Нереальная реальность – 2. Книга вторая. Настоящее

Глава 5. Кот Шрёдингера

Свой знаменитый мысленный эксперимент Эрвин Шрёдингер предложил в 1935 году. Он демонстрирует как макро- и микромир взаимодействуют между собой.

Представьте себе, что в изолированный закрытый ящик помещён воображаемый кот, механизм с радиоактивным атомным ядром, а также колба с ядовитым газом. По условиям эксперимента ядро может распасться в течение часа с вероятностью 50/50. Если ядро распадётся, то смертельный механизм будет приведён в действие, колба с ядом разобьётся, и кот погибнет. Если ядро не распадётся, кот останется жив. Задача заключается в том, чтобы во время эксперимента, не открывая ящика, определить – жив кот или мёртв.

Несмотря на то, что этот мысленный опыт похож на злую шутку, а «несчастный» кот постоянно становится субъектом околонаучных спекуляций, отношение учёных к проблеме, поднятой Шрёдингером, более чем серьёзное. Дело в том, что от решения предложенной задачи ни много ни мало зависит ответ на вопрос о полноте понимания наукой современной физики.

Если экспериментатор откроет ящик, он обязательно увидит только одно из двух конкретных состояний – «ядро распалось, кот мёртв», или «ядро не распалось, кот жив». Но как определить статус кота, не открывая ящика?

Пока он закрыт, система «ядро-кот» находится в состоянии «ядро распалось, кот мёртв» с вероятностью 50%, и в состоянии «ядро не распалось, кот жив» с точно такой же вероятностью 50%. Выходит, что кот, сидящий в закрытом ящике, одновременно и жив, и мёртв.

Но ведь мы точно знаем, что это невозможно. Просто не существует состояния, промежуточного между жизнью и смертью.

Хуже того, поскольку вероятность обоих исходов равнозначна, получается, что судьба кота становится ясной лишь тогда, когда ящик открывается. То есть, результат эксперимента зависит от поведения экспериментатора, точнее от момента времени наблюдения кота.

Следовательно, невозможно объективно установить, когда кот перестаёт находиться в неопределённом состоянии и оказывается либо живым, либо мёртвым. Получается, что физический процесс зависит в прямом смысле этого слова от взгляда наблюдателя.

Для учёных во времена Шрёдингера такой вывод был равнозначен краху всей науки. В классическом мире субъективные действия экспериментатора не могут влиять на объективные законы природы. В чём же дело?

Ответ дала квантовая физика.

Глава 6. Квантовая физика

Всю энергию во Вселенной мы наблюдаем в виде пучков, которые называются квантами. Самый известный из них – квант света – фотон.

В привычном нам макромире энергия переносится двумя способами. Во-первых, материальными частицами при движении. Во-вторых, волнами. Таким образом, все носители энергии могут быть либо корпускулярными (состоящими из частиц), либо волновыми.

Общепринятая точка зрения заключается в том, что классическая физика описывает мир в макроскопическом масштабе, а квантовая механика начинает работать только на уровне мельчайших частиц. Но чем больше мы познаём реальность, тем больше появляется аргументов в пользу того, что наш мир в целом квантовый. Это заставляет пересмотреть многие традиционные взгляды на Вселенную.

Границу между макромиром, в котором действуют классические законы физики, и микромиром, в котором действуют законы квантовой механики, определяет . Постоянная Планка используется во всех главных уравнениях квантовой механики. Она устанавливает минимальный предел пространства, после которого начинают сказываться неопределённые законы квантового мира. постоянная Планка 4

Значение постоянной Планка выражается числом 0.0000000000000000000000000000006626 Дж/с. Длина Планка = 0.00000000000000000000000000000000001 сантиметра.

На меньшем расстоянии понятие пространства становится бессмысленным.

Чтобы понять, насколько это маленькая величина, приведу такое сравнение: если размер атома увеличить до размера видимой Вселенной, то длина Планка будет равна длине обыкновенной трости.

Время Планка примерно =10 секунды. Это временной интервал, необходимый свету, чтобы преодолеть длину Планка. Ниже него общепринятое понятие времени также бессмысленно. —44

Планковские значения характеризуются тем, что на их границах квантовые флуктуации пространства-времени становятся определяющими и чрезвычайно сильными. На этих масштабах привычные нам законы физики перестают работать.

