Текст книги "Квантовый мир. Невероятная теория в самом сердце мироздания"

Эта свободная от лазеек проверка квантовой таинственности вводит нас в философскую дилемму. Неужели у нас нет свободной воли и что-то предопределяет, какие измерения мы проведем? Это не лучший вариант. Реальны ли свойства квантовых частиц и, следовательно, реально ли вообще все или существует только как результат нашего восприятия? Такая точка зрения более популярна, но вряд ли мы далеко с ней продвинемся.

Или действительно существует воздействие, распространяющееся быстрее света? В 2008 году швейцарский физик Николас Гизин и его коллеги из Женевского университета (Швейцария) показали, что при соблюдении реальности и свободы скорость переноса квантовых состояний между запутанными фотонами, удерживаемыми в двух деревнях на расстоянии в 18 километров, будет более чем в 10 миллионов раз выше скорости света.

Есть ли предел размеров, при котором объект перестает вести себя как волна?

Согласно законам квантовой механики корпускулярно-волновой дуализм и квантовая суперпозиция распространяются не только на микроскопический мир электронов и атомов, но также и на макроскопические объекты.

Граница между квантовым и классическим повседневным мирами размывалась годами. В 1999 году Антон Цайлингер и его коллеги из Венского университета (Австрия) показали, что фуллерены – молекулы из 60 атомов – ведут себя как волны, когда проходят через дифракционные решетки. А в 2003 году той же группой был проведен трюк с тетрафенилпорфирином – большой молекулой, связанной с хлорофиллом, установившей новый рекорд самого тяжелого объекта, продемонстрировавшего корпускулярно-волновой дуализм.

Квантовые эффекты ворвались также в область объектов, различимых невооруженным глазом. В 2010 году исследователи заставили одновременно и колебаться, и не колебаться сверхохлажденную металлическую полоску длиной 0,06 мм, приведя ее в квантовую суперпозицию состояний. В настоящее время рекорд принадлежит облаку из 10 000 ионов рубидия. Есть ли предел того, насколько большим может быть объект и при этом обладать квантовыми эффектами? Ничего в квантовой механике не говорит о существовании этого предела, но чем больше атомов имеет объект, тем более вероятно, что они взаимодействуют друг с другом и своим окружением, разрушая хрупкие квантовые эффекты.

Одной из основных целей, виднеющихся на горизонте, является суперпозиция объектов на масштабах в миллион атомов, говорит Влатко Ведрал, квантовый физик из Оксфордского университета: «Вот тут происходит нечто магическое. Это масштаб, на котором начинается жизнь». На его взгляд, ключевым экспериментом стала бы стрельба живыми организмами, например вирусами по двум щелям при контролируемых условиях, поскольку согласно одной из интерпретаций квантовой механики живые системы приводят к коллапсу квантовых суперпозиций. «Держу пари, что вирус также является полностью квантово-механическим, – говорит он. – Выделите мне достаточное финансирование, и, вероятно, я смогу заставить проинтерферировать все, что пожелаете».

3. Что все это означает?

После лобового столкновения с квантовой таинственностью возникает соблазн привести печально известную цитату лауреата Нобелевской премии, физика Ричарда Фейнмана (1918–1988): «Квантовую механику никто не понимает». Увы, это действительно довольно близко к истине, ведь, как классические существа, мы не готовы видеть основополагающую квантовую реальность. К ее пониманию можно прийти дорогой ценой – например, приняв существование параллельных вселенных.

Введение в мультивселенную

В 1911 году в Брюсселе (Бельгия) прошла первая международная конференция по физике. Темами для обсуждения стали взаимодействие со странной новой квантовой теорией и возможность ее примирения с нашим повседневным опытом.

Над решением этих вопросов физики бьются и сегодня. Нет ни одного эксперимента, чьи результаты когда-либо расходились с предсказаниями квантовой теории, и мы можем быть уверены, что она представляет собой хороший способ описания устройства Вселенной в самых малых масштабах. Таким образом, у нас остается лишь одна проблема: что это значит?

