«Наша работа нацелена на лучшее понимание законов природы». Интервью с физиком-ядерщиком Александром Ивашкиным

Почему важно понимать законы квантового мира? Можно ли распутать запутанные фотоны? Что произойдет, если человек шагнет в квантовый мир? Об этом рассказывает Александр Павлович Ивашкин, кандидат физико-математических наук, старший научный сотрудник Института ядерных исследований РАН.

— В одной из лабораторий отдела экспериментальной физики Института ядерных исследований РАН находится установка, с помощью которой вы проводите важную фундаментальную работу по исследованию запутанных состояний фотонов. Что вам удалось узнать?

— Запутанное состояние, за которое несколько лет назад была получена Нобелевская премия, — простое следствие принципа суперпозиции, которая общепризнана в квантовой механике и никакой загадочностью не обладает. Это значит, что состояние частицы может быть описано суммой собственных состояний, а при измерении всегда получается одно из этих собственных состояний. Особого внимания это не привлекало, пока не заметили, что эта запутанность сохраняется в том числе на макрорасстояниях.

— А в чем заключается эта запутанность?

— Принцип суперпозиции гласит, что состояние какой-то частицы и системы описывается суммой собственных состояний. Вот эта сумма состояний системы и есть запутанность, когда вы не можете эту сумму разложить на независимые состояния. А если можно разложить, в таком случае это не запутанное состояние. В запутанном состоянии изменение состояния одной частицы ведет к изменению состояния другой частицы, поскольку они связаны через общее состояние системы.

— То есть эти состояния существуют только в виде суммы?

— Да. Яркий пример — кот в знаменитом парадоксе Шредингера. Он одновременно и жив, и мертв. Он находится в состоянии запутанности с радиоактивным атомом, и если он распадется, то разобьется банка с ядом и кот умрет. А если атом не распадется, то не разобьется банка с ядом и кот останется в живых. Такие состояния возможны только в квантовом мире. Это особый мир, хотя мне кажется, что мы все — представители квантового мира. У каждого из нас есть так называемая длина волны де Бройля, которая характеризует квантовый характер объекта. Для макрообъектов, включая человека, она исчезающе мала, тем не менее мы все — представители квантового мира.

— А я думала, мы живем в квантовом мире в том смысле, что хоть мы и живы, но это временно. Можно сказать, что мы, рождаясь, уже немножко умираем.

— Это уже не совсем физика. Хотя, по большому счету, парадокс кота Шредингера как раз связан с тем, что кот наполовину жив и наполовину мертв. Это действительно такой парадокс, который до сих пор не имеет решения. Есть точка зрения, что так называемые озарения, которые испытывают особенно талантливые ученые, — не что иное, как выход в этот самый квантовый мир. Я в этом не уверен, но все возможно. 

— Как же вам удалось тут что-то распутать?

— Мы пытались просто чуть глубже понять эту запутанность, но уже не в квантовой оптике, не в атомной физике, где обычно занимаются такими вещами, а ушли на другой уровень — ядерной физики. Как ни странно, хотя ядерная физика сама по себе уже квантовая, эффекты квантовой запутанности изучают в основном в квантовой оптике и в атомных системах, потому что там легче приготовить такие запутанные состояния, которые нельзя разложить на независимые состояния, но которые довольно легко исследовать. Там есть приборная база, позволяющая их исследовать, и они все-таки гораздо больше, чем ядерные системы, к которым очень трудно получить доступ.

— Слушая вас, я поняла, почему академик А.С. Холево говорит, что правильнее называть эти состояния не запутанными, а сцепленными: они не существуют друг без друга.

— Запутанность — это скорее художественный образ. Частицы не столько запутаны, сколько неразрывно связаны. Разделить их напрямую невозможно. Однако, измерив их состояние, мы можем разорвать эту связь. В момент измерения запутанность исчезает, и частицы, например фотоны, становятся независимыми. Таким образом, измерение позволяет нам распутать их. Именно это мы и пытались сделать.

— А как вы это делаете? Что это за прибор?

— Он включает в себя источник позитронов. Это обычный радиоизотоп натрий-22, который образуется в алюминии при облучении протонами. Позитрон получается при распаде натрия-22. Поскольку это античастица электрона, он тут же аннигилирует с окружающим электроном, и возникают два так называемых аннигиляционных гамма-кванта. Они называются аннигиляционными фотонами, но каждый из них имеет энергию, равную массе электрона. Это очень большая энергия, на пять порядков больше, чем фотоны видимого света, который окружает нас. Из-за этой разницы возникают и преимущества, и проблемы. Преимущество в том, что, касаясь высокоэнергетичных фотонов, вы почти не меняете их состояние. С другой стороны, померить их довольно сложно, здесь нельзя применять обычные оптические анализаторы, потому что они созданы для обычного света. Чтобы измерить эти фотоны, приходится прибегать к процессу комптоновского рассеяния. Вообще, когда мы говорим о запутанности фотонов, мы должны говорить о запутанности поляризационных состояний. Поляризация фотона — это направление вектора электрического поля электромагнитной волны, которая этот фотон и представляет. Когда мы говорим о запутанном состоянии двух аннигиляционных фотонов, мы подразумеваем, что каждый фотон в отдельности не имеет собственной поляризации. Это тоже удивительная вещь.

— Почему это удивительно?

— В школе нас учили, что любой фотон обладает поляризацией. Но оказывается, что в системе запутанных фотонов каждый фотон не имеет собственной поляризации, но поляризация одного фотона перпендикулярна поляризации другого.

— А как вы это выяснили?

— Это предсказывает теория, созданная еще в середине прошлого века. Правда, в то время, когда еще не было такого большого внимания к теме запутанности, это восприняли как простой курьез, то есть никто на это не обращал внимания. Только Дэвид Бом, один из основоположников квантовой теории, заметил, что пара аннигиляционных фотонов представляет собой систему запутанных фотонов. Он же предложил их измерить, чтобы доказать, что состояния поляризации взаимно перпендикулярны. Эти опыты были сделаны тоже в середине прошлого века. Все подтвердилось. Но поскольку эти фотоны обладают очень большой энергией, их поляризацию можно измерить только через процесс комптоновского рассеяния, где точность измерения поляризации довольно плохая, в два раза хуже, чем у видимых фотонов. Поэтому их измерили, подтвердили, что их свойства соответствуют теории, и о них забыли. Вспомнили только лет 20 назад, когда тема запутанности стала широко эксплуатироваться. Внимание аннигиляционным фотонам стало уделяться благодаря еще одной работе Бома, где он показал, что при взаимодействии такого фотона с окружающей средой он теряет свою запутанность и корреляции между двумя фотонами исчезают. Этот эффект потери корреляции между фотонами захотели применить в позитронно-эмиссионной томографии.

— Каким образом?

— Позитронно-эмиссионная томография — один из методов диагностики ядерной медицины. Он очень широко используется во всем мире. Позитронно-эмиссионные томографы довольно дорогие, у них реально сложные детекторы, много тысяч каналов, но они позволяют очень точно определять наличие, например, опухолей в организме. Для этого в кровь впрыскивают контрастное вещество — источник позитронов, например с глюкозой. Эта глюкоза тут же поглощается опухолью, и позитроны начинают аннигилировать в опухоли. Получается, что все тело светится фотонами от процесса аннигиляции позитронов, но опухоль при этом начинает светиться очень ярко, как лампочка. Другими методами ее сложнее найти. Физики решили, что это явление можно применить и в томографии. Для этого нужно сделать детектор, который будет мерить поляризацию двух фотонов. Согласно теории Дэвида Бома, после измерения поляризаций между фотонами эта сцепленность должна исчезать и фотоны становятся независимыми. Поэтому было предложено мерить эти квантовые поляризационные корреляции и с их помощью очищать изображение от случайных и от рассеянных в теле человека фотонов.

— Это должно повысить качество картинки?

 — Да, точность изображения должна была повыситься. Но почему-то никому в голову не пришло проверить предположение Бома, что при взаимодействии аннигиляционных фотонов теряется их квантовая запутанность. Один из постулатов квантовой механики гласит, что при измерении эта система должна стать независимой, но все это относится к нерелятивистской квантовой механике. Физики же высоких энергий обычно работают с квантовой электродинамикой, где понятия измерения вообще нет, там есть понятие взаимодействия. И когда мы начинали наш эксперимент, мы хотели понять, действительно ли эти взаимодействия фотонов с внешней средой приведут к разрушению запутанности. Честно говоря, мы были уверены в том, что это произойдет.

— Вы хотели увидеть, как исчезла запутанность?

— Да. Это было во время пандемии ковида, и появилось время заняться тем, что нам казалось интересным. Решили разобраться с этими запутанными состояниями, пока сидели на карантине и у нас прекратилось сотрудничество со многими зарубежными экспериментами. Мы поставили вместо внешней среды маленький сцинтиллятор, который имитирует тело человека, и напрямую смотрели, что происходит с фотоном. Если фотон взаимодействует в этом сцинтилляторе, значит, произошла так называемая декогеренция, то есть распад запутанного состояния, а фотоны стали независимыми. Если не произошло взаимодействие, значит фотоны остались запутанными и между ними должна быть корреляция. Мы стали мерить и вдруг обнаружили, что эти корреляции оказались одни и те же. Фотоны не распутались.

— А почему? Как вы это объясняете?

— Это было очень неожиданно, мы были в полном шоке. Сначала думали, что мы ошибаемся, что ловим какие-то шумы, а не взаимодействие фотонов. Мы потратили несколько месяцев, чтобы убедиться в том, что фотоны взаимодействуют правильно и мы видим сигнал от их взаимодействия. Тем не менее корреляции остались те же самые. Несмотря на критику наших коллег, мы решили отправить наши результаты в один из журналов издательства Nature. Честно говоря, думали, что нас побьют за такие результаты. Но рецензенты очень заинтересовались, сказали, что эти результаты надо опубликовать. Публикация вызвала очень большой интерес, особенно в связи с тем, что буквально за полгода до нас в престижном журнале того же издательства Nature были опубликованы результаты, подтверждающие, что корреляции исчезают. Английские коллеги на этом основании пришли к выводу, что это можно использовать в позитронной томографии.

— А вы показали, что нельзя?

— Да, мы показали, что, к сожалению, нельзя, и мы были этим расстроены. Но тут же появилась группа теоретиков, которая объяснила наши результаты. Поскольку у нас происходит не измерение, а просто взаимодействие, то все это нужно описывать как раз квантовой электродинамикой. Конечно, то, что это нельзя использовать в томографии, стало не очень приятным выводом из нашего эксперимента. Думаю, особенно неприятным для тех групп, которые занимались созданием таких квантовых позитронных томографов.

— Они остановили свои работы?

— Думаю, да. Получилось, что и они, и даже Бом были неправы.

— Но основным применением запутанности фотонов считались разработки в области криптографии. Они остаются или ваши исследования их тоже отменяют?

— Они остаются именно из-за того, что квантовая криптография работает с оптическими фотонами. У них очень маленькая энергия, на пять порядков ниже, и фактически любое прикосновение там приводит к декогеренции, то есть к распаду запутанного состояния. Но мы показали, что на более высоком уровне энергии проблема более сложная. В журнале Science была размещена ссылка на нашу работу, где было указано, что мы обнаружили устойчивость квантовой запутанности, в то время как раньше она ассоциировалась с хрупкостью состояния: прикоснешься чуть-чуть — и она тут же распадется. А мы показали, что это не всегда так, если речь идет об очень высокой энергии. Таким образом, мы внесли определенный вклад в понимание квантовой запутанности.

— Вы ее распутали?

— Скорее мы показали, что, как это ни странно, мы ее не можем распутать.

— А что нужно сделать, чтобы оживить кота Шредингера?

— Наверное, не пускать его к банке с ядом. На самом деле этот парадокс остается в квантовой механике. Да и вообще парадоксов очень много, и они действительно имеют право на жизнь, потому что квантовый мир не такой, как мы его представляем. Парадоксально и то, что мы при этом остаемся частью квантового мира, его носителями. Это мое персональное мнение: я все больше склоняюсь к тому, что мир классический, в котором мы живем, и мир квантовый очень сильно различаются. В нем есть парадоксы, которые мы не можем объяснить в нашем реальном мире. Мы видим, что теория подтверждается экспериментами. Нам это кажется поразительным, невероятным, но мы просто привыкли к нашему классическому миру. Поэтому, видимо, с этим надо смириться.

— Смириться и продолжать исследования?

— Да, надо понимать, что кот Шредингера наполовину жив и наполовину мертв — и мы с этим ничего не можем сделать.

— Знаю, что у вас есть еще исследования, связанные с нейтрино. Расскажите об этом.

— Да, мы вошли в программу Национального центра физики и математики, который организован в городе Сарове на базе Всероссийского научно-исследовательского института экспериментальной физики (РФЯЦ — ВНИИЭФ). Поскольку в России есть значительные запасы трития — достаточно дорогого и редкого изотопа, возникла идея использовать его для измерения электромагнитных свойств нейтрино, в частности его магнитного момента.

— Но ведь нейтрино считается нейтральной частицей?

— Тем не менее есть модели, подсказывающие, что у него может быть значительный магнитный момент. И распад трития как раз очень хорошо подходит для таких измерений. Нам предложили сделать такой детектор, который бы измерял взаимодействие нейтрино с этим детектором при очень маленьком энерговыделении, меньше 1 кэВ. Это низкоэнергетичный, фактически атомный уровень. Мы пытаемся сделать такой детектор. Мы уже получили энергетический порог регистрации значительно ниже 1 кВт, но пока пытаемся понять, какой там уровень радиоактивного фона. Мы с вами сейчас сидим в бетонном здании, а вокруг нас огромные потоки фоновых гамма-квантов. Мы получаем радиоактивную дозу от этих гамма-квантов. И спектр у них — начиная от рентгеновских в килоэлектронвольты и заканчивая мегаэлектронвольтами. Мы живем в этом мире фотонов и даже не задумываемся об этом. Для человека, страдающего радиофобией, такая среда, наверное, стала бы невыносимой. Возможно, он бы искал убежища в свинцовом контейнере. Однако естественный радиоактивный фон — необходимое условие существования человечества. Присутствие естественной радиоактивности способствует укреплению иммунитета, но этот же фон нам довольно сильно мешает.

— Мешает вам, физикам?

— Да. То есть этот фон в целом благодатный, но для наших детекторов может быть помехой. Мы недавно обнаружили, что в лаборатории этот фон очень большой, поэтому отвезли часть детектора в Баксанскую нейтринную обсерваторию, которая находится внутри горы. Там фон гораздо ниже. Тем не менее он все равно там присутствует, потому что там есть радон, который выделяется из горных пород. К счастью, там нет космического фона, потому что мюоны застревают в этой горе. Мы сейчас пытаемся понять, с чем связан фон, который мы фиксируем, — с окружающей средой или с нашим детектором. Это сложная задача. Наш детектор основан на использовании неорганического сцинтиллятора. Обычно такие детекторы изготавливают из благородных газов или кремния, а мы пытаемся сделать из сцинтилляторов, потому что они гораздо тяжелее.

— Почему это важно?

— Чем больше масса, тем больше вероятность взаимодействия нейтрино. Но чем это закончится, мы еще не знаем.

— А что вы хотите получить в результате?

— Хотелось бы получить идеальный детектор, который бы регистрировал сигналы на уровне сотен электронвольт, то есть ниже килоэлектронвольта, и чтобы вообще не было фона, тогда бы мы видели только сигнал от нейтрино.

— Зачем это нужно?

— В зависимости от того, какие свойства нейтрино предсказываются, в этом детекторе получается разное количество взаимодействий. Поэтому, измеряя количество взаимодействий нейтрино, его энергию, можно определить его свойства.

— Допустим, вы определите все свойства нейтрино. Что это даст?

— В первую очередь, понимание физики нейтрино. Это загадочные частицы, которые окружают нас повсюду. Дело в том, что если они обладают магнитным моментом, то вероятность их взаимодействия гораздо выше. Причем у нейтрино с очень низкими энергиями такая вероятность самая высокая. Может быть, в этом случае мы когда-нибудь научимся их использовать в каких-то прикладных целях — например, для мониторинга ядерных реакторов или исследований внутреннего строения Земли. Чем лучше мы понимаем свойства нейтрино, тем глубже можем понять и свойства Земли, космоса, вообще природы.

— Слышала точку зрения, что стерильные нейтрино могут составлять сущность темной материи. Как к этому сейчас относятся?

— Такая возможность присутствует, хотя она постоянно уменьшается. В мире есть множество экспериментов, где пытаются померить стерильные нейтрино в различных областях их возможных параметров, но эти области постоянно закрываются. Сейчас возможность существования стерильного нейтрино сужается в буквальном смысле. Но, несмотря ни на что, вопрос полностью не закрыт. В частности, эксперимент в нашем институте тоже нацелен на поиск стерильных нейтрино. Если есть вероятность, надо ее исследовать, чтобы либо подтвердить, либо исключить ее полностью.

— Какие еще исследования у вас ведутся?

— Мы активно участвуем в мегапроекте NICA в Дубне. К сожалению, сам коллайдер в строй еще не вступил. Здесь много объективных факторов, в частности санкции. Надеюсь, он скоро заработает. Это даст возможность увеличить энергии на порядок, а там есть интересная область, где можно изучать фазовые переходы в ядерной материи. Мы привыкли к фазовым переходам, например, в воде, но ядерная материя тоже обладает такими фазовыми переходами. Проект NICA нацелен на исследование и таких задач.

— Чего вы от этого ожидаете?

— Понимание свойств ядерной материи очень важно, потому что это один из видов материи, которая нас окружает. Мы сами состоим из ядерной материи. Наша масса в основном обусловлена массой ядерной материи.

— Мы сможем лучше понять самих себя?

— Мы сможем лучше понять природу, а это в конечном счете — главная цель физики.

— Какие вы видите тут еще прикладные возможности?

— Мне кажется, каждый ученый в глубине души больше думает именно о чистой науке, о том, как можно лучше понять природу, а не столько о том, какую конкретную пользу это принесет. Польза — это уже побочный продукт исследований.

— Как вы думаете, может быть, это и есть польза, которую вы приносите, — то, что человек думает об этом, ищет ответы на все эти вопросы? Возникает мысль, что эти поиски ответов на вопросы самоценны.

— Да, конечно, просто это не приносит сиюминутную выгоду. Но мы над этим тоже работаем — делаем инновационные детекторы, о которых я вам не буду говорить, потому что они могут принести прибыль. Но исследования физики нейтрино, квантовой запутанности, ядерной материи нацелены на более фундаментальный уровень, на понимание устройства природы. А польза — уже побочный продукт, но он неизбежен. Та же самая квантовая запутанность: она изучалась еще 50 лет назад, но Нобелевскую премию за это дали, когда увидели, что это может принести пользу.

Интервью проведено при поддержке Министерства науки и высшего образования РФ