Первый квантовый эксперимент был проведён ещё в 1801 году Томасом Юнгом. Это очень известный опыт с двумя щелями при котором через экран с двумя маленькими отверстиями проходит свет. Когда Юнг разместил позади этого экрана другой, сплошной и тёмный, то, к своему удивлению, обнаружил на нём не две точки света, а волновой узор. В те годы это было совершенно необъяснимо. 5

Сейчас мы точно знаем, что столь поразительный результат эксперимента может означать лишь одно – квант одновременно является и частицей, и волной.

Это сложно сразу осознать.

В привычном мире мы имеем дело либо с частицами (условно говоря – «шарик»), либо с волной (условно говоря – «рябь» на поверхности). В повседневной жизни мы представляем свет как волну. Но на самом деле в квантовом мире он может быть частицей – фотоном. Напротив, электрон и другие частицы могут вести себя как волны. Это свойство называется дуальностью или двойственностью квантового мира. В котором, как выяснилось, наши представления о «нормальном» поведении материи неприменимы.

По-настоящему поразительные результаты были получены в XX веке, когда появилась техническая возможность проверить опыт Юнга на современной аппаратуре. Учёным удалось пропустить через экран с двумя щелями единственный фотон.

«Здравый смысл» подсказывал экспериментаторам, что один квант уж точно не может быть волной. Следовательно, он способен пройти только через одну щель, а не через обе одновременно.

Тем не менее, при испускании отдельного фотона на заднем тёмном экране вновь образовались полосы волновой интерференции, словно фотон прошёл через обе щели.

Аналогичные результаты были получены и для космологических расстояний, когда с целью пропуска сквозь щели улавливались фотоны, испущенные миллиарды лет назад квазарами, чрезвычайно отдалёнными от нас космическими объектами.

Неоднократно продублированные эксперименты убедительно доказали, что частицы из одного источника всегда интерферируют друг с другом. И тогда, когда интервал их испускания составляет доли секунды, и тогда, когда он равен миллиардам лет.

Причём, неважно где это происходит – в земной лаборатории или на краю Вселенной.

Дальнейшие исследования дали настолько неправдоподобную картину реальности, что Альберт Эйнштейн или Нильс Бор, наверное, поставили бы на кон свою научную репутацию против подобного «шарлатанства». 6

Обнаружилось, что, двигаясь через экран, частицы перемещаются не по прямой и не по кривой. Они вообще не прибегают к какому-то обходному маневру. Частицы предпочитают самое «рациональное» решение – они проходят одновременно по всем возможным путям.

Я не ошибся и это не опечатка в тексте книги. Частицы пробегают именно по всем возможным путям, даже тем, которые могут лишь теоретически возникнуть в воображении.

Например, в одном из способов они обязательно достигнут щели строго сквозь ваш старый дырявый ботинок. Совершенно неясно, как относится к этому факту – с чувством обречённости или с чувством юмора. Я предпочитаю второе.

Самое смешное, но фантастика здесь только начинается. Проходя по всем возможным траекториям, частицы начинают грубо нарушать базовые физические законы. Они перемещаются быстрее света, меняют массу, возникают ниоткуда и пропадают в никуда. Происходят «невозможные» в нашем понимании события. Как это объяснить?

На самом деле ответ прост и парадоксален одновременно. Аномальное поведение частиц – это не невозможные, а просто крайне маловероятные события. Но, маловероятные для нашего классического макромира. А в квантовом мире они случаются постоянно, поэтому их необходимо учитывать при любых расчётах.

Вероятность глубоко встроена в саму структуру реальности. Очень важно зафиксировать этот вывод, иначе невозможно понять самую суть квантовой физики, которая кардинально отличается от классической. Осознать квантовый мир возможно лишь отказавшись от «очевидных» законов, действие которых каждый из нас ежедневно наблюдает в окружающем макромире.

Приведу такой пример. В классической науке, имея качественную аппаратуру, вы очень точно можете измерить положение трёх планет в космическом пространстве. Более того, опираясь на дополнительные данные, вы можете с помощью мощного компьютера рассчитать местоположение каждой из планет на её орбите в какой угодно момент времени, как в прошлом, так и в будущем. Например, совсем не сложно определить космические координаты Земли, Марса или Венеры на тысячу лет вперёд и назад. И это будут окончательные, неизменные результаты. Планеты никогда не будут произвольно перескакивать с одной орбиты на другую, ведя себя непредсказуемым образом. Даже если произойдёт какой-то глобальный катаклизм, например, погибнет Солнце, всё равно можно предсказать как изменятся орбиты планет, какие из них погибнут в огне звёздного коллапса, а какие будут выброшены в межзвёздное пространство. Весь вопрос лишь в мощности вычислительного оборудования для столь сложных расчётов.

