Свободный выбор и локальный реализм - в физике и не только

Дата публикации: 24 мая 2021

Есть ли у нас свободный выбор или наши решения предопределены? Является ли физическая реальность локальной, или то, что мы делаем здесь и сейчас, оказывает непосредственное влияние на события в других местах, выясняют ученые - пишет eurekalert.org со ссылкой на Proceedings of the National Academy of Sciences.

Ответы на эти вопросы физики ищут в неравенствах Белла. Оказывается, свободный выбор и локальный реализм можно умело измерить и сравнить. Полученные результаты раскрывают удивительные взаимосвязи фундаментального и универсального характера, выходящие далеко за рамки самой квантовой механики. Причинность, локальность и свободный выбор связаны несколькими простыми формулами, известными как неравенства Белла. Сложные эксперименты в квантовой оптике за последние несколько десятилетий бесспорно доказали, что эти неравенства нарушаются. Сегодня физики сталкиваются с дилеммой: должны ли мы принять видение реального мира, в котором мы ставим под сомнение предположение о свободном выборе экспериментатора, или отвергнуть предположение о локальности экспериментов? Ученые из Института ядерной физики Польской академии наук в Кракове (IFJ PAN), Британского городского университета Лондона (CUL) и Немецкой высшей высшей школы в Гиссене (THM) столкнулись с этой проблемой. Результаты их исследований, которые выходят далеко за рамки одной только физики, обсуждаются в статье, только что опубликованной в престижном журнале.

«Реализм - это физическая концепция, в которой мы описываем мир с точки зрения причинно-следственных связей. Локальность означает, что действия не могут распространяться мгновенно. Поэтому, если физическая реальность должна соответствовать требованиям локального реализма, результат эксперимента будет влиять только на то, что находится в непосредственной близости от него, а не на то, что сейчас происходит в далекой галактике», - объясняет доктор Павел Блазиак, первый автор статьи.

Свобода выбора, очевидно типично философская концепция, также может рассматриваться как физическая или даже математическая проблема. В этом подходе свободный выбор относится к переменным, которые описывают параметры эксперимента, то есть то, что мы измеряем в лаборатории. Мы предполагаем, что можем свободно выбирать эти переменные, независимо от того, что происходило в прошлом.

В рамках видения мира, в котором применяются местный реализм и свободный выбор, можно вывести неравенства Белла, а затем провести эксперимент, чтобы проверить их. Основные идеи можно проиллюстрировать следующим образом. Алиса и Боб работают в лабораториях на противоположных концах галактики. Однажды каждый из них получает коробку. Они ставят коробки на свои столы и в определенный момент осторожно их открывают. Из коробки вырывается вращающаяся монета, которую каждый экспериментатор прижимает ладонями к столу. Алиса и Боб теперь отмечают, выпала ли монета орел или решка. Вскоре прибудут и другие подобные партии. Через некоторое время у Алисы и Боба есть длинный список наблюдений, в которых они прижимают монеты разными способами. Ни один из них не видит ничего необычного в своих данных: орел и решка появляются в их списках чисто случайным образом.

Ситуация резко меняется, когда Алиса и Боб встречаются на Межгалактическом научном конгрессе. Они сравнивают свои данные, и внезапно выясняется, что в тех же наблюдениях, когда монета Алисы выпадала решкой вверх, монета Боба всегда падала решкой - и наоборот. Таким образом, они оба предполагают, что это не совпадение и что наблюдаемые ими корреляции должны быть приписаны какой-то общей причине, скрывающейся в прошлом для обоих объектов, отправленных из одного и того же источника. Таинственный грузоотправитель ящиков мог просто проинструктировать каждую монету, как приземлиться, когда она прижата к столу определенным образом. Если бы это было действительно так, Алиса и Боб могли бы угадать эту инструкцию и объявить о захватывающем открытии. К сожалению, их усилия ни к чему не привели!

