Текст книги "Квант"

Квантовый мозг

Осталась лишь одна интерпретация квантовой механики, которую мы пока не обсудили. Она заслуживает упоминания по двум причинам. Во-первых, ее автором выступил один из самых уважаемых специалистов в сфере математической физики своего поколения – Роджер Пенроуз. Во-вторых, она может объяснить единственную область науки, которая представляется еще более загадочной, чем квантовая механика: происхождение сознания.

Согласно Пенроузу, коллапс суперпозиций различных квантовых состояний происходит не из-за проведения измерения, не из-за присутствия сознательного наблюдателя и даже не из-за взаимодействия с окружающей средой. Пенроуз полагает, что коллапс происходит даже в изолированной системе посредством физического процесса, связанного с самой природой пространства-времени. Согласно Пенроузу, «объективная редукция», или коллапс, волновой функции объясняется различной пространственно-временной геометрией каждого состояния суперпозиции. (Следовательно, если частица находится в суперпозиции пребывания в двух местах одновременно, пространство-время будет по-разному искривляться в зависимости от того, где более вероятно обнаружение массы этой частицы.) Как только разница геометрий доходит до критического уровня, как происходит, когда частица оказывается запутанной с окружающей средой, суперпозиция становится нестабильной и схлопывается до одного из возможных состояний. Само собой, ни Пенроуз, ни кто-либо еще не знает всех тонкостей этого механизма, поскольку у нас еще нет полной теории квантовой гравитации.

Пенроуз и Стюарт Хамерофф применили эту интерпретацию, чтобы объяснить, как может переключаться сознание в пределах мозга. Мне следует сперва пояснить, что они обращаются к квантовой механике, поскольку считают, что способ нашего «мышления» фундаментально отличается от метода обработки алгоритмов компьютером. Эта невычислимость сознательной мысли, по их мнению, должна требовать чего-то выходящего за пределы классической физики, а именно квантовой физики. Пенроуз и Хамерофф считают, что нашли верный биологический сосуд для защиты деликатной квантовой когерентности от воздействия окружающей среды внутри мозга.

Нейроны мозга содержат полые цилиндрические полимеры, называемые микротрубочками. Они, в свою очередь, состоят из белка тубулина, который может существовать в суперпозиции двух чуть разных форм. Пенроуз и Хамерофф утверждают, что микротрубочки обладают идеальными свойствами для поддержания этой суперпозиции и распространения ее на окружающие белки. Следовательно, когерентная суперпозиция поддерживается значительный период времени, делая возможным возникновение досознательных процессов. Объективная редукция суперпозиции происходит по достижении критического порога Пенроуза и включении сознания. Само собой, это происходит в мозге постоянно. Может, на самом деле нам и не нужен квантовый компьютер, ведь он находится у каждого из нас в голове!

Другой вариант – использовать так называемую квантовую коррекцию ошибок, чтобы компенсировать декогеренцию. В ее основе лежит избыточность, которая означает, что одна и та же информация распространяется на множество кубитов. Таким образом, если суперпозиция одного из кубитов оказывается каким-либо образом нарушенной, это не влияет на точность вычисления, поскольку та же информация закодирована и в других, не подвергшихся воздействию кубитах.

В настоящее время разработаны лишь квантовые компьютеры с несколькими кубитами. Вполне возможно, в ближайшем будущем ученым удастся построить квантовый компьютер, содержащий до сорока кубитов. Однако работающий квантовый компьютер требует запутанности тысяч кубитов и сдерживания декогеренции в течение достаточно длительного периода времени, необходимого для проведения полезных вычислений.

Квантовая телепортация

Миллионы фанатов по всему миру знают, что «транспортер» на борту звездолета «Энтерпрайз» из «Звездного пути» представляет собой устройство, которое переносит команду корабля на различные планеты и обратно, не создавая их идентичные копии, а уничтожая их и воссоздавая неуточненным образом. Так как это всего лишь научная фантастика, в детали никто не вдается, однако не сомневаюсь, у истинных фанатов уже давно готово подходящее объяснение.