Квантовая физика совсем другая. Если вы проведёте эксперименты с участием трёх частиц, вы никогда не получите одинаковые результаты измерения. На первый взгляд, они вообще будут казаться случайными. Но многократно повторив опыт, вы обнаружите важные закономерности. Каждая из трёх частиц, а также их группы будут с определённой, просчитываемой, вероятностью оказываться в конкретном месте.

Современные учёные умеют производить такие вычисления. Вероятностные предсказания квантовой механики всегда соответствуют экспериментальным данным. Поэтому никто из физиков не сомневается в правильности её законов. Некоторые части квантовой теории проверены с точностью до миллиардных долей. Её базовые принципы не просто экспериментально подтверждены, а лежат в основе работы огромного количества реальных приборов и устройств.

Люди привыкли к тому, что все вещи всегда находятся в определённом состоянии. Основной постулат квантовой механики состоит в том, что даже если произвести очень точные измерения, то, в самом лучшем случае, можно лишь предсказать вероятность того или иного события.

Вероятность главенствует в мире.

Максимум, что можно предсказать, это вероятность того, что та или иная составная часть природы будет найдена здесь или там. Квантовая механика описывает мир, в котором всё находится в неопределённости.

Для упрощения восприятия темы я приводил пример с тремя планетами. Однако, если быть точным, то классическая физика утверждает, что когда мы знаем информацию о текущем состоянии каждой частицы в космосе, то используя физические законы, можно рассчитать, как Вселенная выглядела бесконечно далеко в прошлом и какой она будет в бесконечно далёком будущем.

Квантовая механика опровергает этот вывод. Невозможно узнать точное положение даже одной частицы, не говоря уж о космосе в целом. Максимально, что можно сделать – предсказать вероятность того или иного события.

Ещё недавно нам казалось, что все объекты Вселенной, приведённые в движение в далёком прошлом, с фатальной неизбежностью двигаются в сторону строго определённого будущего. Квантовая механика разрушила эти представления.

Конечно, во Вселенной работают строгие фундаментальные законы. Но они устанавливают лишь вероятность того или иного сценария будущего и не способны определить, какое именно будущее наступит в действительности.

Вселенная глобально не стационарна. Она основана на вероятностном раскладе. И здесь очень важно не запутаться в терминах.

Нельзя сравнивать вероятность в квантовом мире с той вероятностью, с которой мы встречаемся в обычной жизни. Например, с игрой в рулетку в казино.

Игрок уверен, что существует некая совершенно точная, но не 100%– ная вероятность выпадения шарика на то или иное число. Но это совсем не так. Достаточно иметь необходимые вычислительные мощности и полные знания о физических параметрах участников процесса игры и окружающего пространства, чтобы абсолютно точно, со 100%– ной вероятностью, установить, в ячейке с каким числом остановится шарик после броска крупье.

Разумеется, человек за игровым столом не в состоянии сопоставить все эти значения и произвести необходимые расчёты. Слишком уж много данных необходимо учесть, поэтому такие вычисления не способен сделать даже самый мощный компьютер. Пока что. Невозможность подобного – просто дефицит транзисторов, который никоим образом не связан с фундаментальными свойствами природы.

В противоположность этому, в квантовом мире вероятность буквально встроена в самые основы Мироздания. Поэтому, известное утверждение Эйнштейна, что «Бог не играет в кости», можно интерпретировать в том смысле, что никакой игры вселенского масштаба нет по той простой причине, что само фундаментальное описание материи имеет вероятностный характер.

Законы квантовой механики действуют везде, в том числе в человеческом теле. И это не просто вопрос масштаба. Ещё недавно мы были убеждены в том, что всё в мире происходит определённым чередом. Однако, выяснилось, что все события во Вселенной «подвешены» в неопределённом состоянии и могут происходить частично тем и частично иным образом. Квантовые эффекты сложно увидеть на больших масштабах. Но дело не в размере, а в сложности понимания принципов взаимодействия квантовых систем, которые, с нашей точки зрения, противоречат здравому смыслу.

Возникает естественный вопрос. Если всё в мире имеет вероятностный характер, тогда почему классическая физика так точно предсказывает движение больших тел?

