мичио каку. Мичио Каку. Параллельные миры
 Скачать 0.53 Mb.
|
|
На протяжении последовавших десяти лет Уилеру выпало стать свидетелем самых важных событий в ходе атомной войны. Во время войны он помогал контролировать строительство исполинского ядерного центра в Хэнфорде (штат Вашингтон), где вырабатывался сырой плутоний, необходимый для создания бомб, которые затем уничтожили Нагасаки. Еще через несколько лет он работал над созданием водородной бомбы и в 1952 году стал свидетелем первого ее взрыва, а также разрушений, вызванных сбросом кусочка Солнца на небольшой островок в Тихом океане. Однако, более десяти лет пробыв на первых страницах истории, в конце концов Уилер все же вернулся к своей первой любви — загадкам квантовой теории. Суммирование по траекториям Одним из многих учеников Уилера в послевоенные годы был Ричард Фейнман, который нашел, возможно, простейший и в то же время самый глубокий способ суммировать сложности квантовой теории. (Одним из следствий стало присуждение Фейнману Нобелевской премии в 1965 году.) Представим, что вы хотите пройти через комнату. По Ньютону, вы просто-напросто выберете кратчайший путь от точки А к точке Б, называемый классическим. Но по Фейнману, прежде всего вы должны учесть все возможные пути, соединяющие точки А и Б. Это означает, что вы должны принять во внимание пути, которые приведут вас на Марс, Юпитер, к ближайшей звезде, даже те пути, которые ведут назад во времени, к моменту Большого Взрыва. Не имеет значения, насколько сумасшедшими и причудливыми будут эти пути, — вы все равно должны их учитывать. Затем Фейнман приписал каждому пути определенную величину, а также привел свод точных правил, руководствуясь которыми можно было бы эту величину определить. Самым чудесным образом, сложив эти величины всех возможных путей, вы находите вероятность перехода из точки А в точку Б, которая дается обычной квантовой механикой. Это было поистине замечательно. Фейнман обнаружил, что сумма этих величин, приписываемых причудливым и противоречащим законам Ньютона путям, обычно уравновешивалась и давала небольшое число. Такова была природа квантовых флуктуации — они представляли пути, сумма которых была очень мала. Но Фейнман также обнаружил, что избранный на основе здравого смысла ньютоновский путь не уравновешивался, а обладал максимальной итоговой величиной — это был путь с наибольшей вероятностью. Таким образом, наше представление о физической вселенной, основанное на здравом смысле, является просто-напросто наиболее вероятным состоянием из бесконечного количества возможных. Но мы сосуществуем со всеми возможными состояниями, некоторые из них перенесли бы нас в эпоху динозавров, к ближайшей сверхновой или на окраину Вселенной. (Эти причудливые пути создают мельчайшие отклонения от ньютонианского пути, избранного на основе здравого смысла, но, к счастью, обладают очень малой вероятностью.) Иными словами, как бы странно это ни выглядело, каждый раз, как вы идете через комнату, ваше тело заблаговременно «обнюхивает» все возможные пути, даже те, что ведут к далеким квазарам и Большому Взрыву, а затем все их складывает. Используя мощный математический аппарат, называемый функциональным интегрированием, Фейнман показал, что ньютоновский путь — всего лишь наиболее вероятный, но не единственный. Совершив блестящий математический подвиг, Фейнман смог доказать, что эта картина, какой бы ошеломляющей она ни казалась, полностью эквивалентна обычной квантовой механике. Сила фейнмановского «суммирования по траекториям» состоит в том, что сегодня, когда мы формулируем теории ТВО, теорию инфляции и даже струнную теорию, мы пользуемся подходом Фейнмана, основанным на интегралах по траекториям. Этот метод преподается сейчас во всех университетах мира и на сегодняшний день является самым эффективным и удобным способом формулировки квантовой теории. (Я сам каждый день в своих исследованиях пользуюсь подходом Фейнмана, основанным на обобщении интегралов по траекториям. Каждое уравнение, которое я пишу, выводится на основе суммирования по траекториям. Когда в бытность студентом я впервые узнал о подходе Фейнмана, он изменил все мое ментальное представление о вселенной. Умом я понимал абстрактную математику квантовой теории и общей теории относительности, но изменила мое мировоззрение именно та идея, что, просто проходя по комнате, я каким-то образом исследую пути, которые могут привести меня на Марс или к далеким звездам. Внезапно у меня появилась странная новая мысленная картина — самого себя, живущего в этом квантовом мире. Я начал понимать, что квантовая теория намного более заумна, чем сложнейшие следствия теории относительности.) Когда Фейнман разработал эту причудливую формулировку, Уилер, который тогда был в Принстонском университете, бросился в Институт передовых исследований к Эйнштейну, чтобы попытаться убедить его в элегантности и мощи этой новой картинки. Уилер взволнованно объяснил Эйнштейну новую теорию Фейнмана об обобщении интегралов по траекториям. Он не осознавал полностью, насколько дико эти слова прозвучали для Эйнштейна. Впоследствии Эйнштейн качал головой и