Основная идея телепортации заключается в сканировании объекта таким образом, чтобы переносилась чистая информация, используемая для воссоздания оригинала из подходящего сырья (верного типа атомов) в точке назначения. Такой процесс может происходить со скоростью света, в то время как физический перенос оригинальных атомов объекта занимает гораздо больше времени. Преимущество кажется сомнительным, пока в дело не вступают огромные расстояния, где без скорости света не обойтись.

Вам может показаться, что все это чепуха. Что ж, до 1993 года так и было. В тот год Чарльз Беннетт при участии группы коллег со всего мира доказал, что благодаря квантовой механике идеальная телепортация теоретически возможна, хотя пока что только на квантовом уровне. Прежде считалось, что телепортация квантовой системы исключается принципом неопределенности: мы не можем просканировать квантовую систему и собрать всю возможную информацию о ней, чтобы воссоздать ее в другом месте. Это, конечно, так, но при добавлении нового ингредиента эту проблему получается обойти, а этим ингредиентом выступает… запутанность. Снова.

Основная идея такова. Пусть частица, которую нужно телепортировать из точки А в точку Б, называется частицей х. В устройстве также содержится две подобные частицы, у и z. Две этих частицы запутаны и направлены в точки А и Б. Теперь в точке А находится оригинальная частица х, которую мы хотим телепортировать, а также частица у. Определенным способом измерив их вместе, мы получаем некоторую информацию об х. Остальная часть информации об х неизбежно теряется, так как принцип неопределенности не позволяет нам знать о ней все одновременно.

Однако факт измерения теперь привел к коллапсу запутанного состояния у и z и наделил частицу z, находящуюся в точке Б, информацией, которая связана с информацией, потерянной при измерении х вместе с у.

Информация, которую мы получили при сканировании х, теперь переносится в точку Б более традиционным способом и вместе с той информацией, которая уже находится в частице z, это дает нам всю информацию, необходимую нам в точке Б. Теперь мы можем зашифровать эту информацию в подобную х частицу и получим, по сути, точно воссозданную в точке Б частицу х.

Разница между квантовой телепортацией и обычной передачей факса.

Вверху: Когда изображение передается при помощи факса, оригинальный лист остается неповрежденным и создается лишь приблизительная копия.

Внизу: При квантовой телепортации теряется вся информация об оригинальной частице, но на другом конце создается ее идентичная копия.

Важно подчеркнуть, что квантовая телепортация не предполагает какой-то мгновенной нелокальной транспортировки, поскольку часть информации, необходимой для реконструкции квантовой системы в конечной точке, по-прежнему приходится переносить классическим образом (то есть не быстрее скорости света). Но красота этого метода заключается в том, что остаток информации, который теряется в процессе сканирования/измерения и который, как считалось, нам не позволит узнать принцип неопределенности, подлежит восстановлению в конечной точке благодаря нелокальной связи запутанных частиц.

Мне также следует подчеркнуть, что, получая всю информацию, мы не просто создаем копию оригинальной частицы. Мы изменяем ее квантовое состояние – посредством измерения – и воссоздаем ее снова. Нам не нужно физически переносить саму частицу, поскольку нам достаточно и квантовых атрибутов – нам достаточно информации. Две квантовых частицы в одинаковом квантовом состоянии поистине идентичны таким образом, который не имеет аналогов в классическом мире. Поэтому перенос всего информационного содержания квантовой частицы равносилен переносу самой частицы.

Само собой, в масштабах, необходимых для телепортации человека, все становится гораздо сложнее. Можете ли вы представить степень запутанности, которая нужна для переноса полного квантового состояния всех частиц в наших телах? Только подумайте, какую головную боль доставит нам декогеренция!

Никто не может предсказать, насколько быстро в будущем пойдет развитие в этом направлении. Некоторые физики полагают, что у нас не получится даже построить квантовый компьютер, в то время как другие уверены, что до его появления осталось от силы лет десять.

Как бы то ни было, в одном сомнений нет: мы еще не прощаемся с квантом.

Нас ждет светлое будущее. Нас ждет Квант.

Литература для дополнительного чтения

Существует множество научно-популярных книг о квантовой механике и связанных дисциплинах современной физики. Однако не все они одинаково хорошо разъясняют фундаментальные идеи непрофессионалам. Вот мой список тех, которым это удается:

Jim Al-Khalili. Black Holes, Wormholes and Time Travel (Institute of Physics Publishing, 1999). Пожалуй, нет ничего удивительного в том, что я рекомендую именно эту книгу в качестве самого доступного из когда-либо написанных объяснения предложенных Эйнштейном теорий относительности и природы пространства и времени!

Julian Barbour. The End of Time (Phoenix, 1999). Сложная книга для непосвященных, но она того стоит. Барбур описывает радикально новую теорию природы времени. Он предлагает полностью отринуть концепцию времени, поскольку это лишь иллюзия. В процессе он объясняет теорию относительности и квантовую механику и показывает, как они согласуются друг с другом.

James Т. Cushing. Quantum Mechanics: Historical Contingency and the Copenhagen Hegemony (University of Chicago Press, 1994). Покойный Джим Кушинг предполагает, что, если бы Дэвид Бом предложил свою интерпретацию теории на заре квантовой механики, стандартной стала бы именно она, а не Копенгагенская. Эта книга заставляет задуматься, однако непрофессионалам она может показаться немного сложноватой.

Paul Davies and Julian Brown. The Ghost in the Atom (Cambridge University Press, 1986 and Canto, 1993). В первой главе приводится подробное объяснение квантовой теории, а остаток книги основан на серии интервью, которые Дэвис взял у нескольких ведущих квантовых физиков для ВВС Radio. В результате в книге содержится несколько уникальных личных взглядов на квантовую механику. Читать ее очень интересно.

Brian Greene. The Elegant Universe (Vintage, 2000).[80]80
  Брайан Грин. «Элегантная Вселенная. Суперструны, скрытые размерности и поиски окончательной теории» (М., Либроком, 2017).


[Закрыть] Получившая широкое признание глубокая книга о поисках теории всего. Грин является одним из ведущих экспертов по теории струн; его книга весьма длинна, но она того стоит. Начиная с теории относительности и квантовой механики, Грин ведет читателя к десяти – и одиннадцатимерному пространству-времени.

John Gribbin. Schrodinger's Kittens and the Search for Reality (Weidenfeld & Nicolson, 1995). Гриббин – признанный мастер демистификации квантовой механики. Эта книга – продолжение его классического сочинения «В поисках кота Шрёдингера»[81]81
  Джон Гриббин. «В поисках кота Шрёдингера. Квантовая физика и реальность» (М., Рипол Классик, 2016).


[Закрыть] (которое в 1980-х годах познакомило целое поколение с тайнами квантовой механики). Здесь Гриббин критикует стандартную копенгагенскую интерпретацию и вместо этого поддерживает другую трактовку – прочитайте книгу, чтобы узнать, какую именно!

Tony Hey and Patrick Walters. The Quantum Universe (Cambridge University Press, 1987). Прекрасно иллюстрированная книга о принципах квантовой механики и множестве ее применений в нашей повседневной жизни, от электроники до астрономии.

Michia Kaku. Visions (Oxford University Press, 1998). Необычайно вдохновляющая книга, в которой выдвигаются предположения, как наука XXI века изменит нашу жизнь, подарив нам генную инженерию, искусственный интеллект, квантовые компьютеры и многое другое.

David Lindley. Where Does the Weirdness Go? (BasicBooks, 1996). Эта научно-популярная книга прекрасно справляется с демистификацией идей квантовой механики. Ее автор приводит множество доводов в поддержку стандартной (копенгагенской) интерпретации квантовой механики).

Ray Mackintosh, Jim Al-Khalili, Bjorn Jonson and Teresa Pefia. Nucleus: A Trip into The Heart of Matter (Canopus, 2001). Будучи, пожалуй, единственным глянцевым альбомом о ядерной физике, эта книга описывает природу атомов и их ядер. Она рассказывает историю зарождения ядерной физики и объясняет, какую роль в ее развитии сыграла квантовая механика, а также демонстрирует огромное количество применений ядерной физики, от ядерной медицины до объяснения сияния солнца.

