Если квантовая механика вас не потрясла до глубины души, значит, вы ее еще не поняли. Нильс Бор.
Как все начиналось
Еще в 17-ом веке Ньютон и Гюйгенс начали великий спор о природе света. Ньютон утверждал, что свет - это поток частиц. Гюйгенс уверял: свет - волна. Тогда авторитет Ньютона взял верх. Корпускулярная теория света просуществовала до начала 19-го века, когда Томас Юнг провел знаменитый двухщелевой эксперимент, который однозначно (как тогда казалось) доказывал волновую природу света.
Он пропускал пучок света чередвз ширму с двумя параллельными щелями, и на проекционном экране за ширмой образовывалась интерференционная картина, что четко свидетельствовало в пользу волновой теории света. Ведь если бы свет состоял из частиц, то на экране было бы просто две полоски, образующиеся прохождением частиц через две щели ширмы.
Но в конце 19-го начале 20-го столетий снова все перевернулось с ног на голову. Были обнаружены такие оптические эффекты, как эффект Комптона, фотоэффект, фотохимические реакции. При объяснении этих явлений волновая теория оказалась несостоятельной. Плюс ко всему, оказалось, что опыт Юнга можно повторить и с потоком электронов с образованием интерференционной картины! Физики совсем расстроились. От безысходности стали говорить о волночастицах. Но они еще не подозревали тогда, что самое загадочное и интересное было впереди.
Чудесные эксперименты
Как уже упоминалось выше, двухщелевой эксперимент проводился и с потоком электронов: на фиксирующем экране вырисовывалась интерференционная картина. Причем картина проявлялась даже в том случае, когда электроны пускали по одному друг за другом! Т.е. дело было не во взаимодействии электронов друг с другом. Как мы знаем, интерференция - это явление, возникающее при наложении двух (или более) волн друг на друга. В данном случае происходит наложение двух волн, исходящих от каждой из щелей. Как электроны, выпущенные один за другим, способены вызывать интерференцию?! Только если каждый электрон проходит через две щели сразу! Но даже это еще не самое странное. Ученые ставят детектор электронов на одной из щелей (или на двух сразу, не существенно), чтобы узнать, через какую же щель проходят наши "проказники". И что вы думаете? Каждый электрон детектируется только на одной из щелей. Но самое главное то, что интерференционная картина при этом пропадает! Сам факт "слежки" за электроном заставляет его становится обычной частицей! Наивные Ньютон и Гюйгенс :-) Вот очень хороший мультфильм, наглядно показывающий суть подобных экспериментов:
А вот еще пример другого эксперимента из книги Дэвиса Пола "Суперсила":
Предположим, что экспериментатор включает прибор и сначала выбирает направление, чтобы измерить относительно него ориентацию спина частицы. На практике в качестве такого направления обычно принимают направление магнитного или электрического поля. Экспериментатор хочет определить угол между спином частицы и направлением поля. Проведя измерение, он с удивлением обнаруживает, что спин ориентирован строго по направлению поля. Эксперимент повторяется многократно, но результат всегда один и тот же: спин всегда ориентирован вдоль выбранного направления. Подозревая неладное, экспериментатор принимается менять направление внешнего поля, но спин частицы неизменно следует за его направлением. И как ни пытается экспериментатор обнаружить спин, направленный под углом к исходному направлению, у него ничего не получается. Экспериментатор в замешательстве: частица как бы читает его мысли, поскольку всегда указывает направление, которое он произвольно выбирает для отсчета.
Отчаявшись, экспериментатор прибегает к дьявольской хитрости задает два различных исходных направления, А и В, и измеряет угол между направлением спина и каждым из них. Поскольку спин частицы, по мнению экспериментатора, не может быть одновременно ориентированным в двух различных направлениях, по крайней мере в одном случае спин образует с одним из них некоторый угол. Исходя из этого, экспериментатор производит первое измерение. То, что спин ориентирован вдоль направления А, не вызывает у него удивления. Второе измерение он проводит сразу же вслед за первым, чтобы спин не успел переориентироваться. Направление В было выбрано так, что составляло угол 250° с направлением А, и экспериментатор, только что с удовлетворением установивший, что спин ориентирован вдоль оси А, естественно, ожидает, что спин будет направлен под углом 250° к оси В. Однако он с изумлением обнаруживает, что природа перехитрила его: частица каким-то образом упредила его, и ее спин, словно по волшебству, оказался ориентированным вдоль оси В! В ярости экспериментатор принимается вновь измерять угол между направлением спица и осью А и видит, что спин, как и прежде, ориентирован вдоль оси А.
