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

Должен ли я заботиться о моих других «я»?

Каждое решение, которое вы принимаете, может породить параллельные вселенные, где люди страдают из-за вашего выбора. Здесь Роуэн Хупер, главный редактор журнала New Scientist, исследует моральный смысл мультивселенной.

«Мультивселенная волнует меня. Если многомировая интерпретация верна – а многие физики думают именно так, – мои действия определяют не только мой жизненный путь, но и жизненные пути моих двойников из других миров. Должен ли я переживать о параллельных Роуэнах, которые, в конце концов, страдают в результате моих действий? Как мне жить, зная, что я один из многочисленных Роуэнов в мультивселенной и что последствия моих решений распространяются дальше того, что я в принципе могу знать?

Вы, возможно, думаете, что мне всего-то стоит перестать обращать на это внимание. Как-никак, многомировая интерпретация гласит, что я никогда не встречусь с другими копиями меня. Так почему надо о них волноваться? Ну, большинство из нас пытаются жить по моральным принципам, поскольку мы считаем, что все наши действия влияют на других людей, даже на тех, которых мы никогда не увидим. Мы переживаем о том, как наши покупательские привычки влияют на рабочих в дальних странах; о том, как еще не родившиеся поколения будут страдать от наших выбросов углекислого газа. Так почему мы не можем немного поволноваться о наших других “я”?»

Макс Тегмарк, профессор физики Массачусетского технологического института, с пониманием относится к дилемме Хупера. Будучи главным сторонником мультивселенной, он хорошо подумал о том, что значит жить в одной из вселенных. «Я чувствую сильное родство с параллельными Максами, даже если никогда не получится с ними встретиться. Они разделяют мои ценности, мои чувства, мои воспоминания – они ближе мне, чем братья», – говорит Тегмарк.

Принятие космической точки зрения мешает Тегмарку себя жалеть: всегда есть другой Макс, находящийся в худшем положении, чем он. Физик говорит, что теперь, если едва избегает столкновения во время вождения, воспринимает этот опыт более серьезно, чем до того, как узнал о мультивселенной.

«Мы не можем предотвратить ее последствия, – говорит Хупер. – Каждый раз, когда мы принимаем решение, предполагающее вероятность, например взять ли зонт в случае дождя, оно приводит к тому, что Вселенная ветвится. В нашей Вселенной мы берем зонт и остаемся сухими, в другой – не берем и промокаем. Фундаментальное разнообразие вселенных заставляет нас делать подобные выборы».

Это важная идея. Мы живем в эпоху, подобную тем временам, когда Коперник понял, что Земля не находится в центре Вселенной, или когда Дарвин осознал, что люди не создавались отдельно от других животных. Оба этих озарения перестроили наши концепции о месте людей во Вселенной, философию и моральные принципы. Мультивселенная представляется следующим глобальным «смирителем» человечества.

Понять ее следствия – важная задача для людей, и даже физики находят этот процесс непростым. Например, когда жена Тегмарка была беременна их старшим сыном Филиппом, он обнаружил в себе надежду, что все пройдет хорошо. Тогда он себя укорил.

«Все должно пройти хорошо в одной вселенной и кончиться трагедией в ее параллелях. Так что для меня означало надеяться на то, что все пройдет хорошо? – Он даже не мог надеяться, что доля параллельных вселенных, где роды пройдут хорошо, достаточно велика, потому что доля в принципе может быть вычислена. – Поэтому не имеет смысла говорить: “Я надеюсь на что-то, связанное с этим числом”. Что будет, то будет».

Надежда, оказывается, является следующей жертвой мультивселенной. Вы принимаете решение и попадаете на ветвь мультивселенной с хорошим исходом или на ветвь с плохим. Вы не можете выбрать хороший сценарий. Это тяжело представить: как нам жить без надежды?

Возможно, философ поможет нам шире взглянуть на вещи. Дэвид Папино из Королевского колледжа Лондона предлагает следующее:

«Скажем, вы поставили деньги на лошадь и думаете, что это принесет выигрыш. В результате она проигрывает и вы теряете все свои деньги. Вы думаете: “Ах, если бы я не делал этого”. Но вы принесли выгоду вашим кузенам в других вселенных, где лошадь побеждает. Вы всего лишь вытянули короткую соломинку, которая выпала вашей Вселенной. Вы не сделали что-то неправильное. Нет смысла утверждать, что действие, совершенное вами прежде, было ошибкой».

