В 2008 году физики из Женевского университета поставили эксперимент, который, казалось, бросил вызов самому Эйнштейну. Они измерили скорость взаимодействия между двумя запутанными фотонами и получили величину, в 100 тысяч раз превышающую скорость света. Если результат верен, то теория относительности, запрещающая любое взаимодействие быстрее света, в квантовом мире даёт трещину. Но как именно учёные пришли к такому выводу и что на самом деле означает их открытие?

Две деревни и один луч

Эксперимент развернулся в живописных швейцарских деревушках Сатиньи и Жюсси, разделённых ровно 18 километрами. В исследовательском центре Женевы рождалась пара запутанных фотонов — частиц, чьи квантовые состояния таинственным образом связаны. Затем фотоны разлучали: один по оптоволокну мчался в Сатиньи, другой — в Жюсси. В каждой деревне стояли детекторы, готовые измерить спин прибывшей частицы.

Спин фотона — характеристика, которая может принимать лишь два значения: условно «единица» или «минус единица». Квантовая механика утверждает: если измерить спины запутанной пары одновременно, они всегда окажутся противоположными. Один фотон — «единица», второй — «минус единица». Загадка в том, что до измерения ни один из них не имеет определённого спина; он «выбирается» лишь в момент, когда на частицу смотрит прибор. И, похоже, этот выбор мгновенно влияет на близнеца, где бы тот ни находился.

Призрак скорости

Согласно специальной теории относительности, ничто в природе не может передаваться быстрее света. За то крошечное время, что требуется для измерения спина в Сатиньи, сигнал о результате просто не успел бы долететь до Жюсси — расстояние в 18 километров свет преодолевает за доли секунды, но измерительная аппаратура срабатывает ещё быстрее. Следовательно, если бы запутанные фотоны вели себя как независимые частицы, их спины должны были бы иногда совпадать — чисто случайно. Однако многократные замеры показали: корреляция сохраняется всегда. Спины неизменно противоположны.

Учёные вычислили нижний предел скорости этого загадочного взаимодействия. Получилось, что «сигнал» между фотонами должен распространяться как минимум в 100 000 раз быстрее света. Цифра ошеломляет, но физики осторожны: они не утверждают, что измерили саму скорость, а лишь показали, что если взаимодействие вообще имеет скорость, то она обязана быть колоссальной.

Страхи Эйнштейна

Явление запутанности не было новостью даже в 2008 году. Ещё в 1930-х Эйнштейн, Подольский и Розен сформулировали знаменитый парадокс, призванный показать неполноту квантовой механики. Эйнштейн язвительно называл запутанность «пугающим дальнодействием» (spooky action at a distance) и считал её признаком того, что теория упускает какие-то скрытые параметры. Он отказывался верить, что частицы могут влиять друг на друга мгновенно, через любые расстояния.

Десятилетиями учёные спорили: одни пытались спасти локальный реализм, другие — принять квантовую нелокальность как данность. Эксперименты женевской группы вписались в долгую череду тестов, начатую ещё Джоном Беллом в 1960-х. И каждый новый опыт лишь укреплял позиции квантовой механики. Швейцарский результат не стал исключением: он в очередной раз подтвердил, что запутанность реальна, а не иллюзия, вызванная несовершенством измерений.

Что же всё-таки опровергли?

Заголовки новостей кричали: «Теория относительности опровергнута!». Но это сильное преувеличение. Ограничение скорости света касается передачи информации и вещества. Квантовая запутанность не позволяет передать осмысленный сигнал быстрее света, потому что результат измерения спина случаен. Вы не можете заставить свой фотон принять значение «единица», чтобы тем самым мгновенно сообщить что-то коллеге на другом конце. Корреляция видна лишь при сравнении записей, а для этого нужен обычный, досветовой канал связи.

Тем не менее эксперимент вновь указал на глубокую трещину между квантовой механикой и общей теорией относительности. Они прекрасно работают каждая в своей области, но отказываются уживаться в экстремальных условиях — например, в чёрных дырах или в первые мгновения Большого взрыва. Запутанность остаётся одним из главных вызовов для физиков, ищущих «теорию всего».

Необъяснённый механизм

Самое интригующее в женевском опыте — не скорость, а то, что механизм взаимодействия по-прежнему неясен. Как именно один фотон «узнаёт», что измерили его пару? Обмен частицами? Какие-то неизвестные поля? Или пространство-время устроено совсем не так, как мы привыкли думать? У науки пока нет ответа. Это напоминает старую шутку: квантовая механика работает, но не спрашивайте почему.

С тех пор эксперименты с запутанностью стали ещё изощрённее. В 2017 году китайский спутник «Мо-Цзы» разнёс запутанные фотоны на рекордные 1200 километров, и корреляция сохранилась. Но женевский опыт 2008 года остаётся вехой: он одним из первых столь наглядно показал, что «пугающее дальнодействие» не просто философская абстракция, а измеримый факт. И он же напомнил, что Вселенная гораздо страннее, чем полагал даже Эйнштейн.