключ к избежанию странного причинного поведения (управление будущим или переписывание прошлого) в случаях временного разделения состоит в том, чтобы признать, что называть события «одновременными» не имеет большого метафизического веса. Это всего лишь свойство, зависящее от конкретной структуры, выбор среди многих альтернативных, но одинаково жизнеспособных — вопрос соглашения или ведения учета.

Эйнштейн показал, что никакая последовательность событий не может быть метафизически привилегированной – не может считаться более реальной – чем любая другая. Только приняв это понимание, можно продвинуться в решении таких квантовых головоломок.