Глава 3 Быть и не быть одновременно

Вы помните те квантовые частицы, которыми развлекался робот в белой комнате с металлическим столбом? Там внизу, в микромире, частицы действительно проходят все возможные и невозможные пути, чтобы добраться от одного места к другому, из одного времени к другому, пока никто не наблюдает.

Так почему же все квантовые аспекты всех составляющих ваше тело частиц не превращают вас в квантовое существо?

Разве это не было бы круто?

Все разные жизненные сценарии, которые только вы могли себе вообразить, происходили бы одновременно. Вы могли бы быть очень богатым и очень бедным, отцом семейства и холостяком, счастливым и грустным, получить Нобелевскую премию и быть немым от рождения, жить здесь и там, сейчас и потом… Вы могли бы реально прожить все жизни, о которых всегда мечтали, и все те, каких не хотели бы иметь.

Но, кажется, так не происходит.

Вы сделаны из квантовой материи, не так ли? Так что так должно было бы быть.

Но это не так.

Почему?

Ну, как ни удивительно, никто не знает. На самом деле, это связано с одной из величайших тайн квантового мира: почему мы не видим квантовые эффекты повсюду вокруг нас?

Будучи созданы из квантовых частиц, выражений квантовых полей, как и все остальное, почему мы воспринимаем мир именно так, а не как частицы на крошечном, субатомном уровне?

Можно утверждать, что таков мир и что физика существует не для того, чтобы подвергать сомнению его законы, а чтобы пытаться расшифровать их.

Существует, однако, небольшая проблема с таким скромным заявлением: законы квантового мира настолько сильно отличаются от нашей ежедневной реальности, что должен существовать своего рода переход между квантовым и классическим миром, – так называется проживаемый нами мир, к которому мы привыкли. Если бы частицы, составляющие наши тела или же находящиеся в воздухе или в космическом пространстве, вели себя как нормальные теннисные или бейсбольные мячи, то все было бы замечательно. Мы бы понимали все, от мельчайших элементов до самых крупных.

Но они себя так не ведут.

Вы уже видели это несколько раз во время путешествий в микромире. Пытаясь поймать электрон, крутящийся вокруг атома водорода, например; помните, как тяжело было для вас понять, где он и с какой скоростью движется? Хорошо, давайте взглянем на этот факт по-другому.

Представьте себя в вашем мини-состоянии. Вы меньше атома. Частица находится на пути к вам. Вы ничего не знаете ни о ней, ни о ее размере, местоположении или скорости приближения. Вы просто знаете, что она подчиняется законам квантового мира.

Вы достаете мини-фонарик из захваченной с собой сумки и готовы включить его, ожидая, что его свет отскочит от частицы, где бы она ни была, и вернется обратно к вам, сообщив ее положение.

Но, чтобы так поступить, вы не можете взять любой свет.

Вы должны использовать только «правильный» свет.

Помните, что свет можно рассматривать как волну? Ну вот, «правильный» свет здесь означает, что расстояние между двумя последовательными гребнями волн (длиной волны) должно быть приблизительно равным размеру вашей цели или меньше. Если взять слишком большую длину волны, свет, который ей соответствует, не заметит частицы вообще. Он выстрелит сквозь нее, как радиоволны, проходящие сквозь стены дома, даже не замечая их. Однако имеющий «правильную» длину волны свет отразится, и вы будете в состоянии сообщить положение вашей частицы с точностью используемой длины. Одновременно вы сможете проверить, какова скорость частицы, и узнаете все, что хотите знать.

Элементарно.

Вы крутите ручку ультрасовременного мини-фонарика, чтобы получить очень мощный импульс. Настроившись, вы стреляете и… бац! Вы во что-то попали. В частицу. Там. Впереди вас. Свет отскочил от нее и вернулся обратно. Время, потребовавшееся для прохождения в обоих направлениях, позволяет точно определить, где находилась частица при попадании, и поэтому частица не может быть нигде больше. После обнаружения частица теряет характеристики квантовой волны. Из всех возможных положений она мгновенно занимает позицию за долю секунды до того, как была поймана вашим фонариком во время эксперимента. Точно так же, когда робот выбросил частицу в белую комнату, она передвигалась повсюду, пока не была обнаружена датчиком. Этот необратимый процесс называется коллапсом квантовой волны.

После наступления коллапса вы знаете, где находится частица, с точностью длины волны. Теперь вы хотите знать, с какой скоростью она передвигалась в точке обнаружения.

Но это не так-то легко.

На самом деле, вы никогда не будете в состоянии точно ответить на такой вопрос.

Никогда.

Помните: чем короче длина волны, тем большей энергией должен обладать соответствующий ей свет.

Таким образом, чем более точное положение вы получаете, тем более мощный свет необходимо использовать для фонарика, тем труднее попасть в частицу – и потому тем меньше известно о ее последующей скорости.

Для нашего мира это тривиальное высказывание.

Попробуйте точно определить в темноте положение движущегося объекта, направив на него что-то светящееся. Воздействие будет влиять на то, что вы собираетесь исследовать. Если свет вернется к вам, вы узнаете, где находился объект при столкновении с ним, но, если вы еще раз направите свет, чтобы узнать, куда двинулся объект, вы увидите, что его скорость изменилась из-за вашего первого воздействия на него.

И правда, тривиально.

Однако в квантовом мире это не просто тривиальная неопределенность. Это глубокое свойство природы. Оно говорит, что вы по большому счету не можете знать, где находится частица и с какой скоростью она движется. Это правило называется принципом неопределенности Гейзенберга в честь открывшего его немецкого физика-теоретика Вернера Гейзенберга. Гейзенберг является одним из отцов-основателей квантовой теории атомного мира. В 1932 году он получил за нее Нобелевскую премию по физике. Он знал, о чем говорит. Но, как и все остальные с тех пор и поныне, он не понимал ее. Она лежит за пределами нашей интуиции и противоречит здравому смыслу.

Принцип неопределенности немедленно делает квантовый мир весьма отличающимся от нашего повседневного, классического мира.

Прямо сейчас вы знаете, где находится книга, которую вы читаете, по отношению к вашему телу и с какой скоростью она движется или не движется. Следовательно, вы знаете ее положение и скорость с довольно высокой степенью точности. Тем не менее относительно обоих параметров существует некоторая неопределенность – неопределенность, слишком незначительная, чтобы ее заметить, и потому она не имеет значения.

Однако в микромире при вашем микроразмере вы бы не смогли удержать в руках книгу или даже фонарик. Если даже вы точно знаете, где лежит мини-копия этой книги, неопределенность в отношении ее скорости будет огромной, поскольку вы направите на нее много частиц просто для определения ее местоположения и никогда не будете в состоянии увидеть ее. Или наоборот, если бы вы точно знали, с какой скоростью движется книга, вам не удалось бы никакими средствами ее обнаружить, что делает ее труднодоступной для чтения. В микромире положение и скорость сливаются в туманной концепции. То же происходит с эффектом Казимира, и поскольку технологии становятся все тоньше, с этой проблемой инженерам приходится сталкиваться все чаще.

НАШИ КЛАССИЧЕСКИЕ ПРЕДСТАВЛЕНИЯ О МЕСТЕ И СКОРОСТИ НЕ ПРИМЕНИМЫ В МИКРОМИРЕ. ПРИРОДА РАБОТАЕТ ПО-ДРУГОМУ.

Тем не менее принцип неопределенности Гейзенберга не является загадкой.

Он – факт.

Строго говоря, он даже не неопределенность. Он просто говорит, что наши классические представления о месте и скорости не применимы в микромире. Природа работает там по-другому, и у нас есть объясняющая и предсказывающая ее теория: квантовая физика. И эти странные эффекты точно достигнут наших масштабов, но мы просто не созданы чувствовать их. Они становятся незначительными, когда в них вовлечено слишком много частиц. И это тоже хорошо известный факт.

Так как же насчет тайны, которую мы ищем? Она существует?

Да.

Мы выпустили кое-что из только что сделанных вами расчетов: происходит коллапс квантовой волны.

Это и есть тайна.

И действительно загадочная.

Оставленные в покое, квантовые частицы ведут себя как размноженные изображения самих себя (фактически в качестве волн), одновременно движущихся по всем возможным маршрутам в пространстве и времени.

Теперь еще раз, почему мы не ощущаем это множество вокруг себя? Потому что мы все время исследуем окружающие нас вещи? Почему все проводимые эксперименты говорят, что положение частицы вдруг заставляет частицу быть где-то скорее, чем везде?

Никто не знает.

Перед экспериментом частица представляет собой волну возможностей. После него она оказывается где-то, а затем где-то навсегда, а не снова везде.

Странно.

Ничто в рамках законов квантовой физики не позволяет случиться такому коллапсу. Это экспериментальная и теоретическая тайна.