Конечно, фраза «я не ошибся» не впечатлила бы наших близких, если бы мы поставили на лошадь все наши сбережения и обнаружили себя на «неправильной» ветви. Но и действовать так было бы неразумно – одной из самых привлекательных сторон интерпретации Эверетта, согласно Папино, является ее «незапутанность», пока вы действуете рационально.

С ортодоксальной точки зрения имеется два вопроса, ответы на которые позволяют оценить рискованность действий, объясняет он. Первый – соответствует ли сделанная ставка вашим шансам? Если бы вы нуждались в деньгах и ваша доля была бы соразмерной, возможно, она бы соответствовала. Второй – сработало ли это? Есть множество препятствующих причин, например, лошадь упала или просто проигнорировала ставки и финишировала последней.

Папино оскорбляет, что эти два способа действовать «верно» – мудрый выбор и удачный – не имеют тесных связей. «Идея того, что правильное действие может оказаться неправильным, представляется мне очень безобразной чертой ортодоксального мышления», – говорит он. Она не появляется в многомировой интерпретации, где каждому выбору соответствует свой исход. В ней не остается места для надежды или удачи, но и для угрызений совести тоже. Это изящный, даже хладнокровный способ взглянуть на обстоятельства.

Это изящество всегда привлекало в мультивселенной. В квантовой механике каждый объект во Вселенной описывается математической сущностью – волновой функцией, которая разъясняет то, как свойства субатомных частиц могут принимать несколько значений одновременно. Но проблема в том, что неопределенность исчезает, как только мы измеряем любое из этих свойств. Исходное объяснение этому – так называемая копенгагенская интерпретация – коллапсирование волновой функции в отдельное значение, как только измерение проведено.

Хью Эверетт назвал это принудительное отделение квантового мира от классического повседневного «чудовищным» и решил выяснить, что могло бы произойти, если бы волновая функция не коллапсировала. Соответствующая математика показала, что Вселенная расщеплялась бы каждый раз при проведении измерения – или, проще говоря, как только принималось бы решение с несколькими возможными исходами.

Для Дона Пейджа, физика-теоретика из Альбертского университета г. Эдмонтона (Канада), это изящество выходит далеко за пределы действий человека. Пейдж является и твердым эвереттовцем, и убежденным христианином. Как и многие современные физики, он согласен с позицией Эверетта, что коллапс волновой функции излишне сложен. Более того, для Пейджа он имеет счастливый побочный эффект – объяснение, почему Бог допускает существование зла.

«У Бога есть ценности, – говорит он. – Он хочет, чтобы мы наслаждались жизнью, но также желает создать изящную Вселенную». Для Бога важность изящества предшествует важности страдания, которое, как заключает Пейдж, является причиной плохих событий. «Бог не схлопнет волновую функцию, чтобы излечить людей от рака, или предотвратить землетрясения, или для чего-то в этом роде, поскольку это сделало бы Вселенную намного более неэлегантной».

Для Пейджа это решение проблемы зла интеллектуально удовлетворительно. Более того, многие миры могут даже позаботиться о свободной воле. Вообще, Пейдж не верит в то, что мы обладаем свободной волей: он чувствует, что мы живем в реальности, в которой Бог определяет все, так что у людей нет возможности действовать независимо. Но в многомировой интерпретации осуществляется каждое возможное действие. «Это не означает, что все устроено так, будто я осуществляю одно конкретное действие. В мультивселенной я совершаю все из возможных», – говорит Пейдж.

Однако пределы есть и у готовности физика доверить свою судьбу мультивселенной. Однажды Пейджу предложили миллион долларов за участие в квантовой русской рулетке – хорошей игре для страстного поклонника мультивселенной, в которой «нельзя проиграть» (см. выше в параграфе «Проверяя мультивселенную»). Пейдж думал о том предложении, но все же отклонил: ему не нравилась мысль о страданиях жены в мирах, где он умрет.

