Глава 6. Когда завтра опережает вчера

Думаю, я могу ответственно заявить, что никто не понимает квантовую механику. Если есть возможность, прекратите спрашивать себя: «Да как же это возможно?» – так как вас занесет в тупик, из которого еще никто не выбирался.

Ричард Фейнман, лауреат Нобелевской премии по физике

Квантовая механика описывает миниатюрный мир атомов и их составных частиц, причем отличается ошеломляющей точностью, хотя от начала и до конца является вероятностной. Квантовая механика применяется при проектировании и создании многочисленных технологий, определяющих жизнь современного общества. Например, она исключительно важна для создания лазеров и сложнейших компьютеров, но во многих отношениях противоречит не только нашим сущностным и абсолютным убеждениям о природе пространства, но и всем ньютоновским концепциям порядка и уверенного прогнозирования.

В данном случае уместно вспомнить старинный принцип Шерлока Холмса, который гласит: «Когда вы исключили все невозможное, то, что осталось, даже самое невероятное, и есть истина». В этой главе мы ознакомимся с основными фактами квантовой теории, причем сделаем это по-холмсовски – специально отбросим все предубеждения, накопившиеся за последние 300 лет развития науки. Причина, по которой ученые все дальше и дальше заходят в тупик, заключается в следующем: они отказываются признать непосредственные и очевидные следствия экспериментов. Биоцентризм – единственная концепция, постижимая для человека и объясняющая, почему мир выглядит именно так, а не иначе. И если мы откажемся от традиционных взглядов на устройство мироздания, то горевать по этому поводу нам точно не придется. Как отметил нобелевский лауреат Стивен Вайнберг, «сомнительное удовольствие – втолковывать людям простейшие законы физики».

Чтобы выяснить, почему пространство и время относительны для наблюдателя, Эйнштейн присвоил их «изменчивым изгибам» запутанные математические свойства. Эйнштейновское пространство-время – это невидимая и неощутимая сущность. Несомненно, Эйнштейн весьма успешно объяснил принципы движения объектов, особенно в экстремальных условиях – например, при огромной гравитации и на очень высоких скоростях. Но многие люди стали ошибочно полагать, что пространство-время – это реально существующий феномен, не менее материальный, чем швейцарский сыр. На самом же деле речь идет просто о математическом конструкте, который служит конкретной цели – упростить расчеты, связанные с движением. Разумеется, путаница с пространством-временем – далеко не первый случай, в котором математические инструменты ошибочно принимаются за реальные феномены. Квадратный корень из минус одного и знак бесконечности – вот всего два примера незаменимых математических сущностей, которые целиком и полностью абстрактны. Ни у того, ни у другого нет никаких аналогов в наблюдаемой Вселенной.

Такая дихотомия между концептуальной и физической реальностью лишь усугубилась с появлением и развитием квантовой механики. Несмотря на центральную роль наблюдателя в данной теории – эта роль напрямую касается не только пространства и времени, но и глубинных свойств материи как таковой, – некоторые ученые по-прежнему считают наблюдателя помехой или игнорируют как какую-то несущественную мелочь.

В квантовом мире отказываются работать даже усовершенствованные Эйнштейном ньютоновские часы – то есть Солнечная система, которая считается точным, пусть и довольно сложным, хронометром. Сама концепция того, что разрозненные события могут происходить в отдельных несвязанных местах – здесь мы сталкиваемся с излюбленным физическим феноменом «локальности», – не соблюдается на атомном и субатомном уровне. Более того, накапливаются все новые доказательства, позволяющие утверждать, что эта концепция не вполне выполняется и в макромире. В соответствии с теорией Эйнштейна, события, происходящие в пространстве-времени, можно измерять относительно друг друга. Однако квантовая механика уделяет повышенное внимание самим процессам наблюдения и тем самым подрывает основы объективности.

Вероятно, при изучении субатомных частиц исследователь самим процессом наблюдения изменяет наблюдаемое и его свойства. Само присутствие экспериментатора и применяемые им методы неразрывно связаны с тем, что он наблюдает, и, соответственно, с результатами экспериментов. Электрон может проявлять себя и как частица, и как волна. Однако как себя поведет эта частица и, гораздо важнее, где она будет при этом находиться, зависит от самого акта наблюдения.

Такие проблемы оказались достаточно новыми. В рамках традиционной, неквантовой физики логично предполагается наличие внешней, объективной Вселенной. В такой Вселенной мы должны с определенностью устанавливать положение отдельных частиц – так же, как выясняем положение планет. Традиционная физика предполагала, что поведение частиц должно быть полностью предсказуемым, если все внешние условия известны в начале эксперимента. Считается, что можно измерить с практически бесконечной точностью физические свойства объекта любого размера, если для этого существуют адекватные технологии.

Наряду с квантовой неопределенностью в современной физике есть еще один аспект, ставящий под сомнение эйнштейновскую концепцию раздельных (дискретных) сущностей и пространства-времени. Эйнштейн утверждал, что скорость света является постоянной и что события в одном месте не могут одновременно влиять на события в другом месте. В теориях относительности приходится учитывать скорость света при определении того, как информация переходит от одной частицы к другой. Такая зависимость обмена информацией от скорости света была подтверждена уже около века назад, даже если речь идет о распространении действия гравитации. Скорость света в вакууме составляет около 300 000 километров в секунду. Однако последние исследования показывают, что эта цифра может отличаться при передаче некоторых типов информации.

Наука столкнулась с поистине странными явлениями в 1935 году, когда Эйнштейн, Подольский и Розен занялись исследованием любопытной квантовой проблемы, называемой «запутанность частиц». Результаты исследования были опубликованы в знаменитой статье, которая не теряет актуальности до сих пор, а рассмотренное в ней явление часто именуется ЭПР-корреляцией.[11]Авторы статьи отвергли принятую в квантовой теории точку зрения о том, что любая элементарная частица каким-то образом «узнает», как ведет себя в пространстве другая, совершенно отдельная элементарная частица. Все наблюдения такого типа они приписали некоему пока еще не установленному локальному искажению, а не особому явлению, которое Эйнштейн саркастически называл «жутким дальнодействием».

Это замечательное образное выражение стоит в одном ряду с еще некоторыми широко растиражированными изречениями великого физика, одно из которых – «Бог не играет в кости». Эйнштейн вновь с удовольствием подколол сторонников квантовой теории, которая все более уверенно утверждала, что некоторые феномены существуют лишь как вероятности, а не как реальные объекты, имеющие конкретное местоположение. Словосочетание «жуткое дальнодействие» уже много десятилетий можно услышать на физических факультетах.[12]Ирония, заключенная в этой фразе, надолго отвлекла всеобщее внимание от истинных масштабов парадоксальности квантовой теории. Учитывая, что аппаратура для проведения квантовых экспериментов долго оставалась сравнительно грубой, кто решился бы усомниться в правоте Эйнштейна?

Однако Эйнштейн был не прав. В 1964 году ирландский физик Джон Белл предложил эксперимент, который позволил бы проверить, могут ли разрозненные элементарные частицы мгновенно влиять друг на друга на огромном расстоянии. Во-первых, для такого эксперимента необходимо создать два фрагмента материи или света, которые имеют общую волновую функцию (как мы помним, даже твердые частицы обладают энергетически-волновой природой). При работе со светом это не составляет труда – достаточно пропустить свет через специальный кристалл. В результате возникают два фотона света, каждый из которых обладает половиной энергии (и двойной длиной волны) по сравнению с фотоном, вошедшим в кристалл. Таким образом, закон сохранения энергии в данном случае не нарушается. Количество энергии остается одинаковым как на входе, так и на выходе.

Согласно квантовой теории все объекты могут вести себя и как частица, и как волна (это свойство называется «корпускулярно-волновой дуализм»), а поведение объекта на квантовом уровне существует только как вероятность. Это означает, что ни одна из субатомных частиц не занимает определенного места в пространстве и не движется в определенном направлении, пока не произойдет коллапс ее волновой функции. Что нужно, чтобы совершить такой коллапс? Как-либо вмешаться в поведение частицы. Например, достаточно «толкнуть» частицу пучком света, попытавшись ее сфотографировать.

Не оставалось никаких сомнений, что коллапс волновой функции произойдет и при любой попытке наблюдения за частицей каким-либо способом. Так, чтобы определить местоположение электрона, по нему необходимо «выстрелить» фотоном. Но в результате взаимодействия двух этих частиц неизбежно произойдет коллапс волновой функции. В некотором смысле эксперимент оказывается искажен. Однако по мере того, как разрабатывались все более сложные эксперименты (подробнее о них – в следующей главе), становилось понятно, что коллапс волновой функции может произойти уже из-за того, что экспериментатор знает о факте эксперимента.

Это казалось безумием, но сюрпризы только начинались. Когда возникает пара запутанных частиц, она обладает общей волновой функцией. Если у одной частицы из этой пары произойдет коллапс волновой функции, у второй также произойдет коллапс, даже если эти частицы находятся в противоположных концах Вселенной. Если наблюдение показывает, что одна из этих частиц имеет спин, направленный вверх, то вторая частица мгновенно превращается из вероятностной в фактически существующую, но уже с противоположным спином. Эти частицы находятся в неразрывной связи, причем ведут себя так, как будто никакого пространства между ними нет, а их поведение не зависит от времени.

Эксперименты, проведенные в период с 1997 по 2007 год, показали, что ситуация действительно обстоит именно так – как будто субатомные частицы, полученные вместе, объединены ЭПР-парадоксом. Если наблюдаемая частица случайным образом начинает двигаться по одной из возможных траекторий, то ее частица-близнец совершает такое же действие в тот же момент, даже если между ними пролегает существенное расстояние.

В 1997 году швейцарский исследователь Николя Жизен впервые запустил шар в этом квантовом боулинге, поставив просто ошеломляющий эксперимент. Группа ученых под его руководством получила запутанные фотоны (частицы света) и запустила их по оптоволоконным кабелям на расстояние более 11 километров. Одна из этих частиц попадала в интерферометр, где могла пойти по одной из двух траекторий, определявшихся случайным образом. Жизен показал, что какой бы путь ни выбрал этот фотон, его близнец мгновенно сворачивал на второй путь.

Необходимо подчеркнуть, что это происходило мгновенно. Реакция второго фотона не задерживалась даже на тот промежуток времени, который требуется на преодоление 11 километров со скоростью света (около 26 миллисекунд). Изменение траектории второго фотона происходило не более чем через три десятимиллиардных доли секунды после того, как траекторию менял первый фотон – такова была предельная разрешающая способность применявшегося оборудования. Было признано, что эти изменения траектории происходят одновременно.

Такой результат полностью согласуется с законами квантовой механики, но кажется невероятным даже самим физикам, поставившим этот эксперимент. Он подтверждает поразительную теорию о том, что запутанная частица-близнец мгновенно реагирует на действие или изменение состояния второй запутанной частицы, причем расстояние между двумя такими частицами не имеет значения.

Описанный факт оказался настолько непостижимым, что некоторые скептики сразу принялись искать лазейку, которая позволила бы его опровергнуть. Наиболее веский контраргумент сводился к «недостаточной точности детектора». В соответствии с ним во всех проведенных на данный момент экспериментах не удавалось отловить достаточного количества фотонов-близнецов. Критики полагали, что аппаратура улавливает слишком незначительное количество фотонов, поэтому можно утверждать, что наблюдаемая синхронность характерна далеко не для всех из них. Однако этот контраргумент был фактически снят в результате нового эксперимента, проведенного в 2002 году. В статье, опубликованной в журнале Nature, были описаны результаты работы исследователей из Национального института стандартов и технологий, выполненной под руководством доктора Дэвида Вайнленда. Применив запутанные пары ионов бериллия и высокоточный детектор, они убедительно доказали, что частица действительно мгновенно реагирует на изменения в действиях частицы-близнеца.

Некоторые ученые полагали, что частица сообщает своему близнецу какой-то новый, ранее неизвестный вид силы или взаимодействия, и на это требуется нулевое время. Однако Вайнленд просто заметил одному из авторов: «Жуткое дальнодействие действительно существует». Конечно же, он понимал, что такая формулировка ничего не объясняет.

Большинство физиков полагают, что скорость света, считающаяся принципиально непреодолимой в соответствии с теорией относительности, так и останется предельно возможной скоростью. Ведь никто не сможет воспользоваться ЭПР-корреляцией для передачи информации, поскольку поведение частицы-передатчика всегда будет случайным. Но новейшие исследования в этой области направлены на решение практических, а не философских проблем. Требуется научиться использовать это причудливое поведение частиц для создания сверхмощных квантовых компьютеров. По словам самого Вайнленда, такие компьютеры должны «максимально полно использовать странные принципы квантовой механики».

Как бы то ни было, все эти эксперименты, проведенные за минувшее десятилетие, со всей очевидностью доказывают ошибочность убеждений Эйнштейна о «локальности». Иными словами, великий физик был не прав, когда утверждал, что ни одна реальная сущность не может воздействовать на другую сущность со сверхсветовой скоростью. Напротив, наблюдаемые сущности находятся в каком-то поле (в рамках биоцентризма оно называется «полем разума»), не ограниченном законами теоретического пространства-времени, описанного Эйнштейном в начале прошлого века.

Не следует полагать, что, когда биоцентризм апеллирует к квантовой теории как к одной из главных точек опоры, он затрагивает всего один аспект квантовых феноменов. Сформулированная в 1964 году теорема Белла, которая с тех пор не раз была подтверждена экспериментально, не оставляет камня на камне от построений Эйнштейна и других физиков, надеявшихся, что локальность может сохраняться.

До Белла допускалась (со временем все более призрачная) возможность, что в мире существует локальный реализм – то есть самодостаточная объективная Вселенная. Так, до появления работ Белла многие ученые упорно придерживались мнения, существовавшего на протяжении тысячелетий и сводившегося к следующему: физические состояния существуют и до того, как будут измерены. В первой половине прошлого века считалось общепризнанным, что элементарные частицы обладают определенными свойствами и параметрами, не зависящими от акта измерения. Наконец, когда Эйнштейн продемонстрировал, что обмен информацией не может происходить быстрее скорости света, сложилось и такое убеждение: если два наблюдателя существенно удалены друг от друга, то измерения, выполненные одним из них, не повлияют на измерения другого.

От всех вышеперечисленных убеждений наука уже решительно отказалась.

Кроме вышеуказанного, в квантовой теории есть еще три важнейших аспекта, которые объяснимы с точки зрения биоцентризма, а в других контекстах кажутся парадоксальными. Чуть ниже мы остановимся на этих аспектах очень подробно, а пока давайте с ними просто ознакомимся. Во-первых, это описанная выше квантовая запутанность. Она представляет собой настолько тесную связь между двумя объектами, что они всегда и мгновенно действуют как одно целое, даже если находятся в разных галактиках. Эта таинственная связь более ярко проявляется в классическом эксперименте с двумя щелями.

Во-вторых, это принцип дополнительности. В соответствии с ним элементарные частицы могут проявлять себя либо одним способом, либо другим, но никогда – обоими способами одновременно. Вариант проявления частицы зависит от того, что делает наблюдатель. Действительно, объект не существует в определенной точке пространства и не совершает конкретного движения. Лишь знания и действия наблюдателя определяют появление частицы в конкретном месте и ее конкретные действия. Существует много пар таких дополнительных свойств. Объект может пребывать в состоянии частицы или волны, но не в двух этих состояниях одновременно. Объект может либо находиться в конкретном месте, либо двигаться в определенном направлении – но не то и другое сразу. Реальность объекта целиком зависит от наблюдателя или от сути эксперимента.

Третий аспект квантовой теории, подкрепляющий концепцию биоцентризма, – это коллапс волновой функции. Он означает, что физическая частица или доля энергии существует в зыбком вероятностном состоянии, и определенность наступает только после коллапса волновой функции в момент наблюдения. Лишь в этот момент частица существует в том или ином состоянии. Именно такие формулировки, согласно копенгагенской интерпретации, применяются для описания процессов, протекающих в ходе экспериментов, связанных с квантовой теорией. Правда, существуют и альтернативные идеи, с которыми мы также вскоре ознакомимся.

К счастью, эксперименты Гейзенберга, Белла, Жизена и Вайнленла обращены к эмпирическому опыту и описывают реальность, существующую здесь и сейчас. Чтобы материя могла проявиться – в виде камешка, снежинки или даже элементарной частицы, – ее должно увидеть живое существо.

Такой «акт наблюдения» особенно ярко проявляется в знаменитом эксперименте с двумя щелями. Этот эксперимент позволяет заглянуть в самую суть квантовой физики. Его ставили множество раз и в самых разных вариантах, и он убедительно доказывает следующие факты. Когда человек наблюдает, как элементарная частица или квант света проникает через щели в специальном барьере, такая частица проявляет себя как твердое тело и «ударяется» в последний сплошной барьер, к которому попадает через прорези. Можно измерить ее «удар». Частица, как крохотная пуля, логически проходит через одну или через другую щель. Но если экспериментатор не наблюдает частицу, то она проявляет волновые свойства, в частности может одновременно пройти через обе щели – хотя и не может разорваться надвое. Возникает характерная рябь, которую могут давать только волны.

Этот корпускулярно-волновой дуализм, который ученые окрестили «квантовая странность», обескураживал физиков на протяжении многих десятилетий. Величайшие физики описывали этот феномен как непостижимый, недоступный для формулирования в словах, для визуализации и совершенно не вписывающийся в здравый смысл и рациональное восприятие. Фактически науке пришлось признать, что квантовая физика непостижима вне пределов сложной математики. Почему же квантовая физика настолько плохо поддается метафоризации, наглядному представлению и описанию на человеческом языке?

Интересно, что если всерьез принять точку зрения о том, что реальность создана жизнью, то квантовая физика становится понятной и очевидной. Важно ответить на вопрос: «Что это за волны?» Еще в 1926 году немецкий физик Макс Борн продемонстрировал, что квантовые волны являются вероятностными, а не материальными, что в точности согласовывалось с теоретическими выкладками его коллеги Шредингера. Волны можно статистически спрогнозировать. Соответственно, вероятностная волна – не что иное, как вероятный результат. На самом деле вне этой идеи волна просто не существует. Она никак себя не проявляет. Как отмечал физик Джон Уилер, лауреат Нобелевской премии, «никакой квантовый феномен не является феноменом, пока он не является наблюдаемым феноменом».

Обратите внимание: здесь мы рассуждаем об отдельных объектах – например, фотонах и электронах, – а не о множествах объектов. Примером множества объектов является, например, поезд. Вы можете посмотреть расписание, приехать на вокзал и встретить друга, который приезжает на определенном поезде. Вы можете быть совершенно уверены, что этот поезд существует и в ваше отсутствие, даже если вы сами его не видите. Одна из причин данного явления заключается в том, что чем больше рассматриваемый объект, тем меньше длина его волны. Когда мы рассматриваем объекты макромира, их волны располагаются слишком близко друг к другу, их нельзя наблюдать или измерить. Тем не менее эти волны существуют.

Но мельчайшие одиночные частицы нельзя считать реально существующими, если их никто не наблюдает. Они могут обладать либо длиной волны, либо положением в пространстве. Когда разум обрисует в пространстве какой-либо объект, который служит основой для существования частиц, пока не прорисует пути (линии в дымке вероятности, представляющей диапазон возможных реализаций объекта), мы сможем сказать, что объект находится «там» или «здесь». Следовательно, квантовые волны определяют лишь потенциальное положение частицы, место, которое она может занимать. Когда ученый наблюдает частицу, она находится в рамках статистической вероятности такого события. Именно это и определяет волна. Волна – это не событие и не феномен, а описание вероятности возникновения того или иного события или феномена. Ничего не произойдет до тех пор, пока кто-нибудь действительно не пронаблюдает событие.