Квантовая физика обуславливает, что во всех случаях, когда есть нечто, оно, естественно, может превратиться во что-то другое, но не может исчезнуть. А поскольку квантовая физика позволяет нескольким возможностям существовать одновременно, то эти возможности должны сохраняться даже после произведения расчетов. Но они этого не делают. Все возможности, кроме одной, исчезают. Мы не видим вокруг никаких других. Мы живем в классическом мире, где все основано на квантовых законах, но ничто не напоминает квантовый мир.

Таким образом, возникает вопрос: как мы можем заставить квантовые эффекты проявиться в нашем человеческом масштабе, чтобы мы могли исследовать их и увидеть коллапс волны, если он там действительно есть, собственными глазами? Возможно ли это? И если можно было бы увидеть квантовые эффекты вроде этого, то что мы ожидаем увидеть?

В 1935 году, через два года после присуждения ему Нобелевской премии за работу по квантовой физике, австрийский физик Эрвин Шредингер придумал эксперимент по выведению квантовых эффектов в нашем масштабе. В нем приняли участие кот и коробка. И хотя это был лишь гипотетический эксперимент, ученые не перестают задаваться вопросом, жив ли до сих пор сидящий в коробке кот или умер.

Вы собираетесь снова проделать эксперимент Шредингера. И я надеюсь, что вы не слишком любите милых, мурлычущих, невинных, игривых котят: есть большой шанс, что кот в ходе эксперимента может пострадать. В любом случае имейте в виду, что главная мысль здесь – заставить квантовые эффекты проявиться на макроуровне. Так что жертвы могут быть необходимы.

С такой оговоркой приступим к делу.

Для тех из вас, кто не знает: кот – это четвероногое, как правило, пушистое, хвостатое млекопитающее, живущее в тех же масштабах реальности, что и мы. Большинство людей любят обниматься с ними, но не все. Они бывают практически всех цветов, кроме зеленого, насколько мне известно.

Чтобы осуществить мысленный эксперимент Шредингера, вы решили выбрать очаровательного маленького черно-белого котенка и ищете коробку, настолько плотно закрывающуюся, что впоследствии никто снаружи не сможет ничего узнать о ее содержимом.

Кроме кота и коробки, вам нужно еще радиоактивное вещество, весьма особенное, про которое известно, что с ним с 50 %-ной гарантией произойдет радиоактивный распад во время эксперимента. Радиоактивные материалы очень непредсказуемы. Согласно квантовым законам, нет вообще никакого способа узнать заранее, распадутся ли они и испустят ли смертоносное излучение или нет. Существует лишь вероятность. Один шанс из двух для найденного вами вещества.

Теперь вам потребуется еще три предмета: прибор для регистрации излучения, молоток и флакон со смертельным ядом.

Потом вы соединяете все вместе таким образом, что, если прибор зафиксирует какое-либо излучение, испускаемое радиоактивным веществом, молоток разобьет флакон, и яд разольется. Ничего страшного, если бы не факт, что вы положили все эти вещи: молоток, радиоактивное вещество, яд и кота – в коробку и запечатали крышку.

И потом ждете.

Ну и что дальше?

Существует 50 %-ная вероятность, что кот отравится. Все зависит от радиоактивного распада.

Безумный эксперимент, согласитесь.

Безусловно, проводить его у себя дома не стоит.

И теперь возникает вопрос: мертв ли кот?

Квантовые эффекты действуют здесь, как и хотелось. И результат получается на макроскопическом уровне – достаточно заметным, чтобы его увидеть.

Но, если не открыть коробку, нет никакого способа узнать, произошел ли радиоактивный распад или нет, так что нет никакого способа утверждать, разбит флакон ли или нет, а следовательно, мертв ли кот или жив.

Ничего нового, думаете вы? Что ж, со всеми квантовыми вещами нужно быть бдительным и использовать здравый смысл экономно. Или же не использовать его совсем. Чтобы сделать там, в микромире, какие-нибудь выводы, нужно соблюсти законы квантового мира. В реальной жизни можно ожидать, что кот в коробке будет либо живым, либо мертвым.

Но тогда оба этих ответа были бы неправильными.

В квантовом мире что может случиться – случится. Вам следует использовать это утверждение сейчас.

Здесь распад и отсутствие распада радиоактивного вещества может случиться с равными шансами, так что происходят оба варианта. Подобно тому как частица может перемещаться влево и вправо от твердого столба одновременно, то и радиоактивный распад одновременно происходит и не происходит, пока никто не наблюдает. Как говорилось выше, большую часть времени такая суперпозиция возможностей остается нами незамеченной, потому что по какой-то неясной причине она не происходит – или не достигает наших масштабов. Однако в нашем особом эксперименте настройки произведены так, что наши глаза могут ее видеть: одновременность двух квантовых возможностей (распада и отсутствия распада) напрямую связана либо с драматической смертью, либо с выживанием кота.