Ответ заключается в том, что макрообъект состоит из огромного количества частиц. Каждая из них в отдельности может вести себя «неадекватно», может даже нарушать законы классической физики. Но, крайне маловероятно, что миллиарды миллиардов частиц одновременно станут «нарушителями».

Теоретически возможно отклонение движения макрообъекта от предсказываемого законами Ньютона. В принципе, в следующее мгновение планета Земля может внезапно оказаться в Туманности Андромеды. И это абсолютно не противоречит ни одному закону физики. Однако, вероятность этого события настолько мала, что всего времени жизни Вселенной не хватит, чтобы хотя бы один раз увидеть подобное чудо в реальности.

В микромире ситуация иная. Вероятно, что какая-то одна частица, ещё сегодня утром бывшая частью вашей утренней чашки кофе, сейчас входит в состав чашки вечернего коктейля инопланетянина в другой галактике. Не будем забывать, что в чашке кофе содержится больше атомов, чем стаканов воды во всех океанах на Земле. При такой математике неудивительно, что какой-то микроскопический «экстремал» повёл себя не по правилам и моментально «улетел» из Млечного Пути.

Чем меньше объект, тем больше «размазываются» его вероятностные варианты. Слишком много местоположений в макромире, где отдельная маленькая частица может находиться с достаточной вероятностью. Именно поэтому в микромире квантовая природа реальности проявляется во всей полноте.

Квантовую механику сложно понять, потому что она противоречит нашей интуиции. Мне сложно описать её базовые принципы в знакомых вам терминах и фразах, так как смысл многих понятий можно передать лишь приблизительно. Поэтому постоянно приходится прибегать к аналогиям. Конечно, это очень грубые приближения. Но иного выхода нет, поскольку неизвестно, с какой стороны ждать подвоха.

Квантовая механика привнесла в науку элемент абсолютной непредсказуемости. Для одних расчётов удобно рассматривать частицы, как волны. Для других – волны, как частицы. Где-то применимо одно описание, где-то совершенно другое. Почему Природа опирается на столь необычный математический аппарат абсолютно непонятно.

Ещё один завораживающий квантовый эффект – запутанность частиц.

Физики установили, что измерение одной квантовый системы оказывает мгновенное воздействие на сцепленную с ней. Причём, эта связь сохраняется между частицами, даже если они расположены на разных концах Вселенной.

Запутанность связывает частицы вне зависимости от их местоположения и сил взаимодействия между ними. Это могут быть два электрона в разных галактиках. Запутанность влечёт за собой противоречащее «здравому смыслу» явление – нелокальность, то есть возможность взаимодействия объектов без непосредственного контакта и без помощи каких-либо сил, передающих действие в пространстве. Это экспериментально подтверждённый квантовый эффект.

Если измерить электрон на Земле, то его сцепленный партнёр моментально отреагирует на измерение. Где бы он ни находился в необъятных просторах космоса. Каким-то совершенно непостижимым образом частица «узнаёт» о поведении партнёра сразу же.

Каждая частица обладает собственным моментом вращения, известным как спин. В тот момент, когда измеряется спин одной частицы, её «родственная» частица мгновенно начинает крутиться с той же скоростью, но в противоположном направлении. Даже, если одна из частиц находится на одном краю Вселенной, а другая – на противоположном.

Только представьте себе странность подобной ситуации. Предположим, у вас есть два одинаковых маленьких шарика. Один – на Земле, а второй – вы каким-то необычным образом забросили в Туманность Андромеды. Как только вы закрутите шарик здесь, тот, который в другой галактике, моментально начнёт крутиться с той же скоростью, но в противоположном направлении. Напомню, что расстояние от нас до Туманности Андромеды луч света способен преодолеть лишь за 2.5 миллиона лет. Неужели информация может распространяться быстрее света?

Нет, постулаты теории Эйнштейна не нарушаются. Запутанность квантового состояния не позволяет отправить информацию и энергию на другой конец Вселенной из-за принципа запрета Паули. Он утверждает, что две взаимосвязанные частицы в одной системе не могут существовать в одном состоянии. Хотя, по факту, взаимозависимость партнёров проявляется именно со сверхсветовой скоростью. Информационная связь частиц является очень прочной и мгновенной. Доказано, что она не зависит от пространства, времени и скорости света. 7

Поразительно осознавать, что, согласно квантовой механике, что-то, что вы делаете здесь и сейчас, может быть мгновенно связано с тем, что происходит на другом краю Вселенной. Два объекта могут быть разделены космологическим расстоянием и всё же быть не полностью независимыми друг от друга. Их объединяет квантовая связь.