В отчаянии Алиса и Боб просят гениального теоретика Джона о помощи. Сначала он спрашивает, какие предположения оба ученых приняли в своей работе как верные и достоверные. «Мы считаем, что наблюдаемые нами корреляции должны быть объяснены рядом причин и следствий, распространяющихся во времени», - говорит Алиса. Боб поясняет: «Мы также думаем, что никакая причина не влияет сразу на эксперимент, если он находится достаточно далеко от лаборатории». Они оба твердо верят, что способ открывания ящиков никоим образом не навязывается им, и они абсолютно уверены, что именно они принимают решение о том, как надавить на монету. К их большому удивлению, Джон спокойно объясняет, что все эти предположения нельзя согласовать с наблюдаемыми ими корреляциями.

Фактически, неравенства Белла были обнаружены физиком из Северной Ирландии Джоном Стюартом Беллом в 1964 году. Его вдохновила известная проблема «жуткого действия на расстоянии», поставленная Альбертом Эйнштейном, Борисом Подольским и Натаном Розеном в 1935 году. В физических экспериментах, где роль монет играют фотоны, а орла и решка - их поляризации, наблюдаемые в различных направлениях, эти неравенства действительно нарушаются. Таким образом, перед современной физикой стоит фундаментальная дилемма: что лучше - отказаться от идеи локального реализма или, возможно, поставить под сомнение свободный выбор ученых? Немногие физики готовы подвергнуть сомнению реализм, предполагающий причинность, идущую по стрелке времени. Так что либо что-то «не совсем то» с предположением о локальном реализме, либо со свободным выбором экспериментаторов.

«Тот факт, что реальность нарушает неравенство Белла, побуждает нас задавать интригующие вопросы. Например: как часто, сохраняя полную локальность, нам придется отказываться от свободы выбора, чтобы воссоздать корреляции, наблюдаемые в экспериментах? С каждым экспериментом, большую часть времени или, может быть, просто иногда? Точно так же, если мы сохраняем свободу выбора, как часто нам придется нарушать принцип локальности?» - задается вопросом доктор Блазиак.

Результаты исследования польско-британско-немецкой группы дают неожиданный ответ. Оказывается, что для воссоздания записанных корреляций при сохранении свободы выбора локальность должна нарушаться так же часто, как и свободный выбор при сохранении локальности. По какой-то (неизвестной) причине природа нисколько не одобряет ни местности, ни свободы выбора.

Ученым удалось вывести формулы для расчета того, как часто Алисе и Бобу придется нарушать локальность или свободный выбор, чтобы воссоздать наблюдаемые корреляции (в квантовой механике и не только). В частности, оказывается, что формализм квантовой механики предписывает, что при максимальной запутанности между фотонами нарушение локальности или свободного выбора происходит при каждом измерении (что обобщает предыдущие результаты, касающиеся самой локальности).

«Самое интересное, что теорема Белла - это вообще утверждение не квантовой механики, а теории вероятностей, поэтому она носит универсальный характер. Доказанные нами теоремы также не ограничиваются самой квантовой физикой, а относятся ко всем ситуациям, связанным с корреляциями и касающимся разделенных систем», - подчеркивает д-р Блазиак.

«Помимо физики в строгом смысле, нарушение локальности или свободного выбора не должно быть драматичным. В исследованиях человеческого поведения Алисе было бы достаточно шептать что-то Бобу, чтобы нарушить локальность», - отмечает профессор Эммануэль Потос - психолог в CUL. Другой пример приводится профессором Кристофом Галлусом, экономистом THM: «Если Алиса и Боб являются игроками на фондовом рынке, их выбор может быть коррелирован просто путем использования определенной общедоступной информации».

Универсальность обнаруженных зависимостей открывает двери для очень практических приложений, таких как изучение механизмов информационных потоков в сложных системах. Стоит подчеркнуть, что общий характер такого рода соображений проистекает из самой природы вопроса о причинах наблюдаемых корреляций, который является фундаментальным и общим для всей науки.

Поделиться: