Текст книги "Освоение ума. Общая основа науки и духовности"

Проблема измерений коренится еще глубже, из-за нее мы оказываемся в пространствах, какие не смог бы вообразить даже Льюис Кэрролл. В различных экспериментах квантовой физики удалось показать, что сомнительно само понятие объекта атомного мира, обладающего постоянным исходным состоянием. В классической физике неопределенность в измерениях значит, что мы просто пока не знаем, каково начальное, неизменное состояние реального объекта. Либо мы не произвели измерение, либо пока не разобрались, как это сделать. Мы просто в неведении. Но в квантовом мире математически вычисленные вероятности будущих замеров существуют как примечательное состояние, названное суперпозицией.

Приведем грубый пример: допустим, наша цель – измерить точное место, где пуля попадет в стену. В этом случае человек нацеливает винтовку и делает одиночный выстрел в направлении некой стены. Стрелок не прицеливается. Пуля может попасть в любую часть стены. Предположим, пуля от патронника винтовки до места столкновения со стеной будет лететь десятую долю секунды. С точки зрения классической физики (и здравого смысла), возможное место попадания пули – совокупность всех мест на стене. Шансы попасть в любую точку равны. Когда пуля ударяет в стену, происходит измерение, и мы больше не в неведении относительно ее траектории.

Но квантовая физика смотрит на это совершенно иначе. За ту десятую долю секунды между выстрелом и попаданием пули в стену предполагается, что пуля существует во всех возможных точках между винтовкой и стеной. Как будто из ружья выстрелило облако пуль шириной со стену. Математически это выражается в виде волновой функции вероятности, представленной графиком с сопутствующими формулами. Когда пуля действительно попадает в стену в конкретном месте, говорят, что волновая функция «схлопывается» (или коллапсирует) в одну точку. Можно возразить, что коллапс волновой функции – всего лишь причудливый способ описания общепринятой точки зрения: мы не знаем траекторию пули, но когда она ударяется о стену, это и есть, по сути, измерение – мы выяснили ее траекторию.

Тем не менее, опираясь на результаты многочисленных экспериментов, большинство физиков считает, что субатомная «пуля» – например, фотон света, выпущенный в «стену» светочувствительной пленки, – существует не как комбинация случайных возможностей, а как суперпозиция. Неким таинственным образом фотон «существует» как квантовая система, охватывающая все его возможные положения до коллапса волны вероятности в одной точке. Фотон до того, как встретился с пленкой, есть повсюду. Классическая концепция нашего «неведения» об истинной траектории фотона заменяется понятием квантовой неопределенности, в рамках которой фотон не имеет единственной траектории, выраженной через призму точно определенного состояния[23]23
  См. The Quantum Challenge, гл. 7.


[Закрыть].

Не похоже ли это все на волшебство? Не слишком ли разыгралось воображение у этих исследователей квантового мира? Возможно. Возьмем более практический пример – атомную радиацию. Мы сталкиваемся с ней в медицинских рентгеновских исследованиях или на светящихся циферблатах часов (в которых используется радиевая краска). Идея проста: излучение происходит из-за изменений внутри атома, в результате которых высвобождаются частицы. Радиоактивные вещества, такие как радий, самопроизвольно распадаются и выделяют эти частицы. Радий излучает частицы, которые мы видим как зеленый свет. Но с классической точки зрения это невозможно. Радий, нанесенный на циферблаты часов, не должен светиться. Почему? Сила притяжения ядра в таких веществах больше, чем кинетическая энергия вылетающих наружу частиц, образовавшихся при распаде. У частицы, заключенной в атоме, не больше шансов на побег, чем у любого из нас, пытайся мы сбежать от земного притяжения, подпрыгивая на месте. Тем не менее, квантовая физика математически объясняет это распространенное явление (оно называется туннелированием), но в классических терминах здравого смысла ничего не говорит о том, как это происходит. Тем не менее, это просто имеет место.

Вы можете спросить: «Если квантовое безумие правит бал на атомном уровне, почему мы не сталкиваемся с ним в видимом мире? Разве вся Вселенная не состоит полностью из этих микрочастиц?» На самом деле квантовые законы влияют на макромир. Их воздействие можно рассчитать с той же легкостью, что и для микромира. С точки зрения квантовой физики, классические законы предлагают на макроуровне лишь приблизительное обобщение более точных квантовых измерений. На уровне осязаемого вещества они в той же мере точны. Но на атомном уровне многие классические законы не срабатывают. Метром можно достаточно точно измерить длину авианосца, но он бесполезен для измерения молекул. А вот электронный микроскоп может измерить и то, и другое.

Несмотря на его роль в создании квантовой физики, Альберт Эйнштейн был не слишком доволен результатом. «Бог не играет в кости», – заявил он в ответ на выдвинутый принцип квантовой неопределенности[24]24
  Утверждают, что настоящая цитата такова: «В карты Всевышнего заглянуть трудно. Но в то, что Он играет в кости и прибегает к „телепатии“, […] я ни на миг не поверю». Цит. по: Bill Bryson, A Short History of Nearly Everything (New York: Broadway Books, 2003), 146. [Рус. изд.: Билл Брайсон, Краткая история почти всего на свете, пер. В. Михайлова. М. Гелеос, 2007. – Прим. перев.]


[Закрыть]. Эйнштейн провел большую часть последних тридцати лет своей жизни, пытаясь нащупать классическую реалистичную основу для проверенных и точных предсказаний квантовой физики. Поскольку квантовая физика не могла однозначно показать, что же происходит, для Эйнштейна она была «неполной».

Начав в 1927 году, Эйнштейн разработал серию каверзных задач для квантовой физики, большинство из них были предназначены Нильсу Бору, ее самому авторитетному защитнику. Поскольку в то время не было возможности разобраться с ними опытным путем, свои сомнения Эйнштейн сформулировал как мысленные эксперименты, увязанные с квантовыми принципами. По мере того как технологии развивались, парадоксы Эйнштейна удалось проверить экспериментально. В каждом случае подтвердились предсказания квантовой физики.

Как мы видели ранее, квантовая физика утверждает, что процедура измерения столь существенно воздействует на измеряемый объект, что невозможно полное описание взаимодополняющей системы из двух компонентов – такой как импульс и положение субатомной частицы. Ясная картина не возникает. В 1935 году Эйнштейн с двумя коллегами (Борисом Подольским и Натаном Розеном) решили, что отыскали изъян в этой неопределенности. Что если одним измерением выявить два дополнительных аспекта такой системы? Они предложили сценарий, при котором парой протонов (субатомных частиц, образующих ядро атома) одновременно стреляют в противоположных направлениях. Представьте себе две пушки, поставленные затвор к затвору. Единый спусковой механизм выстреливает из обеих пушек одновременно, но в противоположных направлениях. При этом, вылетая, пушечные снаряды вращаются в разных направления.

В случае с парой протонов известно, что каждый из них имеет противоположный спин. (Протоны и другие субатомные частицы обладают характеристикой, называемой спином, или угловым импульсом, это что-то вроде направления вращения теннисного мяча.) При такой организации эксперимента спин протона может иметь одно из двух значений, записываемых как «+ ½» или «– ½». Кроме этих двух противоположных спинов других вариантов нет. Таким образом эти два протона с противоположными спинами образуют взаимодополняющую систему, которую можно измерить.

Повторим: в таких спаренных системах если спин одного из протонов + ½, то спин его «близнеца» будет противоположным (– ½) – и наоборот. Получается, если измерить спин одного «близнеца», спин другого мы узнаем автоматически, второе измерение не потребуется. Один акт измерения даст полное знание о системе из двух фотонов – ясную картину классической физики, которую искал Эйнштейн. Это было бы равнозначно тому, что мы получили данные о положении и импульсе субатомной частицы с помощью только одного измерения, а не привычными двумя. Квантовая физика утверждает, что ни при каких условиях невозможно измерить одновременно оба этих свойства. Возможные значения спина – + ½, – ½ для одного фотона и + ½, – ½ для другого – рассматриваются в квантовой физике как суперпозиции всех доступных возможностей до момента измерения.

Эйнштейн, Подольский и Розен (или ЭПР) полагали, что спин в единой системе из двух протонов можно измерить, поскольку с момента излучения он уже точно определен. Это изначально существующая характеристика протонных пар. В момент испускания протонов ничего не меняется. Измерение совершенно не влияет на происходящее. После того как из устройства вылетели оба протона, нужно лишь измерить один из них. Им казалось само собой разумеющимся, что измерение одного уже существующего спина раскроет противоположный уже существующий спин другого протона и позволит получить полное знание о системе. Полнота – идеал классической физики и всё, что не дотягивало до него, считалось неполным знанием. Альтернативное объяснение квантовой физики сводилось к тому, что, измеряя одну из частиц, мы изменяем всю систему и влияем на нее целиком. В этом случае измерение одного из протонов в паре вынуждало второй иметь противоположный спин. Таким образом измерение как-то создавало спин-состояние всей системы (и так получалось на сколь угодно большом расстоянии) – или же (ах!) до момента измерения никакого исходного, определенного состояния системы и не существовало. Оба варианта были неприемлемы для ЭПР, а значит, где-то в квантовой физике таился изъян. Или по крайней мере им так казалось.

Этот мысленный эксперимент, известный как парадокс ЭПР, привел в замешательство Бора и тридцать лет не давал покоя квантовым физикам. Тем не менее, его окончательное разрешение, сначала теоретическое – в 1960-х, а затем и экспериментальное, бросило величайший вызов классической физике. Если квантовая физика утверждает, что можно точно измерить лишь одну из двух дополнительных характеристик системы, вторую – неизвестную – можно назвать скрытой переменной. (В уравнении 1 + х = 3 скрытая переменная – х.) По мысли Эйнштейна, если спин одного протона + ½, скрытой переменной будет другой спин, который в данном случае не что иное, как – ½.

В 1964 и 1966 годах физик Джон Стюарт Белл опубликовал две теории, в самом общем виде проясняющие вопрос о скрытых переменных. Теоремы Белла (или неравенства Белла) доказали на бумаге, что никакая теория скрытых переменных, опирающаяся на классические принципы, не достигнет точности квантовой физики[25]25
  John Bell, «On the Einstein-Podolsky-Rosen Paradox», Physics 1 (1964): 195–200; «On the Problem of Hidden Variables in Quantum Mechanics», Rev. Mod. Phys. 38 (1966): 447–452.


[Закрыть].

Начиная с 1980-х теоремы Белла прошли окончательную проверку в лабораториях. Эксперименты показали, допущения ЭПР, ставящие под сомнения квантовую физику, неверны. Эйнштейн с коллегами ошиблись. Было продемонстрировано, что измерение спина одного из протонов в паре действительно влияет на спин другого. Кроме того, не имеет значения, производится ли измерение протонов в стенах одной лаборатории или на планетах, находящихся на расстоянии нескольких световых лет друг от друга. Сам акт измерения играет активную роль в системе, которую нужно рассматривать как комплекс динамических взаимодействий, область действия которых не ограничена конкретным местоположением.

Классические теории скрытых переменных предполагают три допущения: (1) локальность (действия, совершаемые в одном месте, приводят к последствиям только в этом месте), (2) строгая причинно-следственная связь (какое-то событие или последовательность событий (причины) ответственны за наблюдаемые следствия) и (3) реальность (явления обладают действительными свойствами, а не размытыми вероятностями). Но неравенства Белла и последующие эксперименты доказали, что информация – в данном случае измерение – играет активную роль в системе. На самом деле расстояния, в пределах которых возникают такие последствия, расширяют границы привычных представлений о том, из чего состоит «система». Это явление называется квантовой нелокальностью, или запутанностью. Но, как обычно в квантовой Вселенной, невозможно получить ясную картину того, как это происходит. А если нет полного знания о системе или явлениях, строгая причинно-следственная связь и реальность также остаются под вопросом. Итак, похоже, в данном случае критика Эйнштейном неполноты квантовой физики по иронии судьбы привела к доказательству ущербности как раз классического взгляда на мир.

Между прочим, у этого обоюдного запутывания явлений есть практическое применение. Одно из них – создание сверхскоростных квантовых компьютеров. В 2004 году физики, работающие в этой области, сообщили о том, что наблюдали парные фотоны, способные «общаться» на расстоянии 1/3 мили. Простое наблюдение или измерение одной из пары частиц в запутанном состоянии влияет на другую частицу так, как это было описано в парадоксе ЭПР. Теоретически даже частицы, находящиеся в разных галактиках, способны мгновенно влиять друг на друга подобным же манером. Недавно группа под руководством Антона Цайлингера из Венского университета впервые создала «односторонний квантовый компьютер», в котором наблюдение за запутанными квантовыми битами производит вычисления. Ученые смогли произвести вычисления за рекордные 150 наносекунд (150 миллиардных долей секунды)[26]26
  Anton Zeilinger et al. (letter), Nature, 445 (Jan. 4, 2007): 65–69.