Так что же гласят законы квантового мира?

Они гласят следующее: при событиях распада и отсутствия распада, непосредственно связанных с ядом, кот, до тех пор пока коробка не открыта, не может считаться ни живым, ни мертвым, а находится в обоих состояниях одновременно.

До того как вы откроете коробку, распад происходит и не происходит одновременно, так же как яд проливается и не проливается.

Так же как и кот мертв и не мертв.

Мертвый и живой.

Услышав это, вы сразу же открываете коробку, чтобы проверить.

Кот выскакивает, целый, невредимый и очень милый.

И на дне нет никакого дохлого кота.

Вы чешете затылок.

Все эти «суперпозиции состояний» и «последующий коллапс квантовых возможностей» вдруг выглядят довольно сложным трюком, а не реальным феноменом.

Может, мы неверно поняли? То, что кот действительно некоторое время был мертв и жив, или это все обман?

Давайте посмотрим.

Открытие коробки заставляет вас взаимодействовать с экспериментом, не так ли?

Ну да.

Так что вы вмешались. Вы пронаблюдали. А когда производится наблюдение, природа должна выбрать.

Так что выбор, коллапс, происходя реально, должен был случиться, оставив кота в живых.[54]

Но замерла ли судьба кота до того, как вы открыли коробку? Или же это произошло с ней потом, молниеносно быстро?

Вы вернулись к первоначальному вопросу: происходит ли коллапс вообще?

Шредингер придумал свой мысленный эксперимент в 1935 году, и в течение многих лет никто не мог разгадать его загадку, пока французскому физику Сержу Арошу и американскому физику Дэвиду Вайнленду не удалось разработать реальный эксперимент, способный обнаружить те самые суперпозиции, которые существовали, когда должны были уже разрушиться.

КВАНТОВАЯ ЧАСТИЦА МОЖЕТ И ОДНОВРЕМЕННО СУЩЕСТВУЕТ В РАЗНЫХ, ВЗАИМОИСКЛЮЧАЮЩИХ СОСТОЯНИЯХ. НА СЕГОДНЯШНИЙ ДЕНЬ ЭТО ОСНОВНАЯ ПРИЧИНА, ПО КОТОРОЙ ИНЖЕНЕРЫ ПЫТАЮТСЯ СОЗДАТЬ КВАНТОВЫЕ КОМПЬЮТЕРЫ.

Хотя они не использовали кота.

Они использовали атомы и свет.

И они увидели, что квантовые суперпозиции вполне реальны; что практически любая квантовая частица может и одновременно существует в разных, взаимоисключающих состояниях. По сути, на сегодняшний день это основная причина, по которой инженеры пытаются создать квантовые компьютеры. Используя способность квантовых частиц находиться в разных состояниях одновременно, компьютеры могут в принципе получить в разы большую производительность, чем та, что может быть достигнута нашими классическими компьютерами, позволяя одновременно осуществлять «параллельные» расчеты. Арош и Вайнленд совместно получили за это Нобелевскую премию по физике 2012 года. Так или иначе, они доказали, что кот Шредингера на каком-то этапе эксперимента на самом деле был мертв и жив одновременно.

Так, и в чем здесь секрет?

Он связан с тем, что исчезло.

Суперпозиции реальны, отлично. Вот что доказали Арош и Вайнленд. Нам придется принять эту данность.

Но, когда вы открыли коробку, когда произошел коллапс и выпрыгнул живой кот, куда исчезли не увиденные вами возможности? И так как это должно было быть реальным на каком-то этапе, то куда же девался дохлый кот?

В этом и секрет.

Многие ученые задавались таким же вопросом, и в последнее время начали набирать популярность несколько предполагаемых ответов. Некоторые считают, что не наблюденные возможности постепенно расплываются, как капли чернил, попавшие в озеро; озеро, представляющее собой мир, в котором мы живем, как будто жемчужины нереализованных возможных реальностей рассеиваются в одной-единственной превалирующей реальности, частью которой мы являемся. Другие полагают, что ко всему этому какое-то отношение имеет наше сознание и что как раз сам факт эксперимента или даже мысли о нем замораживает реальность в одном состоянии, тем самым создавая ее.

И тут нам нужен американский физик-теоретик Хью Эверетт III.