повторял, что он все же не верит в то, что Бог играет в кости с миром. Эйнштейн признался Уилеру, что мог и ошибаться, но настаивал на том, что он вполне заработал себе право ошибаться. Друг Вигнера Большинство физиков пожимают плечами и разводят руками, сталкиваясь с заумными парадоксами квантовой механики. Для большинства практикующих ученых квантовая механика — это набор кулинарных правил, результатом применения которых являются правильные вероятности, определяемые со сверхъестественной точностью. Джон Полкингхорн, физик, ставший священником, сказал: «Средний квантовый механик философичен не в большей мере, чем обычный механик». Однако некоторые из глубочайшихфизиков-мыслителей боролись с этими вопросами. Например, существует несколько способов разрешения шрёдингеровской проблемы кота. Первый был предложен Нобелевским лауреатом Юджином Вигнером и другими — сознание определяет существование. Вигнер написал, что «невозможно было полностью последовательно сформулировать законы квантовой механики без учета сознания [наблюдателя]… само изучение внешнего мира вело к заключению, что содержание сознания является высшей реальностью». Или, как когда-то написал поэт Джон Ките, «Ничто не реально до тех пор, пока не испытано». Но если я совершаю наблюдение, то что должно определить, в каком состоянии нахожусь я? Это означает, что кто-то еще должен наблюдать за мной, заставляя мою волновую функцию коллапсиров-вать. Иногда этого «кого-то» называют «другом Вигнера». Но это также означает, что кто-то должен наблюдать и за другом Вигнера, и за другом друга Вигнера, и так далее. Существует ли космический Разум, определяющий, наблюдая за всей Вселенной, полную последовательность «друзей»? Андрей Линде, один из создателей инфляционной теории, — , представитель тех физиков, которые упорно верят в центральную роль сознания: Я как человеческое существо не вижу ни единого довода, на основании которого я мог бы заявить, что Вселенная находится здесь в отсутствие наблюдателей. Мы вместе — мы и Вселенная. Когда говорят, что Вселенная существует без всякихнаблюдателей, я не вижу в этом никакого смысла. Я не могу представить связную теорию всего, в которой игнорируется сознание. Записывающее устройство не может играть роль наблюдателя, поскольку кто прочтет то, что записано на этом устройстве? Чтобы мы увидели, что что-либо происходит, и сказали друг другу, что что-либо происходит, нужна Вселенная, нужно записывающее устройство, нужны мы… В отсутствие наблюдателей Вселенная мертва… Согласно философии Линде, окаменелости динозавров не существуют до тех пор, пока на них не взглянешь. Но если на них взглянуть, то они «впрыгивают» в существование, как будто они существовали миллионы лет назад. (Физики, придерживающиеся этой точки зрения, достаточно внимательны, чтобы указывать на то, что эта картина экспериментально соответствует тому миру, в котором окаменело-стям динозавров и вправду миллионы лет.) (Некоторые люди, не одобряющие введение фактора сознания в физику, заявляют, что камера может совершать наблюдение электрона, а потому волновые функции могут коллапсировать и без участия сознательных существ. Но тогда кто скажет, что камера существует? Нужна еще одна камера, чтобы «наблюдать» за первой камерой и заставить коллапсировать ее волновую функцию. Затем необходима вторая камера, чтобы наблюдать за первой, третья, чтобы наблюдать за второй, и так до бесконечности. Такое введение камер не отвечает на вопрос о том, каким образом коллапсирует волновая функция.) Декогеренция Способом практического разрешения этих тернистых философских вопросов, завоевывающим все большую популярность среди физиков, является декогеренция. Впервые это понятие было сформулировано немецким физиком Дитером Не в 1970 году. Он заметил, что в реальном мире нельзя отделить кота (все того же) от окружающей среды. Кот находится в постоянном контакте с воздухом, коробкой и даже космическими лучами, которые пронизывают эксперимент. Вне зависимости от того, насколько малы эти взаимодействия, они оказывают радикальное влияние на волновую функцию: если волновая функция нарушена хотя бы в незначительной степени, то она распадается на две волновые функции мертвого кота и живого кота, которые более не взаимодействуют. Це показал, что столкновения с одной-единственной молекулой воздуха достаточно, чтобы волновая функция коллапсировала, вызвав немедленное разделение волновых функций живого кота и мертвого, которые больше не взаимодействуют друг с другом. Иными словами, еще до того, как вы откроете коробку, кот уже вступил в контакт с молекулами воздуха и отсюда уже жив или мертв. Це принадлежит ключевое наблюдение, он заметил то, что было упущено: чтобы кот был одновременно и мертв, и жив, его волновая функция должна вибрировать с практически полной синхронизацией, это состояние называется когеренцией. Но экспериментально это практически невозможно. Создать когерентные объекты, вибрирующие в унисон, в лабораторных условиях чрезвычайно сложно. (В действительности сложно получить больше горсточки когерентно вибрирующих атомов из-за взаимодействия с внешним миром.) В реальном