Утверждение о том, что мы понимаем квантовую механику, может дорого стоить, например принятия существования параллельных вселенных. В этой картине вероятностная волновая функция, описывающая квантовые объекты, не «коллапсирует» в классическую определенность каждый раз, когда вы проводите измерения над ними; реальность просто расщепляется на столько параллельных миров, сколько имеется возможностей измерения. Один из них уносит с собой вас и реальность, в который вы живете. По словам Ричарда Фейнмана: «“Парадокс” – это всего лишь конфликт между реальностью и предчувствием того, чем должна быть реальность».

Физики пытаются ответить на эти вопросы с помощью «интерпретаций» – философских рассуждений о том, что лежит за квантовой теорией, полностью соответствующих опытам. Никакая другая теория в науке не имеет так много взглядов на нее (см. рис. 3.1). Почему так получилось? И достигнет ли главенства какой-то из них?

Возьмем, например, копенгагенскую интерпретацию, введенную датским физиком Нильсом Бором. Она гласит, что любая попытка рассуждать о положении электрона, например внутри атома, бессмысленна без проведения его измерения. Только когда мы взаимодействуем с электроном при помощи не-квантового, или классического, устройства, пытаясь наблюдать его, он действительно принимает какие-то черты того, что мы назвали бы физическим свойством, и поэтому становится частью реальности. С ее принципами неопределенности и парадоксами измерений копенгагенская интерпретация сводится к признанию того, что любая наша попытка найти общий язык с квантовой реальностью уменьшает ее до неглубокой классической проекции полного квантового богатства.

Рис. 3.1. «Зоопарк» различных интерпретаций квантовой теории.

Кроме того, есть многомировая интерпретация, где квантовая странность объясняется тем, что все существует одновременно в нескольких мириадах параллельных вселенных. Или вы, наверно, предпочли бы интерпретацию де Бройля – Бома, в которой квантовая теория рассматривается как неполная: нам не хватает некоторых скрытых свойств, придающих всему смысл.

Есть еще очень много интерпретаций, например интерпретация Гирарди – Римини – Вебера, транзакционная (у которой есть частицы, путешествующие назад во времени), интерпретация британского физика Роджера Пенроуза с коллапсом, вызванным гравитацией, и модальная. За прошедшие 100 лет квантовый зоопарк стал переполненным и шумным местом, и пока нет аргументов, окончивших бы споры о сути квантовой механики. Тем не менее, кажется, лишь немногие из этих интерпретаций что-то значат в научных кругах.

Самая популярная из всех – это копенгагенская интерпретация Бора. Ее популярность во многом объясняется тем, что физики в большинстве своем не хотят утруждать себя философией. Вопросы о том, что именно представляет собой измерение или почему оно может вызывать изменения в ткани реальности, могут не приниматься во внимание в пользу простого получения полезного ответа от квантовой теории.

Вот почему беспрекословное следование копенгагенской интерпретации иногда называют интерпретацией «Заткнись и считай!». Тем не менее у этого подхода есть пара недостатков. Он никогда не расскажет нам о фундаментальной природе реальности, ведь для этого требуется искать те места, где квантовая теория терпит неудачу, а не те, где она преуспевает. Работа в добровольном заключении также означает, что появление новых приложений квантовой теории маловероятно. Однако многочисленные точки зрения на квантовую механику могут быть стимулом для новых идей, и самое наглядное доказательство этому – область квантовой информации.

В основе этой области лежит явление запутанности, когда информация о свойствах набора квантовых частиц присваивается всем этим частицам. В результате измерение одной частицы мгновенно повлияет на свойства ее партнеров по запутанности, как бы далеко они друг от друга ни находились.

