12.14. Локальность Эйнштейна и корреляции фотонов

В классической работе Эйнштейна, Подольского, Розена (Einstein, Podolsky and Rosen, 1935) впервые было указано, что существуют определенные двухчастичные состояния, в соответствии с обычной интерпретацией квантовой механики, обладающие таким свойством, что измерение одной выбранной переменной, относящейся к частице 1, полностью определяет исход измерения соответствующей переменной, относящейся к частице 2. В момент измерения эти две частицы могут находиться на таком большом расстоянии друг от друга, что никакое воздействие, обусловленное первым измерением, не передается второй частице за время, соответствующее наблюдению. Такую ситуацию можно реализовать, если испускать обе частицы из общего источника в определенном, перепутанном (нефакторизуемом) квантовом состоянии

Согласно Эйнштейну, Подольскому и Розену, если с уверенностью можно предсказать исход измерения некоторой переменной для данной частицы, не возбуждая ее, то существует элемент физической реальности, соответствующий данной физической величине Другими словами, частица 2, на самом деле, имеет данное значение переменой, безотносительно к тому измеряется эта величина или нет. Данное утверждение контрастирует с квантово-механической точкой зрения, согласно которой измерение в определенном смысле само создает реальность. С другой стороны, предположим, что измеряется другая переменная для частицы 1, которая, скажем, канонически сопряжена с предыдущей переменой. В таком случае, этим предопределяется значение сопряженной переменной и для частицы 2, так что, в соответствии с вышеприведенными рассуждениями, частица 2, на самом деле, имеет данное значение сопряженной переменой. Но если две переменные являются канонически сопряженными, то, в соответствии с квантовой механикой, они не коммутируют и не могут вместе иметь в один и тот же момент времени точно определенные значения. Мы можем измерить ту или другую сопряженную переменную для частицы 1 в условиях, когда две частицы находятся на большом расстоянии друг от друга и не могут сообщаться между собой за доступное время, но даже в этом случае это повлияет на состояние частицы 2. Здесь имеется противоречие, которое, по-видимому, и заставило Эйнштейна, Подольского и Розена сделать вывод, что квантовая механика является неполной. Однако такие контринтуитивные, нелокальные корреляции были наблюдены экспериментально. Это явление иногда называют нарушением локальности Эйнштейна, а его следствия долгое время широко обсуждались (Bohr, 1935; Bohm 1952а, b; Bell, 1964, 1966; Clauser, Horn and Shimony, Holt, 1969; Wigner, 1970; Clauser and Horn, 1974; Clauser and Shimony, 1978; dEspagnat, 1979; Mermin, 1981, 1985).

Для того, чтобы более наглядно продемонстрировать это парадокс, рассмотрим источник, который испускает частицы со спином 1/2 в противоположных направлениях с общим спиновым моментом количества движения, равным нулю. Если бы мы измерили спин частицы 1 в -направлении и, например, получили бы значение то мы бы знали, что частица 2 находится в собственном состоянии своего спина с собственным значением С другой стороны, если бы вместо этого, мы бы решили измерить спин частицы 1 в -направлении и получили бы то это бы означало, что собственное значение оператора частицы 2 равно В обоих случаях измерение частицы 1 определяет исход некоего измерения частицы 2 с вероятностью, равной единице, и согласно Эйнштейну, Подольскому и Розену значения и должны содержать «элемент физической реальности». Но не коммутируют друг с другом и согласно квантовой механике они не могут одновременно иметь строго определенные значения. Парадокс возникает из-за того, что мы интуитивно склонны рассуждать в рамках классических представлений, т.е. связывать объективную физическую реальность с каждой частицей и ее переменными, тогда как в квантовой механике динамическая переменная, в действительности, не имеет значения до тех пор, пока она не измерена. В определенном смысле, физическую реальность создает измерение. Были предприняты попытки объяснить предсказанные (а позднее — и наблюденные) корреляции между двумя частицами на языке скрытых параметров или, иными словами, неизмеряемых параметров, которые, как предполагалось, определяют исход эксперимента (Bohm, 1952а, Ь). Но позднее Беллом (Bell, 1964, 1966) и другими исследователями (Bohm and Aharanov, 1957; Clauser, Home, Shimony and Holt, 1969; Clauser and Home, 1974; Clauser and Shimony, 1978) было показано, что такие нелокальные эффекты по своей сути являются квантово-механическими и что никакая реалистичная локальная теория не в состоянии количественно объяснить такие корреляции.