[Закрыть]. Вот так явление запутанности открыло захватывающие возможности для новых технологий. Кроме того, в нем есть черты, согласующиеся с теориями взаимозависимости ума и материи, выдвинутыми в созерцательных традициях. О них мы подробно поговорим во второй части книги.

Квантовая физика, появившаяся в начале ХХ века, была не единственным ударом в той убойной серии, нокаутировавшей ньютоновский мир. В два приема Альберт Эйнштейн ввел понятие относительности: в 1905 году – специальную теорию относительности (о том, как основополагающие явления, такие как время, скорость, материя и энергия, по своей природе относительны, а не абсолютны) и в 1916 году – общую теорию относительности (о гравитации как искривленном пространстве-времени). В классическом мире время и пространство – абсолютные категории, они одинаковы повсюду. Согласно этому представлению, если бы астронавты отправились со скоростью света к точке, расположенной в двадцати световых годах от Земли, путешествие туда-обратно заняло бы сорок лет. Часы и календари в космолете и на Земле оставались бы в идеальной синхронности. Когда путешественники вернулись бы на Землю, они и мы стали бы на сорок лет старше.

Но согласно теории относительности, есть разница в том, как течет время для нас на Земле и для звездоплавателей. Относительное движение между телами изменяет не только время, но и размеры. Хотя часы астронавтов нисколько не замедлятся для них самих, но по сравнению с часами на Земле это произойдет. Если бы у нас была возможность увидеть часы на борту звездолета, мы бы обнаружили, что они движутся медленнее, чем наши. Объекты на борту, включая сам корабль, выглядели бы короче. И если бы в путешествии к пункту назначения в двадцати световых годах от Земли астронавтам удалось перемещаться со скоростью, составляющей 99 % от скорости света, по их возвращении мы бы постарели на сорок лет, а они – лишь на пять лет и примерно восемь месяцев. На этой скорости время по сравнению с относительно неподвижным положением, как у нас на Земле, замедляется в семь раз.

Такие изменения происходят на всех относительных скоростях, но становятся заметными лишь на скоростях, близких к скорости света (186 000 миль в секунду при движении в вакууме[27]27
  Примерно 300 000 км/с. – Прим. перев.


[Закрыть]). Этот эффект был доказан в лабораторных условиях и играет важную роль при использовании ускорителей элементарных частиц для исследования субатомного мира. Ускорители разгоняют субатомные частицы до скоростей, близких к скорости света. При столь высоких скоростях и энергиях, частицами можно бомбардировать объекты или другие частицы и получать измеримые результаты, из которых физики способны делать теоретические выводы. Наблюдаемые частицы невероятно малы и недолговечны, засечь их научными приборами очень трудно. Разница в скоростях между частицей и наблюдающими за ними учеными вызывает замедление времени: так же, как часы на нашем гипотетическом космическом корабле идут медленнее для внешнего наблюдателя, быстрое время распада этих причудливых частиц слегка замедляется для наблюдателя в другой системе отсчета – в относительно неподвижной лаборатории. Это растяжение времени позволяет детекторам регистрировать быстро движущиеся частицы.

Одно из ключевых положений специальной теории относительности: скорость света – предположительно наивысшая скорость, которую можно развить, и она постоянна. Скорость света – единственная величина, не меняющаяся для различных наблюдателей. Это с в известной формуле E =  mc². Это революционное уравнение показало, как энергия и масса могут превращаться друг в друга: это разные формы одного и того же. Отсюда следует вывод, что в силах, удерживающих вместе атомные ядра, заключена огромная энергия, ведь для вычисления потенциальной энергии объекта нужно умножить его массу на 186 000 в квадрате, а это около 34,6 миллиардов! Эта взаимосвязь дала ключ к пониманию деления атома и далее – к цепным реакциям распада ядра в ядерных реакторах и к атомному оружию.