Идея запутанности кажется настолько странной, что физик Джон Белл разработал мысленный эксперимент для выяснения, может ли она проявляться в реальном мире (см. главу 2). Когда его проведение стало возможным, опыт доказал, что может, и сообщил многое о тонкостях квантовых измерений. Данный результат заложил основы квантовых вычислений, в которых одно измерение может поведать вам о тысячах или даже миллионах вычислений, проведенных параллельно запутанными частицами, а также квантовой криптографии, защищающей информацию при помощи самой природы квантовых измерений (см. главу 4).

По вполне понятным причинам обе эти технологии привлекли внимание правительства и индустрии, стремящихся внедрять в свою деятельность лучшие разработки – и препятствовать их попаданию в чужие руки. Физики, однако, больше заинтересованы в том, что эти явления говорят нам о природе реальности. По-видимому, одним из следствий экспериментов с квантовой информацией является то, что информация, содержащаяся в квантовых частицах, находится в основе реальности.

Последователи копенгагенской интерпретации рассматривают квантовые системы как носители информации, а в измерениях с использованием классической аппаратуры не видят ничего особенного – это всего лишь способ регистрации изменений в информационном содержании системы. Этот новый фокус на информацию как на фундаментальный компонент реальности также породил предложение, что Вселенная – это громадный квантовый компьютер.

Однако, несмотря на все шаги к цели, сделанные благодаря копенгагенской интерпретации, множество физиков относится к ней критично. Отчасти это объясняется тем, что она требует чего-то вроде искусственного разграничения между крошечными квантовыми системами и классической аппаратурой, или наблюдателями, проводящими их измерения. Рассмотрение природы вещей в масштабах Вселенной также обеспечило критиков копенгагенской интерпретации аргументами. Если процесс измерения, проводимого классическим наблюдателем, является основополагающим для построения реальности, которую мы наблюдаем, то что провело наблюдения, ставшие основой для появления содержимого всей Вселенной?

Рис. 3.2. Многомировая интерпретация квантовой механики, предлагающая набор постоянно разветвляющихся вселенных.

Сложность, которую порождает этот вопрос, сегодня является причиной более понимающего отношения космологов к интерпретации, созданной в конце 50-х годов XX века в Принстонском университете физиком Хью Эвереттом. Его многомировая интерпретация квантовой механики (см. рис. 3.2) предполагает, что реальность не привязана к понятию измерения. Вместо этого мириады разных возможностей, присущих квантовой системе, проявляются каждая в своей Вселенной. Дэвид Дойч, физик Оксфордского университета и человек, разработавший проект первого квантового компьютера, утверждает, что сейчас мы можем рассуждать о работе такого компьютера только с позиции этого множества вселенных (см. интервью в главе 5). Для него никакая другая интерпретация не имеет смысла.

Но и многомировую интерпретацию не обошла стороной критика. Философ науки Тим Модлин, работающий в Ратгерском университете штата Нью-Джерси, восхищается ее попыткой лишить наблюдение статуса особого процесса. Однако в то же время он не уверен, что многие миры являются хорошей базой для объяснения того, почему некоторые квантовые исходы более вероятны, чем другие.

Когда квантовая теория предсказывает, что один результат измерения в 10 раз вероятнее другого, это всегда подтверждается повторными экспериментами. Согласно Модлину, многие миры свидетельствуют о том, что реализуются все возможные исходы, учитывая множественность миров, но это не объясняет, почему наблюдатели по-прежнему видят самый вероятный исход.

Незаурядный Эверетт

Многомировая интерпретация квантовой механики Хью Эверетта появилась в результате пьянки, оказавшей, наверное, наибольшее влияние на мир среди всех вечеринок. Однажды вечером 1954 года аспирант Хью Эверетт пил херес со своими друзьями в общежитии Принстонского университета, когда к нему пришла идея о том, что квантовые эффекты приводят к постоянному расщеплению Вселенной. Он разработал ее для своей кандидатской диссертации – и сформировалась теория.