Я испытал некоторое облегчение, узнав, что даже эксперты в области многих миров в конечном счете во многом ведут себя так же, как люди, ничего не знающие о них. Но знания формируют то, как люди принимают решения. Возможно, для нас более естественно думать о том, как наши действия повлияют на других «я», чем о безликих вероятностях риска и выгоды.

Если кто-то и собирается противостоять этой тенденции, то, скорее всего, это Дэвид Дойч – вероятно, самый твердый сторонник интерпретации Эверетта. Несомненно, он может сказать последнее слово о том, что значит жить в мультивселенной, и оно оказалось довольно неожиданным:

«Теория принятия решений в мультивселенной говорит нам, что мы должны ценить вещи, происходящие в большем числе вселенных больше, а в меньшем числе вселенных меньше. И она говорит нам, что мера, по которой нужно оценивать их выше или ниже, за исключением экзотических обстоятельств, точно такая же, как если бы мы оценивали риски согласно вероятностям в классической Вселенной».

Так что правильный поступок остается правильным поступком.

Конечно, подход Дойча может быть неверным – с возможностью, которую он принимает, – хотя он твердо уверен, что мультивселенная существует. Но если он прав, его заключение только подкрепляет то, что говорят коллеги ученого: лучший способ жить в мультивселенной предполагает тщательное обдумывание того, как вы проживаете свою Вселенную.

Создает ли сознание реальность?

С ее мультивселенными и котами, одновременно живыми и мертвыми, квантовая механика, несомненно, крайне таинственна. Но некоторые физики предположили, что реальность куда более странная, чем мы можем представить: Вселенная становится реальной только в тот момент, когда мы на нее смотрим.

Этот вариант антропного принципа – известный как принцип участия – был впервые выдвинут Джоном Арчибальдом Уилером, ведущим светилом физики XX века. Он уподобил то, что мы называем реальностью, сложной конструкции из папье-маше, поддерживаемой небольшим количеством железных стоек. Когда мы проводим квантовое измерение, то вбиваем один из этих шестов в землю. Все остальное – плод воображения и теория.

Для Уилера, однако, проведение квантового измерения не только дает объективную фиксацию объектов, но также меняет ход развития Вселенной, заставляя реализоваться единственный исход из многих возможных. В знаменитом опыте с двумя щелями, например, наблюдается, что свет ведет себя либо как частица, либо как волна в зависимости от экспериментальной установки (см. главу 2). Самое необъяснимое – это то, что фотоны, кажется, «знают», как и когда переключаться между этими «режимами». Но это предполагает, что у фотона имеется физический облик перед тем, как мы наблюдаем. Уилер спрашивает: а что если нет? Что если он принимает его только в тот момент, когда мы на него смотрим?

Даже прошлое может остаться так и не зафиксированным. Уилер предложил космический вариант двухщелевого эксперимента, в котором свет от удаленного на миллиард световых лет квазара достигает нас, проходя вокруг галактики, искажающей его путь, и давая два изображения, по одному с каждой стороны галактики. Наводя телескоп на каждое из них, наблюдатели увидят фотоны, направляющиеся по одному из двух маршрутов как частицы. Но установив зеркала так, чтобы фотоны от обоих маршрутов попадали на детектор одновременно, они увидят свет как волну. В это время акт наблюдения проникает сквозь время, чтобы изменить природу света, покинувшего квазар миллиард лет назад.

Для Уилера это означало, что Вселенная на самом деле не может существовать в любом физическом смысле – даже в прошлом, – пока мы ее не измерим. И то, что мы делаем в настоящем, влияет на то, что случилось в прошлом, – и в принципе на события во всех временах вплоть до начала Вселенной. Если он прав, то Вселенная не существует во всех отношениях, пока мы и другие сознательные сущности не начинаем ее наблюдать.

Своеобразие квантового мира настолько невероятно, что идея его существования благодаря нам кажется почти разумной.

Как мы можем понять квантовую реальность?

«Я верю во внешнюю физическую реальность за моим собственным опытом, – говорит Йоханн Кофлер из Института квантовой оптики общества Макса Планка г. Гархинга (Германия). – Мир там без меня, и был там до меня, и будет там после меня».