мире объекты взаимодействуют с окружающей средой, и малейшее взаимодействие с внешним миром может нарушить две образевавшиеся волновые функции и они начнут «декогерировать», то: есть рас синхронизируются и разделятся. Це показал, что, как только две волновые функции перестают вибрировать в фазе друг с другом, они более не взаимодействуют между собой. Многие миры Поначалу понятие декогеренции кажется весьма удовлетворительным: теперь волновая функция коллапсирует не через сознание, а через беспорядочное взаимодействие с внешним миром. Но это все же не решает фундаментального вопроса, беспокоившего еще Эйнштейна: как природа «выбирает», в какое состояние коллапси-ровать? Когда молекула воздуха ударяет кота, кто или что определяет финальное состояние кота? По этому вопросу теория декогеренции просто утверждает, что две волновые функции разделяются и более не взаимодействуют между собой, но она не отвечает на первоначальный вопрос: мертв кот или жив? Иными словами, декогеренция делает присутствие сознания ненужным в квантовой механике, но она не решает вопрос, беспокоивший Эйнштейна: каким образом природа «выбирает» финальное состояние кота? В ответ на этот вопрос теория декогеренции просто хранит молчание. Однако существует естественное расширение декогеренции, которое разрешает данный вопрос; сегодня оно приобретает все более широкое признание среди физиков. Этот подход был предложен еще одним учеником Уилера, Хью Эвереттом III, который оговорил возможность того, что кот может быть одновременно и жив, и мертв в двух различных вселенных. Когда в 1957 году Эверетт закончил свою диссертацию, ее едва заметили. Однако с течением времени интерес к теории «многих миров» начал расти. Сегодня эта теория вызвала прилив обновленного интереса к парадоксам квантовой теории. Согласно этой совершенно новой интерпретации, кот одновременно и жив, и мертв по той причине, что Вселенная распалась на две. В одной вселенной кот мертв; в другой он жив. В сущности, в каждый момент времени вселенная расщепляется надвое, становясь звеном в бесконечной череде расщепляющихся вселенных. Согласно этому сценарию, все вселенные возможны, каждая из них так же реальна, как и любая другая. Люди, живущие в каждой вселенной, могут яростно утверждать, что именно их вселенная реальна, а все остальные лишь воображаемые или ненастоящие. Эти параллельные вселенные — не эфемерно существующие призрачные миры; в каждой вселенной мы видим столь же реальные и объективные твердые предметы и столь же реальные и объективные конкретные события, как и в любой другой. Преимуществом этой интерпретации является тот факт, что мы можем опустить условие номер три — коллапс волновой функции. Волновые функции никогда не коллапсируют, они продолжают развиваться, вечно распадаясь на новые и новые волновые функции в бесконечном древе распада, каждая ветвь которого представляет целую вселенную. Большим преимуществом теории многих миров является то, что она проще, чем Копенгагенская интерпретация: здесь не нужен коллапс волновой функции. Но цена, которую мы платим за это, та, что теперь у нас есть вселенные, все время распадающиеся на миллионы ветвей. (Некоторым сложно понять, каким образом вести учет всех этих множащихся вселенных. Однако волновое уравнение Шрёдингера решает это автоматически. Отслеживая развитие волнового уравнения, мы сразу находим все многочисленные ветви волны.) Если эта интерпретация верна, то в этот самый момент ваше тело сосуществует с волновыми функциями динозавров, сцепившихся в смертельной схватке. Вместе с вами в комнате сосуществует волновая функция того мира, в котором немцы выиграли Вторую мировую войну, в котором бродят инопланетные пришельцы, в котором вы никогда так и не родились. Среди вселенных, существующих в вашей гостиной, находятся и миры «Человека в высоком замке» и «Сумеречной зоны». Загвоздка в том, что мы не можем с ними больше взаимодействовать, поскольку они от нас декогерировали. Как сказал Алан Гут, «существует вселенная, где Элвис все еще жив». Физик Франц Вильчек написал: «Нас преследует сознание того, что бесконечное количество чуть-чуть отличающихся от нас копий нас самих живет своими параллельными жизнями, а также того, что в каждый момент еще больше двойников начинают свое существование, занимая место в одном из наших возможных вариантов будущего». Он замечает, что история греческой цивилизации, а отсюда и всего западного мира, могла быть иной, если бы Елена Троянская была не такой пленительной красавицей, а имела уродливую бородавку на носу. «Что же, бородавки могут возникнуть как результат мутаций в отдельных клетках, часто вызванных пребыванием под лучами солнца, несущими ультрафиолет». Он продолжает: «Вывод; существует много, много миров, в которых у Елены Троянской была бородавка на кончике носа». Мне вспоминается отрывок из классического научно-фантастического произведения Олафа Стэплдона «Создатель звезд»: «Каждый раз, когда существо встречалось с несколькими возможными путями действия, оно избирало их все, таким образом создавая много… самостоятельных историй космоса. Ибо в каждом процессе