Но ведущие физики времен Эверетта, в частности Нильс Бор, не смогли ее принять. Эверетту нужно было опубликовать упрощенную версию своей идеи. Обиженный до глубины души, он оставил физику и вступил в рабочую группу Пентагона, рассчитывающую потенциальное число погибших в случае ядерной войны. Жизнь Эверетта была увлекательной и трагичной. Он был убежденным атеистом и перед своей смертью, а тогда ему был 51 год, оставил жене Нэнси указание выбросить его прах вместе с мусором.

Дойч считает, что совсем недавно эти проблемы были решены, однако его аргументы малопонятны, и заявление физика так никого и не убедило. Еще сложнее прокомментировать то, что сторонники многих миров называют «замечанием недоверчивого взгляда». Очевидным следствием многомировой интерпретации является наличие множества копий вас – и что Элвис по-прежнему поет в Вегасе другой Вселенной. Немногие люди могут принять такую идею, но это может быть лишь вопросом степени привыкания к этой множественности нас и других.

По мнению Дойча, это случится, когда начнут использоваться технологии, основанные на непривычных сторонах квантового мира. Как только у нас появятся квантовые компьютеры, которые решают задачи нахождением во множестве состояний одновременно, эти миры мы сможем воспринимать только как физическую реальность.

Не только многомировая интерпретация претендует на внимание космологов. В 2008 году Энтони Валентини из Имперского колледжа Лондона предположил, что космическое микроволновое фоновое излучение, которое заполнило всю Вселенную сразу после Большого взрыва, может подкрепить интерпретацию де Бройля – Бома. В этом построении квантовые частицы обладают пока еще не обнаруженными свойствами, названными скрытыми параметрами.

Идея, лежащая в основе этой интерпретации, состоит в том, что учет этих скрытых параметров должен объяснить странное поведение квантового мира и оставить отпечаток на подробных картах космического микроволнового фонового излучения. Валентини говорит, что скрытые параметры могут дать более полное соответствие с наблюдаемой структурой фонового излучения, чем стандартная квантовая механика. Однако это всего лишь хорошая гипотеза, поскольку все еще нет убедительных доказательств того, что он попал в точку.

Другие мультивселенные

Не только квантовая механика приводит к неизбежному выводу о том, что наша Вселенная – всего лишь капля в громадном море вселенных. Виды мультивселенных сильно отличаются в разных разделах физики. Наша теория того, как Вселенная появилась на свет, предполагает бесконечное множество других вселенных. Раз уж Большой взрыв начался с периода, известного как инфляция, – в нем само пространство расширялось намного быстрее скорости света, вследствие чего должно было появиться множество других вселенных, в большинстве своем похожих на нашу, но причинно с ней не связанных, – это потенциально может быть случаем с разными организациями вещества. Другой уровень мультивселенных появляется из теории внешней инфляции, при которой пространство между вселенными продолжает расширяться, а новые вселенные-«пузыри» с сильно отличающимися свойствами образовываются в неограниченном числе.

Другой аргумент в пользу мультивселенной дает теория струн, которая является попыткой объединить все известные взаимодействия в физике. В ней утверждается, что все фундаментальные частицы вещества и силы в природе появляются в результате колебаний крохотных струн в 10 или 11 измерениях. Для нас дополнительные измерения пространства незаметны, возможно за счет того, что они свернуты, или уплотнены, – и слишком малы для обнаружения. Десятилетиями математики усиленно выясняли, какие формы может принять это уплотнение, и обнаружили несметное число способов скручивания пространства-времени – между 10¹⁰⁰ и 10⁵⁰⁰. Каждая форма дает начало отдельному вакууму пространства-времени, а из него и отдельной вселенной – со своей собственной вакуумной энергией, фундаментальными частицами и законами физики.

Какими бы диковинными ни казались эти мультивселенные, учеными, по крайней мере, признается возможность их существования. Философ Ник Бостром из Оксфордского университета поднял планку, утверждая, что Вселенная, которую мы проживаем, – всего лишь симуляция, запущенная на суперкомпьютере совершенной цивилизации. Идея состоит в том, что долгоживущие цивилизации могут развить фактически неограниченную вычислительную мощность и запустить несколько «родительских симуляций», которые способны превзойти по численности вселенные, образовавшиеся естественным образом, так что вполне вероятно, что одна из этих симуляций – наша Вселенная.

