Будущее может влиять на прошлое: тайны квантов

Поместим по одну сторону от экрана с двумя параллельными щелями источник моноэнергетических электронов, а по другую сторону установим детектор, который будет регистрировать периодические колебания плотности электронов, вызванные их интерференцией.

Усложним опыт — между экраном и детектором параллельно щелям поместим длинный тонкий соленоид с током. Магнитное поле замкнуто внутри соленоида, наружу оно не проникает. Казалось бы, электроны не могут никак его почувствовать, ведь на их пути от щелей к детектору его напряженность равна нулю. Однако Ааронов и Бом показали, что при включении тока интерференционные полосы сдвигаются, что и подтвердил Чамберс. Все дело в том, что на разность фаз волновых функций электронов, приходящих к детектору от обеих щелей, влияет векторный потенциал электромагнитного поля, а вот он вне соленоида отличен от нуля. То есть электроны чувствуют присутствие электромагнитного поля даже тогда, когда его не способен обнаружить ни единый классический прибор!

Новая работа основана на утверждении Ааронова и его единомышленников, что квантовой системе соответствует не одна, как в стандартной версии, а пара волновых функций. Одна из них описывает эволюцию системы в прямом направлении по стреле времени, другая — в противоположном. Измерение, проведенное в настоящий момент, меняет значение этой функции в прошлом, что можно выявить предшествующими измерениями. Однако их необходимо вести, почти не возмущая состояния системы (скажем, используя очень слабые магнитные поля, если речь идет об ориентации спина электронов).

Но главное состоит в том, что каждый из результатов этих слабых измерений будет малоинформативен и практической пользы не принесет. А вот если провести множество таких измерений, ошибки скомпенсируют друг друга и в сухом остатке окажется реальная информация. Однако расшифровать ее можно лишь после выполнения нормального, сильного измерения (которое, если вернуться к примеру с электронными спинами, однозначно определит проекцию спина на направление магнитного поля).

А как обстоит дело с причинностью, коль скоро в заключительном опыте это направление можно выбрать произвольно? Дело в том, что такой выбор скажется на результатах сильного измерения, и, соответственно, на результатах дешифровки слабых измерений. Квантовая частица на пути от слабого измерения к сильному пребывает в суперпозиции различных состояний, одно из которых несет отпечаток проведенного слабого измерения, а второе будет выявлено в сильном измерении. Полученные в финале данные повлияют на информацию, которую можно извлечь из предшествующей работы. Таким образом, причинность все же сохраняется, хотя и в более ограниченном смысле, нежели в стандартной версии квантовой механики.

Ааронов и его коллега по Тель-Авивскому университету Лев Вайдман обнародовали теорию слабых квантовых измерений в 1988 году. Она долгое время считалась чисто формальной конструкцией, однако в последние годы ее с успехом использовали в ряде лабораторий. Так, в 2007 году американские физики зарегистрировали ничтожную разницу в углах преломления входящих из воздуха в стекло световых пучков разной поляризации (оптический спиновый эффект Холла). Еще через два года другие исследователи этим же методом измерили поворот плоского зеркала на 23 триллионных доли градуса (если б оно отражало лазерный луч, пятно от него сдвинулось бы на лунной поверхности примерно на миллиметр). Так что физическая ценность слабых измерений уже доказана. Проблема в другом — можно ли с их помощью обосновать концепцию обратной причинности?

Сам Якир Ааронов, отвечая на этот вопрос «ПМ», подчеркнул, что модель двух волновых функций с разными направлениями времени не противоречит ни логической структуре квантовой механики, ни вытекающим из этой структуры соотношениям неопределенностей: «Квантовые процессы содержат специфические шумы, которые в принципе невозможно полностью подавить. Слабые измерения очень мягко прощупывают эти шумы и дают возможность снизить их уровень. Именно так был выявлен целый ряд квантовых явлений, которые ранее не удавалось зарегистрировать. В этом нет никакой мистики, просто мы еще раз убедились, что квантовый мир устроен даже сложнее, чем думали Нильс Бор, Вернер Гейзенберг и остальные создатели квантовой механики». Правда, с мнением Ааронова многие физики решительно не согласны. Слово за экспериментаторами.