Кто на первой базе? Что на второй? Я не знаю, это квант

В 1978 году Уилер придумал блестящий мысленный опыт, названный «эксперимент с отложенным выбором», предназначенный для того, чтобы пролить свет на странности теории квантовых измерений. Он представил все так, как будто смог убедить Эйнштейна, что Бор был прав в их знаменитом споре по поводу квантовой механики: имеет ли место вероятностный «бросок костей» и можно ли с его учетом назвать квантовую механику полной физической теорией (Бор говорил «да», Эйнштейн – «нет»).

Как ни странно, гипотетическая конструкция Уилера позволила заглянуть дальше, чем принцип дополнительности Бора, который утверждал, что выбор наблюдателя перед или в процессе измерения может влиять на протон, электрон, на другие субатомные объекты, демонстрирующие или волновые свойства, или свойства частицы. Джон предположил, что решение, принятое в будущем, может ретроспективным образом влиять на результат измерений.

Построения Уилера выглядели просто, но разумно: он представил бейсбольную площадку с зеркалами, размещенными на основной базе и на каждой из трех остальных баз. Зеркала должны быть двух разновидностей: те, что на первой и третьей базе – обычные, отражающие весь свет, а на основной и на второй – специальные, посеребренные наполовину (полупрозрачные), которые отражают половину света, а вторую пропускают. Зеркало на второй базе обладает дополнительным свойством убираться в землю при нажатии переключателя, и в начальном положении оно убрано.

Предположим, что наполовину посеребренное зеркало на основной базе размещено так, что падающий в направлении первой базы луч света частично проходит, а частично отражается в направлении третьей базы. Через крохотную долю секунды свет, нацеленный на третью базу, достигнет размещенного там зеркала и отразится в сторону правого поля; сходным образом свет, направленный на первую базу, отразится к левому полю.

Детекторы, размещенные в правом и левом полях, фиксируют ожидаемый результат: 50 процентов исходного светового потока достигло правого поля, и 50 – левого. Как и в фейнмановском интеграле по траекториям, оба исхода случаются одновременно и имеют равную вероятность. Свет распространяется по двум различным маршрутам, подобно волновому паттерну в хорошо известном эксперименте с двумя прорезями, который демонстрирует квантовую неопределенность.

Теперь представим, что произойдет, если мы нажмем переключатель, и наполовину посеребренное зеркало на второй базе поднимется на уровень остальных зеркал. Поначалу процесс пойдет точно так же, лучи в равной пропорции отправятся к первой и третьей базам. Сориентированное в определенном направлении зеркало второй базы будет отклонять весь свет с первой и третьей баз в сторону правого поля (пропущенный в первом случае и отраженный во втором), так что света левому полю не достанется (поскольку оба луча погасят друг друга в процессе, именуемом деструктивной интерференцией). В результате мы получим совершенно иной исход: 100 процентов справа, 0 процентов слева, и свет перенесется в одном направлении, как частица.

Свету требуется время на путешествие, его движение не бывает мгновенным. Следовательно, вообразим ситуацию, в которой исходный луч включен и выключен так быстро, что только горсть фотонов (или даже единственный фотон) отправился в путь: ограниченный световой пакет, а не постоянный поток. Далее предположим, что наблюдатель рядом со второй базой был проинструктирован поднять зеркало после того, как исходная вспышка произошла, но до того, как она достигла второй базы. Произвольным образом он решает, поднять ему зеркало или оставить опущенным. Базирующийся на отложенном выборе, воплощенном уже после того, как эксперимент начался, результат может быть любой: волноподобный или корпускулярный.

Например, представим, что пакет света был отправлен с намерением произвести волноподобную интерференционную картину с двумя разными пиками в правом и левом поле. Но затем экспериментатор изменил намерения и нажал переключатель, чтобы поднять зеркало на второй базе. Свет ударит в него и отразится целиком в сторону правого поля, показав частицеподобные свойства.

Как может свет, уже испущенный, «знать», что он должен трансформировать себя? Или нажатие выключателя неким образом ретроспективно влияет на свойства передаваемого света? Если это возможно, тогда квантовые измерения могут оказывать влияние как вперед, так и назад во времени.

Эксперименты, проведенные в 1984 и 2007 годах, подтвердили гипотезу Уилера.

После дальнейших размышлений он сделал еще шаг вперед и расширил эксперимент с отложенным выбором на вселенную целиком. Вместо бейсбольной площадки он вообразил сверхъяркий, невероятно удаленный объект, такой как квазар (формирующаяся галактика), расположенный на основной базе, и две приемлемым образом расположенные галактики, которые служат первой и третьей базой. Посредством процесса гравитационного линзирования (изгибание луча света из-за искажения пространства) они обе перенаправляют свет квазара к Земле, которая назначается второй базой (именно тут принимается решение поднять или опустить наполовину посеребренное зеркало).

На Земле ученые могут решить, на какую из двух галактик нацелить телескоп. Альтернатива состоит в том, что они используют зеркало, чтобы собрать световой поток от двух разом. Нацеливание телескопа на одну из галактик позволит получить частицеподобное решение, в котором квазар будет представлен в виде точки. Наоборот, использование зеркала даст волноподобное решение, и квазар предстанет размытым объектом. Таким образом, астрономы через миллиарды лет после того, как свет квазара отправился в путь, могут выбрать, воспринимать его как частицу или как волну.

Когда дополнительность встречается с космологией, результат получается странным.