Проверяя мультивселенную

Квантовая русская рулетка – это мысленный эксперимент, разработанный физиком Максом Тегмарком для проверки многомировой гипотезы. Он начинается с экспериментатора, пистолета и фотонов (см. рис. 3.3).

Рис. 3.2. Многомировая интерпретация квантовой механики, предлагающая набор постоянно разветвляющихся вселенных.

Интервью. Параллельные жизни

Марк Эверетт, известный как E – идейный вдохновитель рок-группы Eels, – является сыном физика Хью Эверетта, основателя многомирового взгляда на квантовую механику. Eels, группа E, выпустила серию признанных альбомов, включая Beautiful Freak, Electro-Shock Blues, а также Blinking Lights and Other Revelations. Его отец умер в 1982 году, через 25 лет после выдвижения многомировой теории, предполагающей, что множество квантовых состояний постоянно дает начало параллельным вселенным. Здесь E говорит об отце, которого почти не знал.

– Вы жили со своим отцом 19 лет, однако говорите, что он был чужим. Можете ли Вы объяснить почему?

– Мой отец всегда присутствовал физически, но я воспринимал его скорее как предмет мебели. Когда моя сестра была младше, возможно, он был немного более коммуникабельным. Но я не замечал, чтобы он много общался с кем-то из нас. Это было таинственное и одинокое детство, в котором нас оставили решать все вопросы самостоятельно. Ты не ощущаешь себя ребенком и учишься всему методом проб и ошибок. Эта модель воспитания детей называется «Спасение утопающих – дело рук самих утопающих».

– Как Вы думаете, почему Ваш отец был таким замкнутым?

– Он никогда не сомневался в своей многомировой теории, тогда как никто больше не воспринимал ее всерьез. Поэтому он всего-навсего опустил руки. Должно быть, он чувствовал себя невероятно одиноким.

– Все же по многим показателям Ваш отец был успешным. Он проводил секретные исследования для Пентагона и позже стал состоятельным благодаря применению математического моделирования в индустрии.

– Это прекрасно, что он продолжил добиваться других целей, но я все еще задаюсь вопросом, в каком направлении он бы пошел, если бы получил больше поддержки в мире физики.

– Почему он не получил той поддержки?

– С теорией относительности Альберт Эйнштейн предложил миру закуску перед основным блюдом, благодаря которой его стало легче проглотить. Мой отец всего лишь предложил основное блюдо. Тем, кто находился на вершине Олимпа всей физики – Эйнштейну и Нильсу Бору, – сложно было сказать: «Мы решили позволить этому юноше сбить нас с ног». Он отправился в Копенгаген в 1959 году, наивно веря, что изменит мнение Бора. Я думаю, этот момент был определяющим в его жизни. После него он замкнулся в себе.

– Проявлялись ли у него какие-либо признаки депрессии перед этим?

– Ну, в нашей семье безумство наследственно: его мать страдала психическими расстройствами, а моя сестра покончила с собой. Но Копенгагенская ситуация могла поразить любого, у кого не было таких проблем, и вогнать в депрессию.

– Помогает ли знание о его теории понять его как личность?

– Это помогает снять с него ответственность за любые недостатки в качестве отца, потому что мы имеем дело с тем, кто выше нас, если говорить о работе сознания. Эйнштейн тоже не был отличным семьянином. Не думаю, что этих людей нужно заставлять придерживаться стандартных норм.

– Его теория предполагает, что каждый выбор, который мы делаем, порождает появление набора параллельных реальностей, и это довольно сложная для осознания идея. Подействовала ли она на Ваше собственное мировоззрение?

– Нет, поскольку я не гениальный физик. У меня очень много дел в этом мире, и я мыслю прямолинейно, насколько это возможно. Это может означать кучу плохого в параллельных вселенных – но если так устроен мир, то так тому и быть.