Неопределенность Гейзенберга
Выше описанные явления вытекают из принципа неопределенности Гейзенберга - основы квантовой теории. Если вкратце, то его суть состоит в том, что нельзя одновременно определить все параметры квантовой системы, например, импульс (скорость) и координату частицы. Если мы фиксируем скорость, то не можем знать точно, где находится частица. И наоборот. Зная скорость, не можем говорить о точном ее местоположении. Оценивать другую характеристику можем только вероятностно. И никогда не удастся определить одновременно обе характеристики частицы точно. При этом важно понимать, что дело не в наших ущербных несовершенных инструментах, а в том, что это принципиально невозможно. Сам акт фиксирования одной из характеристик "размазывает" другую. Можно сказать, что у частицы просто нет одновременно и импульса, и координаты.
ЭПР-парадокс
Эйнштейн никак не мог смириться с этим вероятностным принципом. Ему очень не хотелось терять определенность и истину. "Бог не играет в кости", - говорил он. Эйнштейн называл квантовую механику абсурдной. Он считал, что физики просто пока не знают значений некоторых скрытых переменных, которые бы позволили уйти от неопределенности. Оппонировал ему Нильс Бор, который утверждал, что вероятностный характер предсказаний квантовой механики принципиально не устраним. Эйнштейн был не один в своем убеждении (мало кому хотелось терять веру в существование объективной реальности). На его стороне сражались Борис Подольский и Натан Розен. Они вместе с Эйнштейном предложили мысленный эксперимент, который получил название "парадокс Эйнштейна - Подольского - Розена" (ЭПР-парадокс). Суть его в следующем. Если мы не можем замерить одновременно и импульс и координату частицы, то что нам мешает вычислить ее косвенно? Берем две одинаковые частицы и сталкиваем их друг с другом. Выбираем одну из частиц для определения ее характеристик. Замеряем ее координаты в определенный момент времени после столкновения. Определить ее импульс в этот момент мы не можем. Ну что ж, не беда. Зато мы можем измерить импульс другой частицы. Зная, что суммарный импульс частиц до столкновения равен суммарному их импульсу после столкновения, мы вычисляем импульс первой частицы. В результате мы точно знаем и координаты, и импульс одной из частиц. Хитро, правда? Но Бор не сдавался. Он предположил, что две провзаимодействовавшие частицы остаются каким-то образом связанными между собой, т.е. состояние одной из частиц при измерении мгновенно передается другой. Если у одной частицы мы измерили импульс, то координату мы не сможем измерить не только у первой, но и у второй частицы! Эйнштейн тут увидел противоречие своей теории относительности, которая устанавливает предел скорости передачи какой либо информации (сигнала), равный скорости света.
Но все это были только мысленные эксперименты. Спор пока не мог быть разрешен в силу технической сложности постановки реальных экспериментов.
Теорема Белла
Значительно позже в 60-е годы Джон Белл размышлял над ЭПР-парадоксом. Он придумал, как положить конец этому бесконечному спору физиков, который начали Бор и Эйнштейн (они, кстати, так и не дожили до этого момента). Основываясь на аргументах ЭПР-товарищей, он формализовал этот спор ввиде некоторого неравенства, которое назвали неравенством Белла (или теоремой Белла). Осталось дело за малым - как всегда провести эксперимент. Если в эксперименте неравенство Белла подтверждалось, то прав был Эйнштейн, если нет, то Бор. Технически такой эксперимент также пока провести было невозможно. Но, по крайней мере, теперь было точно известно следующее: 1) что проверять, 2) что даст эта проверка, и 3) что эта проверка принципиально возможна.
Конец здравому смыслу или Прощай объективная реальность
По настоящему убедительный эксперимент по проверке неравенства Белла удалось провести только в 1982 году Алену Аспеку (Alain Aspect) в Париже. В этом эксперименте одновременно измерялись направления поляризации двух фотонов, испущенных одним и тем же атомом и движущихся в противоположные стороны. Аспек обнаружил, что фотоны способны мгновенно сообщаться друг с другом независимо от расстояния между ними. Эксперимент поставил точку в нескончаемых спорах. Процитируем Пола Девиса:
Результаты не оставляли никакого сомнения: Эйнштейн был неправ. Квантовую неопределенность невозможно обойти. Она — неотъемлемая особенность квантового мира и не может быть сведена к чему-то другому. Наивное представление о реальности частиц, обладающих четко определенными свойствами в отсутствие наблюдений над ними не выдержало испытания. Аспек “забил последний гвоздь” в гроб физики, основанной на здравом смысле.
Невозможно отделить наблюдателя от наблюдаемого: сам способ наблюдения "проявляет" определенные свойства квантового мира.
Две или более частиц, провзаимодействовавшие между собой, могут чувствовать присутствие друг друга на сколь угодно большом расстоянии друг от друга и вести себя как единое целое (такие частицы называют спутанными).
Дальше физики изгалялись как могли. Даже молекулы (просто огромные по квантовым меркам объекты) "мучали" рассеиванием на дифракционной решетке. И даже в этом случае эффект интерференции зависел от очень забавной величины: меры уверенности экспериментатора в том, что данная частица прошла через такую-то щель.
Квантовая физика 