эволюционного развития в космическом пространстве существовало много созданий, и каждое из них постоянно сталкивалось с выбором из многих возможных путей, и комбинации всех этих путей были бесчисленны, представляя собой бесконечность отдельных вселенных, отслаивающихся в каждый момент каждого отрезка времени». Голова идет кругом, когда мы понимаем, что, согласно этой интер-: претации квантовой механики, все возможные миры сосуществуют вместе с нами. Хотя для того, чтобы достичь иных миров, может понадобиться портал-червоточина, эти квантовые реальности существуют в той самой комнате, где мы живем. Они сосуществуют с нами, куда бы мы ни пошли. Ключевой вопрос вот в чем: если это правда, то почему мы не видим эти иные вселенные, наполняющие нашу гостиную? А вот здесь вступает в дело декогеренция: наша волновая функция декогерировала с этими иными мирами (то есть эти волны больше не находятся в фазе друг с другом). У нас больше нет контакта с ними. Это означает, что даже малейшее взаимодействие с окружающей средой исключит взаимодействие различных волновых функций друг с другом. (В главе 11 я привожу возможное исключение из этого правила, с помощью которого разумным существам может удаться путешествие между квантовыми реальностями.) Не кажется ли это слишком странным, чтобы быть возможным? Нобелевский лауреат Стивен Вайнберг проводит параллель между этой теорией многих вселенных с радио. Вокруг вас сотни различных радиоволн, передаваемых далекими станциями. В любой заданный момент ваш офис, машина или гостиная заполняется этими радиоволнами. Однако если вы включите приемник, то сможете слушать радиоволны только на одной частоте в данный момент; остальные частоты декогерировали и больше не находятся в фазе друг с другом. Каждая станция обладает различной энергией, различной частотой. В результате ваш приемник в данный момент времени может принимать вещание только на одной частоте. Подобным образом в нашей вселенной и мы «настроены» на частоту, которая соответствует физической реальности. Но есть бесконечное количество параллельных реальностей, сосуществующих в одной комнате вместе с нами, хотя мы не можем «настроиться на них». Эти миры очень похожи друг на друга, но в каждом из них атомы обладают различной энергией. А поскольку каждый мир состоит из триллионов и триллионов атомов, это означает, что различие в энергии может быть довольно велико. Поскольку частота этих волн пропорциональна их энергии (по закону Планка), то это означает, что волны каждого мира вибрируют с различной частотой и больше не могут взаимодействовать. Фактически волны этих различных миров не взаимодействуют друг с другом и не влияют друг на друга. Что удивительно, принимая эту странную точку зрения, ученые могут прийти ктем же результатам, что и с помощью Копенгагенского подхода, без всякой нужды в коллапсе волновой функции. Иными словами, эксперименты, проведенные как в соответствии с Копенгагенской интерпретацией, так и в соответствии с интерпретацией теории многих миров, принесут в точности совпадающие результаты. Коллапс волновой функции Бора в математическом отношении эквивалентен действию окружающей среды. Иными словами, кот Шрёдингера может быть мертв или жив одновременно, если мы каким-либо образом изолируем кота от возможного воздействия каждого атома или космического луча. Конечно, на практике это неосуществимо. Как только кот вступит в контакт с космическим лучом, волновая функция живого кота и волновая функция мертвого кота декогерируются и будет казаться, что волновая функция коллап-сировала. Вещество из информации В обстановке возродившегося интереса к проблеме измерения в квантовой теории Уилер стал большим авторитетом в области квантовой физики. Он стал появляться на многочисленных конференциях, организованных в его честь. Сторонники движения Нью Эйдж (Новая Эра), которых вдохновляла идея фактора сознания в физике, даже провозгласили Уилера своим гуру. (Однако он не всегда был рад таким ассоциациям. Однажды он сильно расстроился, обнаружив, что находится в списке приглашенных вместе с тремя парапсихологами. Он не замедлил высказать свое мнение по этому поводу, и в его речи прозвучала фраза «Нет дыма без дыма».) После 70 лет массовых размышлений над парадоксами квантовой теории Уилер первым признал, что он не знает ответов на все вопросы. Он продолжает подвергать сомнению собственные предположения. Когда его спросили о проблеме измерения в квантовой механике, он ответил: «Меня просто сводит с ума этот вопрос. Я признаю, что иногда я на сто процентов серьезно воспринимаю идею о том, что мир — это плод воображения, но в другие моменты мне кажется, что мир существует вне всякой зависимости от нас. Однако я от всей души готов подписаться под словами Лейбница:"Этот мир может быть иллюзией, а существование — не более чем сном, но этот сон или иллюзия для меня достаточно реальны при условии, что мы не будем введены ими в заблуждение, правильно используя разум"». Сегодня теория многих миров, или теория декогеренции, завоевывает все большую популярность среди физиков. Но Уилер обеспокоен тем, что для нее требуется «слишком много