Как столетний спор Эйнштейна и Бора решили в китайской лаборатории

Почти сто лет назад два титана науки — Альберт Эйнштейн и Нильс Бор — скрестили шпаги в философской дуэли о природе реальности. Эйнштейн отвергал «жуткое действие на расстоянии» и вероятностный мир квантов, надеясь найти скрытые параметры. Бор стоял на своем: реальность зависит от измерения, а частица и волна — две стороны одной медали. Их спор считался чисто теоретическим, вопросом веры. Но сегодня, в лаборатории, охлажденной почти до абсолютного нуля, призрак прошлой дискуссии материализовался. И кажется, призрак этот улыбается, как Бор.

В истории науки немного споров, которые были бы столь же фундаментальны, элегантны и полны драматизма, как противостояние Альберта Эйнштейна и Нильса Бора. Это была не просто ученая полемика — это была битва за душу Вселенной. На кону стоял вопрос: является ли реальность объективной и независимой от наблюдателя, как того требовал здравый смысл и теория относительности Эйнштейна, или же она принципиально неопределенна, двойственна и контекстуальна, как настаивала молодая, дерзкая квантовая механика в интерпретации Бора.


Их кульминационная дуэль развернулась на Пятом Сольвеевском конгрессе 1927 года. Эйнштейн, с присущим ему остроумием, одну за другой выдвигал мысленные эксперименты, призванные обнажить абсурдность и неполноту квантовой теории. Он стремился доказать, что можно одновременно измерить и положение, и импульс частицы, нарушив тем самым принцип неопределенности Гейзенберга — краеугольный камень новой физики. А Нильс Бор, часто просиживавший бессонные ночи, к утру находил изъяны в построениях оппонента, защищая свою концепцию дополнительности. Согласно ей, квантовый объект — это и частица, и волна, но проявляет он лишь одно из этих свойств в зависимости от экспериментальной установки. Попытка увидеть обе стороны одновременно обречена на провал.

Одним из самых изящных и потому особенно опасных аргументов Эйнштейна стал мысленный эксперимент с двумя щелями. Этот опыт — альфа и омега квантовой странности. Одиночные электроны или фотоны, пролетая через две щели в барьере, дают на экране не две полоски, как следовало бы ожидать от частиц, а сложную интерференционную картину — чередование светлых и темных полос. Это неоспоримое доказательство волновой природы. Но стоит попытаться «подсмотреть», через какую именно щель пролетает частица (поставив, например, детектор), как волшебство исчезает: интерференция пропадает, и частица ведет себя как классический шарик. Кажется, она «знает», за ней наблюдают.

Эйнштейн, не смирившийся с таким мистицизмом, предложил гениальную уловку. А что если не смотреть на частицу прямо, а измерить ее влияние? Представим, сказал он, что одна из щелей не закреплена жестко, а может свободно и почти без трения двигаться, как сверхчувствительные весы. Пролетающий через нее фотон, обладающий импульсом, должен отдать ей часть своего движения, слегка сдвинуть ее. Зафиксировав этот микроскопический толчок, мы косвенно узнаем, через какую щель пролетела частица, при этом сама интерференционная картина, по идее, не должна разрушиться. Таким образом, мы получим «полное» знание: и путь частицы (частичное свойство), и ее волновое поведение (интерференцию). Это был бы смертельный удар по принципу дополнительности Бора.

На протяжении десятилетий этот аргумент оставался красивой философской идеей. Технологии XX века не позволяли создать столь хрупкую и чувствительную систему. Но наука не стоит на месте. И, как часто бывает в современном мире, решающий эксперимент был проведен командой из Китайского университета науки и технологий (USTC) в Хэфэе.

Их гений заключался не в попытке создать подвижную щель, а в том, чтобы заменить саму щель на квантовый объект. Исследователи поместили одиночный атом рубидия в сверхстабильную ловушку из лазерных лучей — так называемую оптическую пинцет. Затем этот атом был охлажден до температур, в миллиардные доли градуса превышающих абсолютный ноль. В таком состоянии атом практически замирает, его квантовые свойства проявляются максимально ярко, и он становится идеальным кандидатом на роль «подвижного элемента» из мысленного эксперимента Эйнштейна.

В их установке роль двух щелей играла интерференция волн вероятности самого атома, но суть оставалась прежней. Через эту систему пропускали одиночные фотоны. И здесь началась магия чистой воды квантовой механики.

Ученые могли в реальном времени управлять «жесткостью» лазерной ловушки. Когда они ослабляли хватку, атом получал возможность слабо колебаться. И в этом режиме происходило то, на что надеялся Эйнштейн: пролетающий фотон взаимодействовал с атомом, передавая ему крошечный импульс. Смещение атома фиксировалось, и это давало информацию о «пути» фотона. Однако, как и предсказывал Бор, интерференционная картина при этом полностью исчезала. Фотон вел себя как четко локализованная частица.

Затем ловушку ужесточали, плотно фиксируя атом. Теперь у фотона не было возможности «пихнуть» этот тяжелый и закрепленный объект. Информация о том, по какому пути он следовал, терялась. Но зато, как по волшебству, на экране вновь возникала четкая интерференционная картина! Волновая природа фотона возвращалась, стоило лишь отказаться от попыток выследить его.

Экспериментаторы не просто наблюдали два крайних состояния. Они продемонстрировали плавный, контролируемый переход. Меняя жесткость ловушки (то есть степень неопределенности в импульсе атома-щули), они могли управлять «размытостью» интерференционных полос. Четче информация о пути — слабее интерференция. И наоборот. Это был изящный количественный танец, полностью укладывающийся в рамки принципа дополнительности и соотношений неопределенностей.

Эксперты Американского физического общества, комментируя эту работу, подчеркивают: китайские физики не просто подтвердили старую теорию. Они воплотили абстрактный философский спор в осязаемую лабораторную реальность. Они показали, что «дополнительность» — это не интерпретация, а закон природы. Попытка «украдкой» получить информацию о квантовой системе неизбежно, даже косвенно, нарушает ее состояние. Мир на фундаментальном уровне отказывается показывать нам свое «лицо» и «профиль» одновременно.


Что это значит для нашего понимания реальности? Победа Бора в этом раунде звучит для нас, привыкших к миру классической физики, почти мистически. Получается, что Вселенная в своем сердце — это не механизм из отдельно существующих «частичек», а единая ткань возможностей. Наблюдатель (через измерительный прибор) становится со-творцом реальности, вытягивая из квантового тумана тот или иной аспект. Фотон — не «либо волна, либо частица». Он — нечто более глубокое, что лишь в момент взаимодействия решает, в каком «образе» предстать.

Эйнштейн, с его знаменитым «Бог не играет в кости», искал скрытый порядок. Бор отвечал, что не нам указывать Богу, как управлять Вселенной. Эксперимент в Хэфэе показывает: порядок есть, но он не классический. Это порядок тонких взаимосвязей, запретов и фундаментальной неразделимости наблюдателя и наблюдаемого.

Спор, начавшийся в бурные 1920-е, сегодня переходит из области теории в область технологии. Принципы, отстаиваемые Бором, лежат в основе квантовых компьютеров, криптографии и сверхточных сенсоров. Понимание того, как измерение разрушает хрупкие квантовые состояния, учит нас осторожнее обращаться с миром на его глубочайшем уровне. Призрак в щели, наконец, пойман. И его улыбка говорит нам, что самая большая тайна — это не тайна вещества, а тайна взаимодействия с ним. И в этом диалоге между человеком и квантовой бездной последнее слово, кажется, всегда остается за бездной.