J.P. McEvoy and Oscar Zarate. Introducing Quantum Theory (Totem Books, USA, 1996 and Icon Books, UK, 1999). Чудесно иллюстрированный экскурс в историю квантовой теории, которая развивалась в работах ключевых ученых XX столетия. Иллюстратор Оскар Зарате стал лауреатом премии Уилла Айснера за лучший графический роман, но эта увлекательная и легкая книга не вымысел.

N. David Mermin. Boojums All The Way Through (Cambridge University Press, 1990). Сборник эссе ведущего квантового физика. Вероятно, лучшее, что написано о теории Белла и нелокальности в квантовой механике. Помимо этого, в книге собрано множество других удивительных историй, рассказанных прославленным популяризатором науки.

Roger Penrose. The Emperor's New Mind (Oxford University Press, 1989).[82]82
  Роджер Пенроуз. «Новый ум короля. О компьютерах, мышлении и законах физики» (М., Издательская группа URSS, 2015).


[Закрыть] Публикация этой книги сопровождалась шумихой; было даже организовано несколько международных конференций для обсуждения идей Пенроуза о природе сознания и искусственном интеллекте. В книге прекрасно объясняется квантовая механика и описывается возможный путь к теории квантовой гравитации.

Lee Smolin. Three Roads to Quantum Gravity (Weidenfeld & Nicolson, 2000). Взгляд практика на поиски теории квантовой гравитации.

Daniel F. Styer. The Strange World of Quantum Mechanics (Cambridge University Press, 2000). Дэн Стайер доступно объясняет значение эксперимента Эйнштейна – Подольского – Розена и теоремы Белла. Будучи сложнее других, эта книга, однако, стоит потраченного на нее времени, если вы готовы работать вдумчиво.

Если этого недостаточно, обратитесь к следующим книгам, многие из которых стали бестселлерами и уже признаны классикой: J.C. Polkinghorne (The Quantum World), Frank Close (The Cosmic Onion), George Gamow (Mr Tompkins in Paperback), R.P. Feynman (QED: The Strange Theory of Light and Matter)[83]83
  Ричард Фейнман. «КЭД. Странная теория света и вещества» (М., Полиграфиздат, 2012).


[Закрыть], Paul Davies (Superforce)[84]84
  Пол Дэвис. «Суперсила» (М., Мир, 1989).


[Закрыть], David Deutsch (The Fabric of Reality)[85]85
  Дэвид Дойч. «Структура реальности. Наука параллельных вселенных» (М., Альпина нон-фикшн, 2017).


[Закрыть].

Авторы иллюстраций

Дэвид Энджел

Тим Оливер.

Благодарности

При работе над этой книгой мне помогали многие мои друзья. Прежде всего я должен поблагодарить свою жену Джули и детей Дэвида и Кейт за их поддержку и понимание, которое они проявляли, когда последние пару лет я частенько вечерами и по выходным закрывался в комнате наедине с компьютером. Также я очень благодарен следующим людям, которые предоставили мне свои эссе, читали и комментировали рукопись, давали советы, вносили свои предложения и исправляли многочисленные ошибки. Перечислю их всех по алфавиту: Джереми Алам, Джули Аль-Халили, Назар Аль-Халили, Рейя Аль-Халили, Маркус Арндт, Майкл Берри, Рон Джонсон, Джейсон Дикон, Пол Дэвис, Крис Дьюдни, Фрэнк Клоуз, Рэй Макинтош, Джонджо Мак-Фадден, Абдель-Азиз Матани, Гарет Митчел, Грег Ноулз, Пол Стивенсон, Эндрю Стин, Ян Томпсон, Ричард Уилсон, Патрик Уолш, Грегерс Хансен, Дин Харман, Эд Хиндс, Антон Цайлингер и Дэвид Энджел. Все оставшиеся ошибки, конечно, на моей совести. Наконец, отдельное спасибо за помощь моему редактору Нику Читхему из издательства Weidenfeld & Nicolson.