лишнего багажа». Он играет с еще одним объяснением проблемы кота Шрёдингера. Он называет свою теорию «Вещество из информации» («It from Bit»). Это нетрадиционная теория, которая основывается на предположении о том, что информация находится у истоков всего бытия. Когда мы смотрим на Луну, галактику или атом, их сущностью, согласно Уилеру, является заключенная в них информация. Но эта информация начала свое существование, когда вселенная обратила свой взор на саму себя. Уилер рисует круговую диаграмму, иллюстрирующую теорию вселенной. Существование вселенной началось в тот момент, когда она стала объектом наблюдения. Это означает, что «оно» (вещество вселенной) возникло в тот момент, когда информация («бит») вселенной была замечена. Он называет эту теорию моделью «вселенной-участницы». Идея заключается в том, что вселенная приспосабливается к нам таким же образом, как и мы приспосабливаемся к ней; в том, что само наше присутствие обусловливает возможность существования вселенной. (Пока не достигнут консенсус по поводу проблемы измерения в квантовой механике, в отношении теории «Вещество из информации» большинство физиков занимает позицию «поживем — увидим».) Квантовые компьютеры и телепортация Такие философские дискуссии могут показаться безнадежной софистикой, без малейшей возможности практического применения в нашем мире. Только вместо того, чтобы спорить о том, сколько ангелов может танцевать на кончике иглы, квантовые физики, кажется, обсуждают то, в скольких местах одновременно может находиться электрон. Однако это не праздные измышления ученых в башне из слоновой кости. Когда-нибудь эти идеи могут найти самое что ни на есть практическое применение — стать двигателем мировой экономики. Когда-нибудь богатство всех наций может оказаться зависимым от тонкостей проблемы кота Шрёдингера. К тому времени, возможно, наши компьютеры уже будут производить расчеты в параллельных вселенных. Сегодня почти вся компьютерная инфраструктура базируется на силиконовых транзисторах. Закон Мура, который гласит, что компьютерная мощность удваивается каждые полтора года, на данный момент верен потому, что мы можем всаживать в силиконовые чипы все меньшие и меньшие транзисторы при помощи ультрафиолетовых лучей. Хотя закон Мура продолжает потрясать технологический пейзаж, его действие не может длиться вечно. В самом современном чипе Пентиум используется слой в 20 атомов. В течение 15–20 лет ученые смогут задействовать слои, возможно, в 5 атомов. На таких неимоверно малых расстояниях нам придется уйти от Ньютона и руководствоваться принципами квантовой механики, где вступает в силу принцип неопределенности Гейзенберга. В результате мы больше не будем знать, где находится электрон. Это означает, что будут происходить короткие замыкания в тот момент, когда электроны будут выскакивать из непроводников и полупроводников, вместо того чтобы оставаться внутри них. Когда-нибудь возможности электроники, основанной на кремнии, исчерпаются. И это возвестит приход квантовой эры. Силиконовая долина может прийти в упадок. Когда-нибудь нам, возможно, придется считать на самих атомах, что приведет к полному изменению архитектуры компьютера. Сегодня компьютеры основаны на двоичной системе исчисления — любое число представляется нулями и единицами. У атомов же спин может быть направлен вверх, вниз или в стороны одновременно. На смену компьютерным битам (нулям и единицам) могут прийти «кубиты» (любое число между единицей и нулем), что сделает вычисления с помощью квантовых компьютеров намного более продуктивными, чем при помощи обычных компьютеров. Для примера, квантовый компьютер мог бы потрясти самое основание международной безопасности. Сегодня большие банки, транснациональные корпорации и индустриальные страны кодируют свои секретные данные при помощи сложных компьютерных алгоритмов. Многие секретные коды построены на разложении на множители огромных чисел. Современному компьютеру понадобились бы века для того, чтобы разложить на множители, скажем, стозначное число. Но для квантового компьютера такие вычисления не представляют никакой сложности, а потому при помощи квантового компьютера можно с легкостью взломать любые секретные коды в мире. Чтобы представить себе, каким образом функционирует квантовый компьютер, давайте скажем, что мы выстроим в ряд несколько атомов, спины которых однонаправлены в магнитном поле. Затем мы просвечиваем ихлазером таким образом, что многие из спинов перевернутся в момент, когда лазерный луч отразится от атомов. Измерив отраженный свет лазера, мы записываем сложную математическую операцию — рассеивание света атомами. Если мы рассчитаем этот процесс, используя квантовую теорию, вслед за Фейнманом мы должны сложить все возможные положения атомов, вращающихся во всех возможных направлениях. Даже простой квантовый подсчет, для которого потребовались бы доли секунды, на обычном компьютере выполнить практически невозможно, вне зависимости от того, сколько времени для этого будет отведено. В принципе, как подчеркнул Дэвид Дойч из Оксфорда, это означает, что, когда мы начнем пользоваться квантовыми компьютерами, нам придется складывать все возможные параллельные вселенные. Хотя мы не можем вступить в прямой контакт с этими другими вселенными, атомный компьютер мог бы их вычислить при помощи положений спинов в параллельных вселенных. (Хотя мы не когерентны с другими вселенными в нашей гостиной, атомы квантового компьютера по своей конструкции когерентно вибрируют в унисон.) Хотя потенциал квантовых компьютеров поистине ошеломляет, на практике масштабы возникающих проблем столь же велики. В настоящий момент мировой рекорд по числу атомов, использующихся в квантовом компьютере, равен семи. В лучшем случае на этом квантовом компьютере мы можем умножить три на пять и получить пятнадцать, что вряд ли произведет большое впечатление. Чтобы квантовый компьютер стал сравним по мощности со стандартным современным лэптопом, необходимы сотни, а возможно, и миллионы атомов, вибрирующих когерентно. Поскольку столкновение даже с одной-единственной молекулой воздуха может стать причиной того, что атомы компьютера декогерируют, необходимы чрезвычайно стерильные условия для изоляции атомов от воздействия окружающей среды. (Чтобы сконструировать квантовый компьютер, по скорости превосходящий современные компьютеры, понадобятся тысячи, а то и миллионы атомов, а потому от реальных квантовых компьютеров нас отделяют, по меньшей мере, десятилетия.) Квантовая телепортация В конечном итоге может быть найдено практическое применение, на первый взгляд, бессмысленном} обсуждению физиками параллельных квантовых вселенных: квантовая телепортация. «Транспортер», использовавшийся для перевозки людей и оборудования в «Стар Треке» и других научно-фантастических программах, кажется чудесным средством, позволяющим преодолеть огромные расстояния. Но как ни маняще звучит эта идея телепортации, физиков она приводит в замешательство, поскольку, кажется, противоречит принципу неопределенности. Проводя измерение атома, вы нарушаете его состояние, а потому точная копия создана быть не может. Но ученые обнаружили брешь в этом аргументе в 1993 году с помощью так называемой квантовой сцепленности. Она основана на старом эксперименте, предложенном в 1935 году Эйнштейном и его коллегами Борисом Подольским и Натаном Розеном (так называемый парадокс Эйнштейна — Подольского — Розена, или ЭПР-парадокс) для того, чтобы продемонстрировать, насколько в действительности безумна квантовая теория. Допустим, произошел взрыв и два электрона разлетаются в противоположных направлениях с околосветовой скоростью. Поскольку электрон может крутиться как волчок, допустим, что их спины связаны — то есть если ось спина одного электрона направлена вверх, то ось спина второго направлена вниз (таким образом, что общий спин равен нулю). Однако до того, как мы совершаем измерение, мы еще не знаем, в каком направлении вертится каждый электрон. Теперь подождем несколько лет. К этому времени два электрона будут находиться на расстоянии многих световых лет друг от друга. Если теперь мы измерим спин одного электрона и обнаружим, что его ось направлена вверх, мы тут же поймем, что ось спина второго направлена вниз (и наоборот). В сущности, тот факт, что один электрон вращается вверх, заставляет второй электрон вращаться вниз. Это означает, что теперь мы узнаем нечто об электроне, находящемся на расстоянии многих световых лет, мгновенно. (Полное впечатление, что информация путешествовала со скоростью, превышающей скорость света, а это явное нарушение специальной теории относительности Эйнштейна.) При помощи тщательно построенного доказательства Эйнштейну удалось показать, что, совершая последовательные измерения одной пары электронов, можно нарушить принцип неопределенности. Что более важно, он показал, что квантовая механика еще более причудлива, чем кто-либо мог до этого себе представить. Вплоть до того самого момента физики считали, что Вселенная была локальной, что возмущения в одной части Вселенной распространялись от источника лишь локально. Эйнштейн показал, что квантовая механика по своей сути нелокальна — возмущения из одного источника могут мгновенно влиять на далекие уголки Вселенной. Эйнштейн назвал это «призрачным действием на расстоянии», которое посчитал абсурдным. Таким образом, Эйнштейн уверял, что квантовая теория неверна. (Критики квантовой механики считали, что парадокс Эйнштейна — Подольского — Розена разрешим при таком допущении: если бы наши инструменты были достаточно чувствительны, то они действительно смогли бы определить, в каком направлении вращаются электроны. Значит, кажущаяся неопределенность в спине и положении электрона — просто фикция, результат того, что наши инструменты слишком грубы. Они ввели концепцию скрытых переменных, — то есть должна существовать скрытая субквантовая теория, в которой неопределенности не существует вообще, и в основе этой теории лежат новые, так называемые скрытые переменные.) Ставки неимоверно возросли в 1964 году, когда физик Джон Белл подверг ЭПР-парадокс и скрытые переменные суровому испытанию. Он показал, что при проведении эксперимента ЭПР должно существовать численное соответствие между спинами двух электронов, зависящее от того, какая теория использовалась. Если теория скрытых переменных была верна, то спины должны были иметь одно соотношение. Если была правильна квантовая механика, то соотношение спинов должно было быть иным. Иными словами, судьба всей квантовой механики (основы всей современной атомной физики) зависела бы от одного-единственного эксперимента. Но эксперименты окончательно доказали, что Эйнштейн ошибался. В начале 1980-х годов Алан Эспект и его коллеги во Франции поставили эксперимент ЭПР. В эксперименте использовались два детектора, расположенные на расстоянии 13 метров, которые измеряли спины фотонов, испускаемых атомами кальция. В 1997 году эксперимент ЭПР был поставлен с детекторами, расположенными на расстоянии в 11 километров. В обоих случаях победила квантовая теория. Определенная форма знания действительно перемещается быстрее света. (Хотя Эйнштейн ошибался насчет эксперимента ЭПР, он был прав в вопросе более существенного масштаба — о сообщении, проходящем быстрее света. Хоть эксперимент ЭПР и позволяет узнать что-либо о другой стороне галактики, он не позволяет таким способом посылать сообщения. К примеру, вы не можете таким образом отсылать азбуку Морзе. В сущности, «передатчик ЭПР» отсылап бы только беспорядочные сигналы, поскольку измеряемые спины будут другими каждый раз, как вы их измеряете. Эксперимент ЭПР позволяет вам получить информацию о другой стороне галактики, но он не позволяет вам передавать полезную, не беспорядочную информацию.) Белл для описания этого эффекта приводил пример математика по имени Бертельсман. У того была необычная привычка каждый день надевать на одну ногу синий носок, а на другую — зеленый, в случайном порядке. Если вы замечаете, что на левой ноге у него синий носок, то вы сразу же, быстрее света, получаете информацию о том, что другой его носок — зеленый. Но это знание отнюдь не позволяет вам таким же образом сообщать информацию. Обнаружение информации отличается от ее пересылки. Эксперимент ЭПР не означает, что мы можем сообщать информацию путем телепатии, путешествий быстрее света или путешествий во времени. Но он все же означает, что для нас невозможно полностью отрешиться от единства вселенной. Эксперимент заставляет нас принять другую картину нашей Вселенной. Существует космическое «сцепление» (entanglement) между каждым атомом нашего тела и атомами, которые находятся на расстоянии световых лет от нас. Поскольку все вещество произошло из одного источника — Большого Взрыва, — то в каком-то смысле все атомы нашего тела связаны с атомами на другом конце Вселенной при помощи космической квантовой паутины. Сцепленные частицы чем-то похожи на близнецов, все еще связанных между собой пуповиной (волновой функцией), которая может быть длиной во много световых лет. Происходящее с одним близнецом автоматически воздействует и на другого, а отсюда знание об одной частице может незамедлительно предоставить информацию о ее двойнике. Сцепленные частицы ведут себя так, как если бы они представляли собой единый объект, хотя они и могут быть разделены неимоверными расстояниями. (Если выразиться точнее, то можно сказать, что, поскольку волновые функции частиц в Большом Взрыве были когда-то связаны и когерентны, то эти волновые функции все еще могут быть частично соединены миллиарды лет спустя, после Большого Взрыва таким образом, что возмущения в одной части волновой функции могут воздействовать на другую часть той же волновой функции.) В 1993 году ученые предложили использовать концепцию ЭПР-сцепленности для создания устройства, с помощью которого можно совершать квантовую телепортацию. В 1997 и 1998 годах ученые из Калифорнийского технологического института, Университета Аарус в Дании и Университета Уэльса совершили первую экспериментальную демонстрацию квантовой телепортации. В ходе эксперимента отдельный фотон был телепортирован через стол. Сэмюэл Браунштайн, принимавший участие в организации эксперимента, сравнил сцепленные пары слюбовниками, «которые знают друг друга настолько хорошо, что могут ответить за свою вторую половину, даже если их разделяют огромные расстояния». (Для экспериментов в области квантовой телепортации необходимы три объекта — А, В и С. Пусть В и С — сцепленные близнецы. Хоть они и могут находиться на огромном расстоянии друг от друга, они все же остаются сцепленными. Пусть теперь В вступит в контакт с А, который собственно является объектом телепортации. В «сканирует» А, и информация, содержащаяся в А, переносится в В. Затем эта информация автоматически передается близнецу С. Таким образом, С превращается в точную копию А.) В области исследований квантовой телепортации наблюдается большой прогресс. В 2003 году ученым Женевского университета в Швейцарии удалось телепортировать фотоны на расстояние в 2 км через оптоволоконный кабель. Фотоны света (при длине волны 1,3 мм) в одной лаборатории были телепортированы в другие фотоны с другой длиной волны (1,55 мм) в другую лабораторию, связанную с первой оптоволоконным кабелем. Николас Гизин, физик, принимавший участие в этом проекте, сказал: «Возможно, объекты больших размеров, такие, как молекула, и будут телепортированы до моей смерти, но по-настоящему большие объекты не поддаются телепортации при использовании обозримых технологий». Еще один важный прорыв был совершен в 2004 году, когда ученые из Национального института стандартов и технологий (NIST) телепортировали не просто квант света, а целый атом. Их основным достижением стало то, что они успешно запутали 3 атома бериллия и смогли перенести характеристики одного атома в другой. Область практического применения квантовой телепортации потенциально невероятно велика. Однако необходимо отметить, что существует несколько проблем практического характера, препятствующих ее применению. Во-первых, объект-оригинал уничтожается в ходе телепортации, а потому нельзя создать много точных копий телепортируемого объекта. Возможно создание только одной копии. Во-вторых, телепортировать объект быстрее света нельзя. Теория относительности действует даже для квантовой телепортации. (Чтобы телепортировать объект А в объект С, для их соединения все же необходим объект-посредник В, а его скорость меньше скорости света.) В-третьих, возможно, наиболее важным ограничением для квантовой телепортации выступает тот же фактор, который служит препятствием для создания квантовых компьютеров: рассматриваемые объекты должны быть когерентны. Любое соприкосновение с окружающей средой прервет процесс телепортации. Но вполне вероятно, что в течение XXI века удастся телепортировать первый вирус. При телепортации человеческого существа мы можем столкнуться с другими проблемами. Браунштайн замечает: «На данный момент ключевым является исключительно количество вовлеченной информации. Даже если мы будем использовать самые лучшие каналы связи, какие только можем себе представить, для передачи всей этой информации нам понадобится время, сравнимое с возрастом нашей Вселенной». Волновая функция Вселенной Но, возможно, полное осознание квантовой теории произойдет, если мы применим квантовую механику не к отдельному фотону, а к целой Вселенной. Стивен Хокинг даже пошутил, что каждый раз, как он слышит о проблеме кота, он тянется за ружьем. Он предложил свое решение проблемы — существование волновой функции Вселенной. Если вся Вселенная является частью волновой функции, то отпадает надобность в существовании наблюдателя (который должен находиться за пределами Вселенной). В квантовой теории каждая частица связана с волной. Эта волна, в свою очередь, дает информацию о вероятности обнаружения частицы в любой точке. Однако, когда Вселенная была еще очень молода, она была меньше субатомной частицы. Тогда, возможно у самой Вселенной тоже есть волновая функция. Поскольку электрон может существовать во многих состояниях одновременно и поскольку Вселенная была по размерам меньше электрона, то, возможно, Вселенная также существовала одновременно во многих состояниях, что и описывала сверхволновая функция. Это вариация теории многих миров: не нужно вводить космического наблюдателя, который может мгновенно охватить взглядом всю Вселенную. Но волновая функция Хокинга значительно отличается от волновой функции Шрёдингера. В волновой функции Шрёдингера в каждой точке пространства-времени существует волновая функция. Вместо \(/-функции Шрёдингера, которая описывает все возможные состояния электрона, Хокинг вводит такую у-функ-цию, которая представляет все возможные состояния Вселенной. В обычной квантовой механике электрон существует в обычном пространстве. Однако в волновой функции Вселенной эта волновая функция существует в «сверхпространстве», пространстве всех возможных вселенных, введенном Уилером. Эта главная волновая функция (родительница всех волновых функций) подчиняется не уравнению Шрёдингера (которое работает только для одиночных электронов), а уравнению Уилера — де Витта, которое применимо для всех возможных вселенных. В начале 1990-х годов Хокинг написал, что он смог частично разрешить волновую функцию Вселенной и показать, что наиболее вероятной вселенной была та, где космологическая константа стремилась к нулю. Эта работа вызвала некоторые споры, поскольку она опиралась на суммирование всех возможных вселенных. Хокинг представил эту сумму, включив в нее червоточины-порталы, соединяющие нашу Вселенную со всеми возможными вселенными. (Представьте себе бесконечный океан мыльных пузырей, парящих в воздухе и соединенных тонкими нитями или порталами-червоточинами, а потом сложите их все вместе.) В конечном счете возникли сомнения по поводу претенциозного метода Хокинга. Было замечено, что сумма всех возможных вселенных математически недостоверна, во всяком случае до тех пор, пока у нас нет «теории всего», которой мы могли бы руководствоваться. Критики считают, что до тех пор, пока не создана теория всего, нельзя полагаться ни на какие вычисления, касающиеся машин времени, червоточин-порталов, момента Большого Взрыва и волновых функций Вселенной. Однако сегодня множество физиков верит в то, что мы наконец нашли теорию всего, хотя она еще не обрела своей конечной формы: это теория суперструн, или М-теория. Даст ли она нам возможность «узреть замысел Господень», как считал Эйнштейн? |