Общая теория относительности предлагает кардинально иной взгляд на гравитацию, полностью отличный от воззрений Ньютона. В его основе лежит не только пространство, а, как мы видели ранее, пространство-время – единство этих двух категорий. Согласно этой теории, пространство-время – сцена, на которой развертывается вся драма физических явлений. Как мы уже упоминали, в теории относительности гравитация физических объектов в пространстве – это не «притяжение» предметов. Скорее, объекты создают вблизи себя искривление в пространственно-временном континууме: чем массивнее объект, тем больше эта кривизна в ткани пространства-времени и тем шире ее размах. Единообразная размерность евклидовой геометрии с ее прямыми и плоскими геометрическими фигурами заменяется структурами, которые иногда сравнивают с комковатым матрасом. Движущиеся объекты следуют вдоль этих кривых. Например, искривление пространства-времени, вызванное массой Земли, заставляет движущиеся поблизости объекты – например, метеориты, – отклоняться в нашем направлении. Следуя естественным линиям пространства-времени, такие объекты движутся к Земле, потому что именно там «дорога» изгибается. Гравитация – результат неравномерности самого пространства-времени, а не сила притяжения, как полагал Ньютон. Опять же, как в прошлом большинство ученых приняло взгляд Ньютона на гравитацию за абсолютно бесспорную истину, так и сегодня совершенно иная теория Эйнштейна преобладает повсеместно.

К 1930-м годам физикам стало ясно, что трехкомпонентная модель атома (облака электронов, нейтронов и протонов) для описания физической Вселенной больше не подходит. Теоретические выводы квантовой физики и теории относительности вместе с новыми, более чувствительными лабораторными приборами всё сильнее усложняли картину атомного мира. Для того, чтобы объяснить ее целиком, потребовался настоящий рой новых частиц, включая «виртуальные частицы» (необходимые для решения теоретических задач, но не поддаются наблюдению). Как только в них возникала необходимость, большинство этих новых объектов исправно обнаруживали в лабораторных экспериментах. Один из таких примеров – антивещество. Предположение о том, что антивещество существует, было сделано в 1920-х годах, поскольку оно было необходимо для понимания электрических зарядов частиц. Его существование было подтверждено в лабораторных экспериментах в 1932 году. Открытие привело к пониманию того, что для любой субатомной частицы должна существовать соответствующая античастица. Это удвоило количество известных частиц и добавило в атомную физику совершенно новую грань. Однако для того, чтобы лабораторно подтвердить существование этих частиц, требуются особые условия. Античастицы создаются при высокоэнергетической бомбардировке других частиц и очень недолговечны. (Антиатом, созданный в лаборатории в 1995 году, просуществовал всего 40 наносекунд.)

Помимо всех этих новых частиц, которые затуманивали общую картину, существовала еще одна трудность. Зачастую квантовая физика, теория относительности и те классические концепции, которые оставались применимы на субатомном уровне, не согласовывались друг с другом. Поэтому постепенно сложилось устраивающее всех положение вещей, названное Стандартной моделью. Вот ее описание – чтобы дать вам некое представление о том, до чего богатой и сложной стала субатомная сцена.

Вкратце, Стандартная модель делит субатомный мир на два основных типа частиц и четыре взаимодействия – гравитационное, электромагнитное, сильное ядерное и слабое ядерное. Конечно, гравитация и электромагнетизм давно были известны в физике. Сильное ядерное взаимодействие отвечает за высвобождение огромной энергии при делении ядер (когда атомы распадаются). По сути, это связующая сила атомного ядра, удерживающая вместе протоны и нейтроны. Слабое ядерное взаимодействие отвечает за процесс распада, в результате которого нейтрон превращается в протон. Реакции в ядре, вызывающие горение звезд, обусловлены этим слабым ядерным взаимодействием.

В настоящее время в реестры внесено более двухсот субатомных частиц; однако так называемые фундаментальные субатомные частицы (они считаются точечными) – это кварки и лептоны. Кварки, если они электрически заряжены, участвуют во всех четырех взаимодействиях, и преимущественно из них состоят протоны и нейтроны, образующие ядро атома. Лептоны не участвуют в сильном взаимодействии, но, если обладают электрическим зарядом, участвуют в трех других. Наш старый приятель электрон – пример лептона. Согласно Стандартной модели, все разнообразие поведения субатомных частиц можно достаточно точно описать, используя всего шесть кварков, шесть лептонов и их античастиц. Переносчик взаимодействия между ними – калибровочный бозон. Это посредник, передающий силы между частицами. Например, фотон – калибровочный бозон электромагнетизма. Имейте в виду, это упрощенная версия Стандартной модели. Взаимоотношения между частицами сложны, а многие частицы и их свойства существуют лишь в теории.

Никто не упрекнет, если вас не покидает ощущение, что обитатели микромира и их запутанные повадки очень похожи на эпициклы системы Птолемея или на обещания политиков: несколько громоздко, а потому не вполне убедительно.