Учитывая то, что мы знаем о квантовой физике, это кажется смелым утверждением. Нападок, которые эта самая фундаментальная теория реальности совершает на нашу интуицию, множество. Для Эфраима Штейнберга из Университета Торонто (Канада) работа с такими беспокоящими концепциями – что-то вроде переобучения мозга. «Сколько мы говорим о “контринтуитивности” квантовой механики, столько же мы подразумеваем, что она противоречит той интуиции, которой мы обладали до того, как изучали квантовую механику», – говорит он. В конце концов, мы тоже не очень хорошо разбираемся в прогнозирующих элементах классической реальности: сколько из нас искренне сказали бы, что перья и кирпичи падают с одинаковым ускорением под действием тяжести?

В квантовой физике, однако, не помогает тот смутный факт, что величины, используемые для описания объектов, существуют лишь математически. Визуализация волновой функции как реального объекта хороша для одиночной частицы, но все очень быстро усложняется. «Как только вы говорите о нескольких частицах, волновая функция живет в некотором пространстве с большим числом измерений, которое я понятия не имею как визуализировать, – говорит Штейнберг. Ему приходится разбивать сложную квантовую систему на части. – Но они являются всего лишь способами отказа от абстрактного математического объекта, предоставляющего, как я знаю, полное описание».

Однако если на более фундаментальном уровне мы полностью доверяем квантовой физике, то должны отказаться по крайней мере от одного из двух наиболее важных принципов классического мира. Один из них – реализм, идея, согласно которой каждый объект обладает свойствами, существующими без наших измерений. Другой – это принцип локальности, утверждающий, что ничто во Вселенной не может влиять на что-то другое мгновенно, то есть быстрее скорости света.

Для большинства квантовых физиков, с учетом всех свидетельств того, что космический предел скорости никогда не преодолевается, это будет реализм.

4. Практическая магия

Может показаться, что со всеми своими странными свойствами квантовая механика не имеет почти никакого отношения к повседневной жизни, но на самом деле все наоборот. Практические применения квантовой теории преобразили мир. Почти все современные гаджеты – компьютеры, мобильные телефоны, игровые консоли, машины – содержат микросхемы памяти, основанные на транзисторе, принцип работы которого опирается на квантовую механику полупроводников. Лазеры, имеющие широкое применение в хранении данных, печати, коммуникациях и производстве, также основаны на квантовых свойствах.

Транзисторы: история «дырок»

Вы окружены транзисторами. Они в ваших компьютерах, в ваших телефонах и в ваших бытовых приборах. Около 3 секстиллионов транзисторов (то есть 3^x10²¹) было изготовлено с того момента, как технология впервые была разработана в 1947 году, – это 428 миллиардов на каждого человека на Земле.

Транзистор, по сути, является куском полупроводникового материала, находящимся между двумя электродами и действующим как выключатель. Последующий электрод дает импульс напряжения, «включая» этот выключатель и позволяя току проходить через транзистор. Транзисторы используются не только для усиления электрических сигналов, например радиоволн, перехваченных антенной, но и как электронные переключатели. Сети из этих переключателей могут образовывать логические цепи, контролирующие электронные приборы или управляющие информацией в вашем компьютере.

В конечном счете работа транзистора определяется управлением переходов электронов между разными энергетическими уровнями в атомах полупроводниковых материалов. На фундаментальном уровне этот процесс основан на поведении квантового характера.

Сегодня разрабатываются новые типы квантовых транзисторов. В 2015 году, например, исследователи продемонстрировали, что два кремниевых транзистора, действующих как квантовые биты, могут осуществлять небольшие вычисления.

Транзисторы, гудящие сегодня в процессорах компьютеров, зависят от свойств странного гибридного материала, известного как полупроводник. Находясь на краю между электрической проводимостью и изолированием, полупроводники иногда позволяют токам проходить, а иногда решительно их блокируют.

