Недавно мировые СМИ облетела новость: «Геймеры опровергли Эйнштейна». И дальше часто следовал подзаголовок: «Бог все-таки играет в кости». Что же на самом деле случилось и о чем написано в статье, опубликованной в одном из самых авторитетных научных журналов мира, в Nature?
Что на самом деле говорили о Боге и костях
Алексей Паевский
Для начала стоит развенчать один миф. Эйнштейн никогда не говорил слов «Бог не играет в кости». На самом деле он писал Максу Борну по поводу принципа неопределенности Гейзенберга следующее: «Квантовая механика действительно впечатляет. Но внутренний голос говорит мне, что это еще не идеал. Эта теория говорит о многом, но все же не приближает нас к разгадке тайны Всевышнего. По крайней мере, я уверен, что Он не бросает кости».
Впрочем, Бору он тоже писал: «Ты веришь в играющего в кости Бога, а я – в полную закономерность в мире объективно сущего». То есть в этом смысле Эйнштейн говорил про детерминизм, что в любой момент можно вычислить положение любой частицы во Вселенной. Как нам показал Гейзенберг, это не так.
Но тем не менее, этот элемент очень важен. Действительно, как ни парадоксально, но величайший физик XX века Альберт Эйнштейн, сломавший физику прошлого своими статьями начала столетия, потом оказался рьяным соперником еще более нового, квантовой механики. Вся его научная интуиция протестовала против того, чтобы описывать явления микромира в терминах теории вероятности и волновых функций. Но против фактов сложно идти – а получалось, что любое измерение системы квантовых объектов изменяет ее.
Эйнштейн попытался «выкрутиться» и предположил, что в квантовой механике есть некие скрытые параметры. Например – существуют некие субинструменты, которыми можно измерить состояние квантового объекта и не изменить его. В итоге таких размышлений в 1935 году вместе с Борисом Подольским и Натаном Розеном Эйнштейн сформулировал принцип локальности.
Альберт Эйнштейн
Этот принцип утверждает, что на результаты любого эксперимента могут повлиять только близко расположенные к месту его проведения объекты. При этом движение всех частиц можно описать без привлечения методов теории вероятности и волновых функций, вводя в теорию те самые «скрытые параметры», которые невозможно измерить с помощью обычных инструментов.
Теория Белла
Джон Белл
Прошло почти 30 лет, и Джон Белл теоретически показал, что на самом деле можно провести эксперимент, результаты которого позволят определить, действительно ли квантово-механические объекты описываются волновыми функциями распределения вероятностей, как они есть, или же имеется скрытый параметр, позволяющий точно описать их положение и импульс, как у бильярдного шара в теории Ньютона.
Тогда технических средств провести такой эксперимент не было: для начала нужно было научиться получать квантово запутанные пары частиц. Это частицы, находящиеся в едином квантовом состоянии, и, если их разнести на любое расстояние, они все равно мгновенно чувствуют, что происходит друг с другом. Мы немножко писали про практическое использование эффекта запутанности в статье про квантовую телепортацию.
Кроме этого, нужно быстро и точно измерять состояния этих частиц. Тут тоже все хорошо, это мы умеем.
Однако есть третье условие для того, чтобы проверить теорию Белла: нужно набрать большую статистику на случайных изменениях настроек экспериментальной установки. То есть нужно было провести большое число экспериментов, параметры которых задавались бы совершенно случайно.
И вот тут есть проблема: у нас все генераторы случайных чисел используют квантовые методы – и тут в эксперимент мы можем сами внести те самые скрытые параметры.
Как геймеры выбирают числа
И здесь исследователей спас принцип, описанный в анекдоте:
«Подходит один программист к другому и говорит:
– Вася, мне нужен генератор случайных чисел.
– Сто шестьдесят четыре!»
Генерацию случайных чисел доверили геймерам. Правда, человек на самом деле не случайно выбирает числа, однако именно на этом сыграли исследователи.
Они создали браузерную игру, в которой задача игрока была получить как можно более длинную последовательность нолей и единиц – при этом своими действиями игрок обучал нейронную сеть, которая пыталась угадать, какое число выберет человек.
Это сильно увеличило «чистоту» случайности, а если учесть широту освещения игры в прессе и репосты в соцсетях, то одновременно в игру играло до сотни тысяч человек, поток чисел достигал тысячи бит в секунду и уже создано более сотни миллионов случайных выборов.
Этих по-настоящему случайных данных, которые использовали на 13 экспериментальных установках, в которых были запутаны разные квантовые объекты (на одной – кубиты, на двух – атомы, на десяти – фотоны), хватило, чтобы показать: Эйнштейн все-таки был не прав.
Скрытых параметров в квантовой механике не существует. Статистика это показала. А значит, квантовый мир остается истинно квантовым.