Мы знаем, что классическая система всегда делится на части. Её общие свойства зависят от свойств составляющих компонентов.

Запутанная система совершенно другая. Её невозможно разделить. Запутанные частицы, разделённые огромным расстоянием в пространстве, связывают весь космос в единое целое.

Получается, что такие главные категории классической физики, как пространство и время, неожиданно уходят на дальний план.

Главным фактором структуры реальности оказывается запутанность квантовых состояний. Для поддержания связи между квантовыми системами пространство и время не нужно. За этим выводом следуют чрезвычайно глубокие последствия.

Если классическая теория вторична, то мы просто вынуждены рассматривать пространство и время как категории, выводимые из другой физики. Более фундаментальной. Такой физики, где пространство и время отсутствуют.

Теперь на время вернёмся к нашему коту в коробке, чтобы понять ещё один базовый постулат квантовой механики – принцип Суперпозиции.

Из эксперимента Шрёдингера следует вывод о том, что пока наблюдатель не откроет коробку, кот будет одновременно пребывать в состоянии «жив-мёртв». С точки зрения классической физики такие альтернативные, взаимоисключающие состояния не могут быть реализованы одновременно. Кот либо жив, либо мёртв, но никак не комбинация того и другого.

Однако, в квантовой физике у объекта может быть парадоксальное объединённое состояние «жив-мёртв», то есть ни то, ни другое, а как бы между ними. Именно такое положение называется Суперпозицией.

В реальном мире мы не наблюдаем «мёртво-живого» кота, но в квантовой реальности это возможно. Именно взаимозависимость частиц в Суперпозициях приводит к их запутанности.

Суть в том, что состояния квантово-механической системы являются векторами. Поэтому их можно складывать и умножать. Значит, возможна любая комбинация этих состояний. Принцип Суперпозиции объясняет каким образом объект «одновременно» находится в разных местах.

Каким образом частица покидает состояние Суперпозиции и проявляется в классическом мире?

Обычно люди думают, что частицы похожи на маленькие шарики. Но это совсем не так.

Скорее они напоминают небольшие облачка.

Наиболее вероятно «отловить» частицу, обнаружить её во время измерения в самой «плотной» части облачка. Конечно, это условное описание для наглядности. Никаким бесформенным объектом частица в реальности не является.

Она вообще не объект в общепринятом понимании этого термина. Дело не в том, что мы не знаем координаты частицы. Их просто не существует в принципе. Частицы нужно рассматривать как возбуждения квантового поля.

В 1926 году Макс Борн предположил существование в природе так называемой волны вероятности. Её невозможно увидеть или измерить. Она простирается через всё пространство Вселенной. Волна вероятности представляет собой функцию координаты частицы. Борн назвал её волновой функцией. 8

Квадрат этой функции определяет вероятность обнаружения частицы в том или ином месте пространства. Отдельную частицу можно обнаружить только в одном месте. Но распределение множества частиц по разным местам подобно волне. Волновая функция определяет вероятность попадания частицы в одно из этих мест. Пик волны – это точка максимальной вероятности, указывающая, в каком месте пространства скорее всего окажется частица. С течением времени пик волны смещается в пространстве в соответствии с математическим уравнением, предложенным Шрёдингером. То есть, в квантовом мире частица ведёт себя подобно волне.

Суперпозиция квантовых состояний распространяется не только на отдельную частицу, но и на их группу. Поскольку частицы спутаны между собой, то волновая функция Суперпозиции всей квантовой системы одновременно описывает качества каждой частицы, её составляющей.

Суперпозиция распадается в тот момент, когда вы измеряете, или, если угодно, наблюдаете положение частицы. Открыв коробку, вы увидите живого или мёртвого кота. Аналогично, частица моментально среагирует на акт наблюдения и займет определённое место в пространстве.

Разумеется, вы не в буквальном смысле слова смотрите на частицу, а измеряете её положение. Её волна вероятности в этом месте поднимается на самый пик, достигая ста процентов, а во всех остальных местах коллапсирует. Каждый раз при взгляде на вероятностную неопределённость, она «схлопывается», превращаясь в привычную реальность.