К началу XX века некоторые аспекты этой «двойственной личности» были детально зафиксированы. Например, стало известно, что полупроводник галенит, или сульфид свинца, при некоторых условиях образовывает с металлом переход, через который ток проходит только в одном направлении. Благодаря этому некоторое время его широко использовали в первых беспроводных приемниках, преобразующих колеблющиеся радиосигналы в устойчивый постоянный ток. Однако это был трудоемкий и временами приводящий в ярость процесс, что являлось симптомом всех полупроводниковых провалов. Казалось, что их свойствам не было логических объяснений; небольшое изменение температуры или состава материала могло перевести их из проводников в изоляторы и наоборот. Укрощение их капризов было заманчивой перспективой, позволяющей сделать надежные, воспроизводимые электрические выключатели, но никто не понимал, как этого добиться.

Таким образом, в радиоприемниках, телефонных и телеграфных системах 20-х и 30-х годов XX века безраздельно господствовали вакуумные трубки, несмотря на громоздкость, большой риск поломки и высокое энергопотребление. Однако семена их упадка и окончательного триумфа полупроводников уже были посеяны.

В 1928 году Рудольф Пайерлс, молодой еврей, родившийся в Берлине, был студентом и работал в Лейпциге (Германия) под руководством Вернера Гейзенберга, великого пионера квантовой физики. Повороты судьбы впоследствии приведут его к званию одного из самых уважаемых физиков Великобритании и сделают противником наставника Пайерлса в гонке за «рецептом» первой атомной бомбы. В то время, однако, его занимал куда более скучный вопрос: почему электрические токи в некоторых металлах отклоняются в неправильном направлении при столкновении с магнитным полем?

Для Пайерлса ответ был очевидным. «Дело в том, что вы не можете понять твердые тела без использования квантовой теории», – напомнил он в интервью 1977 года. Пайерлс показал, что, как и в квантовой теории, – где электроны, обращающиеся вокруг ядра, не могут иметь просто любое значение энергии, а ограничены набором отдельных энергетических состояний, – внутри твердого кристалла электроны вставлены в «полосы» разрешенных энергетических состояний. Если одна из этих полос имеет лишь несколько занятых состояний, электроны обладают большей свободой движения, и в результате получается знакомый электрический ток. Но если у полосы занята бóльшая часть состояний, движение электрона ограничено редкими прыжками в соседнюю пустую щель. Когда большинство электронов находится в покое, создается впечатление, что движутся эти незанятые состояния: подвижные «отсутствия электронов» действуют для всех как положительные заряды – и двигаются в неправильном направлении в магнитном поле.

Вычисления для полос Пайерлса были зачатком согласованного квантово-механического взгляда на происхождение электрической проводимости, но в то время никто еще не изготовил переходы. Произошло это только в 1940 году, когда группа ученых из Bell Labs под руководством инженера Рассела Ола попыталась укротить особенности полупроводникового кремния. Тогда считалось, что прерывистость проводимости кремния возникает из-за наличия примесей в его кристаллической структуре, поэтому Ол и его группа занимались его очисткой. Однажды в результате сбоя в процессе очистки был получен пруток с поистине странным характером проводимости. Одна половина вела себя так, будто в ней преобладали отрицательно заряженные носители тока – электроны. При этом вторая демонстрировала признаки содержания движущихся положительных зарядов.

Рис. 4.1. Транзисторы, запускающие наши компьютеры, работают на дырках.

Это было необычно, но и вполовину не так странно, как результат раскаливания прутка Олом и его группой. Предоставленный сам себе, этот несбалансированный кремний вообще ничего не делал. Однако под ярким светом он перескакивал в проводящее состояние, при котором ток шел из отрицательной области в положительную. Дополнительные исследования выявили, в чем было дело. Обычно четыре внешних электрона атома кремния соединены связями с другими атомами кристалла. Но на одной стороне прутка Ола мельчайшая примесь фосфора с его пятью внешними электронами создавала избыток не прикрепленных электронов, а небольшое количество бора с тремя электронами на другой приводило к дефициту электронов (см. рис. 4.1).

После «активации» светом электроны утекали из области их избытка, чтобы заполнить дырки в электронной структуре, появившиеся из-за бора. Ол назвал это открытие «положительно-отрицательным», или p-n, переходом из-за двух отдельных областей положительных и отрицательных носителей заряда. Свойство преобразовывать световую энергию в электрический ток сделало его, между прочим, первым в мире фотоэлементом.