Родившийся в 1930 году Эверетт был весьма странным человеком. Блестяще одаренный, он изучал математику, химию и физику, написав в итоге докторскую диссертацию под руководством одного из самых влиятельных американских физиков всех времен, Джона Арчибальда Уилера из Принстонского университета. Хотя Эверетт перестал заниматься физикой сразу же после защиты диссертации, в основном потому что, по-видимому, считал ее слишком странной. Неудачные попытки Уилера помочь идеям своего ученика быть серьезно воспринятыми научным сообществом, вероятно, также сыграли свою роль. В возрасте 21 года, забыв о теоретических вопросах, Эверетт начал трудиться над сверхсекретными разработками оружия в Вооруженных силах Соединенных Штатов и в конце концов умер от излишнего количества спиртного и сигарет. За сверхъестественное сходство судеб некоторых известных поэтов или художников, молча прожигавших свои таланты в годы молодости и презираемых сверстниками, диссертация Эверетта, написанная им в 1956 году, позже стала классикой. В ней он сделал экстраординарное заявление, что, раз квантовые идеи замечательно работают в микромасштабах, их следует всерьез использовать на всем отрезке пути до нашего масштаба. Все в нашей Вселенной создано из квантов, поэтому все следует рассматривать как огромную квантовую волну возможностей, существующих одновременно.

Если смотреть с такой точки зрения, никакого коллапса никогда не произойдет. Каждая возможность существует.

С этой точки зрения, вся Вселенная создает ответвление всякий раз, когда необходимо сделать выбор в результате эксперимента или чего-то еще. Следовательно, должно существовать непостижимо много параллельных вселенных, где все возможности, все альтернативные результаты являются фактами.

Согласно теории Эверетта, нас должны окружать параллельные сюжеты.

Вы медлите с решением, стоя между двумя лифтами, прежде чем зайти в один из них? Ваше второе я, находящееся в ответвленной параллельной вселенной, выбирает другой лифт. Еще в одной вселенной вы ударяетесь в стену между ними. А еще в одной поднимаетесь по лестнице. Таким образом, осуществляются все возможности.

В некотором смысле буквальное понимание квантовой физики Эверетта говорит о том, что если избавиться от эгоизма, то никогда не придется расстраиваться. Всякий раз, когда что-то плохое случается с вами здесь, в ваших бесконечно многих параллельных вселенных вам удается его избежать и чувствовать себя счастливым.

В еще одной бесконечности параллельных реальностей Эверетт все еще жив и даже читает эту книгу. В некоторых ему нравится то, что я о нем пишу. В других – не нравится. В еще одних он сам написал эту книгу, и в ней кот Шредингера – это зеленая собака.

Согласно интерпретации Эверетта, никакого реального выбора никогда не происходит по своей природе. Все возможности случаются.

Вы просто не знаете об этом.

Неудивительно, что он отказался от физики.

Безусловно, теория Эверетта странная, но теперь она серьезно воспринимается некоторыми из величайших физиков нашего времени вместе с большим количеством использованных в ней математических моделей, относящихся к происхождению пространства-времени. Конечно, не существует экспериментального подтверждения (или отказа от) заявления Эверетта, но оно служит заманчивой причиной того, почему реальность, в которой мы живем, не суперпозиция квантовых возможностей: возможности, нами не использованные, все равно воплощены, но в другом месте.

Теперь, когда вы привыкли к этой мысли, давайте быстренько подведем итог тому, с чем вы здесь столкнулись.

С самого начала путешествия вы в разное время побывали в микро– и мегамире. Проносясь по космическим царствам, вы выяснили, на что похожа крупномасштабная структура Вселенной и как она управляется общей теорией относительности. В микромире вы увидели, что квантовые законы природы отличаются от тех, к которым мы привыкли в повседневной жизни. Вплоть до этой части вы путешествовали по всему известному человечеству как теоретически, так и экспериментально. Вы познакомились с тем, чем является Вселенная независимо от масштаба, с точки зрения ученого начала двадцать первого века.

В этой части вы начали бегло касаться границ этих знаний. Вы увидели, что не только общая теория относительности и квантовая теория поля неохотно общаются друг с другом, но и квантовые законы, как представляется, не управляют нашей повседневной жизнью по причинам, которые могут завести некоторых так далеко, что повлекут за собой существование параллельных миров.

В седьмой части вы рассмотрите и более странные вещи.

Сейчас, однако, давайте продолжим упражнять свой ум и оставим микромир, чтобы вернуться к Эйнштейну. А как насчет его теории? Какие тайны можно обнаружить там?

И существуют ли они?

Являются ли они столь же вездесущими, как бесконечности, портящие квантовую теорию поля?

На оба последних вопроса ответ будет утвердительным.