В рамках эксперимента с двумя щелями легко утверждать, что любая из частиц – фотон или электрон – может попасть только в одну из двух щелей, так как эти частицы неразрушимы. Далее можно с полным правом спросить: и в какую же щель она попала? Многие великие физики ставили эксперименты, призванные проследить путь частицы через одну или другую щель. Для этого пытались использовать явление интерференции. Однако все они приходили к поразительному выводу: невозможно одновременно и проследить путь частицы, и наблюдать интерференцию. Можно поставить опыт так, чтобы определить, через какую именно щель проходит фотон. Но если такой эксперимент поставлен, то фотоны начинают бить в одну и ту же точку на экране, как шарики, совершенно не создавая интерференции и волновой ряби. Проще говоря, они ведут себя именно как частицы, а не как волны. Эксперимент с двумя щелями демонстрирует квантовую странность во всей красе, поэтому мы подробно рассмотрим и проиллюстрируем его в следующей главе.

Кстати, когда мы наблюдаем за прохождением элементарной частицы через барьер, сразу происходит коллапс волновой функции. Частица теряет свою вероятностную свободу выбора из двух вариантов – волнового и корпускулярного – и реализуется в одной из двух ипостасей.

Тем не менее это еще не все. Стоит нам признать, что мы не можем узнать о частице и направление движения, и ее интерференционный рисунок, как это умозаключение приводит нас к еще более странным фактам. Допустим, мы работаем с группами запутанных фотонов. Они могут двигаться на большом расстоянии друг от друга, но их поведение всегда будет коррелировать.

Предположим, что два таких фотона (назовем их y и z) выпущены в двух разных направлениях, и повторим эксперимент с двумя щелями. Мы уже знаем, что фотон y таинственным образом пройдет через обе щели и создаст интерференционный рисунок при условии, что мы никак не измеряли его параметры, пока он не достиг экрана-детектора. В другом опыте мы настроим прибор, который позволит нам узнать путь второго запутанного фотона, z, находящегося на расстоянии многих километров от первого. Бинго: как только мы включаем прибор для определения пути фотона z, фотон y мгновенно «узнает», что мы можем дедуктивно определить его путь (поскольку этот путь будет ровно противоположен пути фотона z, иными словами – дополнителен ему). Фотон y внезапно прекращает давать интерференционный рисунок, причем он теряет волновые свойства в тот самый момент, когда мы включаем прибор для определения пути далекого фотона z, хотя мы при этом вообще не трогали фотон y. Именно так и произойдет – мгновенно, в реальном времени, даже если в этот момент фотоны y и z находятся в разных концах галактики.

Хотя все вышесказанное уже не вписывается в рамки возможного, странности на этом не заканчиваются. Логично предположить, что если мы сначала позволим фотону y проскочить через щель в экране-детекторе, а через долю секунды измерим траекторию его далекого фотона-близнеца, то сможем обойти законы квантовой физики. Ведь первый фотон уже прошел нужную траекторию до того, как мы попробовали определить направление его далекого близнеца. Соответственно, мы должны были бы узнать поляризацию обоих фотонов и рассмотреть их интерференционный рисунок. Правильно? Нет. При постановке такого опыта мы действительно получаем рисунок, но он не является интерференционным. Фотон y прекращает проходить через обе щели задним числом; интерференция прекращается. Складывается впечатление, что фотон y как-то «узнает», что по итогам опыта мы сможем определить его поляризацию, «узнает» это еще до попадания в поляризационный детектор.

Что получается? Имея на руках результаты этих опытов, что мы можем сказать о реальной последовательности событий, о настоящем и будущем? О пространстве и раздельности? Какие выводы мы можем сделать о нашей собственной роли и о том, как наши знания о событиях могут влиять на частицы, удаленные от нас на многие километры, причем влиять мгновенно? Как фотоны могут обмениваться информацией за нулевое время? Очевидно, фотоны-близнецы связаны каким-то особым образом, эта связь не нарушается при сколь угодно большом расстоянии между фотонами, не зависит от времени, пространства и даже причинно-следственных связей. Тем более интересно, какие выводы мы можем сделать о том, что такое наблюдение и «поле разумности», в котором протекают все эти эксперименты?

Поиск по сайту: