Глава 7. Самый потрясающий эксперимент

К сожалению, термин «квантовая теория» стал общим местом. С ее помощью пытаются доказывать самую разную чепуху, например популярную в нынешние времена теорию нью-эйдж. Весьма сомневаюсь, что авторы многочисленных книг, не стесняющиеся выдвигать бредовые гипотезы о путешествиях во времени или о контроле сознания, вообще понимают физику и могут объяснить хотя бы азы квантовой теории. Тем не менее на нее постоянно ссылаются как на «доказательство» подобных спекуляций. Замечательным примером такого наукообразного творчества является фильм «Сила мысли: что мы об этом знаем?». Он вышел в 2004 году и был довольно популярен. Фильм начинается с заявления о том, что квантовая теория произвела настоящую революцию в нашем мышлении, с чем я могу согласиться. Но сразу после этого, не вдаваясь в детали и ничего не уточняя, авторы говорят, что, по данным квантовой теории, люди якобы могут путешествовать в прошлое или «выбирать любую желаемую реальность».

Ничего такого квантовая теория не утверждает. Она работает с вероятностями и описывает, в каких местах могут появляться частицы, какие действия эти частицы могут совершать с той или иной вероятностью. Как будет показано ниже, кванты света и частицы материи действительно изменяют поведение в зависимости от того, ведется ли за ними наблюдение. При этом измеряемые частицы на самом деле удивительным образом влияют на «прошлое» поведение других частиц. Но все это ни в коем случае не означает, что люди могут путешествовать в прошлое и изменять историю.

Учитывая, в каком широком смысле и как часто сейчас употребляется термин «квантовая теория», а также претензии биоцентризма на радикальное изменение всей естественно-научной парадигмы, скептики могут недоуменно спросить: «Что, и вы тоже доказываете все это при помощи квантовой теории?» Поэтому очень важно, чтобы мои читатели имели четкое представление о важнейших экспериментах квантовой теории, понимали их реальные результаты, а не продолжали ассоциировать ее с какими-то абсурдными заявлениями. Эта глава – для самых нетерпеливых. В ней вы найдете описание новейшей версии одного из самых знаменитых и захватывающих опытов в истории физики.

Речь пойдет о поразительном эксперименте с двумя щелями, который не только изменил наше представление о Вселенной, но и хорошо согласуется с концепцией биоцентризма. Эксперимент с двумя щелями многократно проводился на протяжении последних десятилетий в различных вариантах. Ниже представлен вариант, описание которого было опубликовано в журнале Physical Review A, № 65 (0 33818) за 2002 год. Но подчеркиваю, что это лишь один из многих вариантов данного эксперимента, который многократно ставился на протяжении примерно 45 лет.

История этого опыта восходит к самому началу XX века, когда физики силились ответить на очень старый вопрос о составе света: свет состоит из мельчайших частиц, которые называются фотонами, либо свет – это разновидность энергетических волн? Исаак Ньютон считал, что свет – это поток частиц. К концу XIX века более убедительной казалась версия о волновой природе света. В те годы некоторые физики прозорливо и верно полагали, что даже твердые объекты могут проявлять волновые свойства.

Чтобы ответить на этот вопрос, мы используем источник света или источник частиц. В классическом эксперименте с двумя щелями в качестве таких частиц используются электроны, поскольку они очень маленькие, простейшие (неразделимые на более мелкие составляющие) и легко образуют луч, который можно направить на удаленную цель. Например, в самом обычном телевизоре электронные лучи направляются на экран.

Мы начинаем опыт, направляя свет на экран-детектор. Но сначала свет должен пройти через первый барьер, в котором находятся две щели. Мы можем пропустить через этот барьер либо поток света, либо всего один неделимый фотон – результат будет одинаковым. Любой квант света с вероятностью 50:50 может пройти либо через правую, либо через левую щель.

Через какое-то время эти фотоны, летящие как крошечные снаряды, должны образовать характерный узор. Большая их часть будет попадать в середину экрана, а меньшинство – по краям, поскольку лучи света, как правило, прямолинейны. По законам вероятности мы должны увидеть примерно такой кластер попаданий.

Построим график на основе этого распределения (количество попаданий откладывается по оси ординат, положение точек на экране-детекторе – по оси абсцисс). Неудивительно, что основная масса частиц оказывается в центральной части, а по краям наблюдается гораздо меньше попаданий. Получается следующая кривая.

Но это не тот результат, который мы фактически получаем. При выполнении подобных экспериментов – а за прошлый век их ставили тысячи раз – мы обнаруживаем, что кванты света образуют весьма любопытный рисунок.

Вот какой график у нас получается.

Теоретически те небольшие экстремумы, которые располагаются по бокам от главного, должны быть симметричны. Но на практике мы имеем дело с отдельными квантами света и вероятностями, поэтому обычно результат немного отличается от идеального. В любом случае главный вопрос сохраняется: почему узор именно таков?

Оказывается, именно таким он и должен быть, если свет состоит из волн, а не из частиц. Волны сталкиваются, и между ними возникает интерференция, а значит, и рябь. Если вы одновременно бросите в пруд два камешка, то волны от камешков столкнутся друг с другом. В результате где-то на водной глади волны будут меньше, чем ожидалось, а где-то возникнут довольно сильные всплески. Волны могут усиливать друг друга либо разглаживаться, если сталкиваются гребни встречных волн.

Итак, уже в начале XX века был зафиксирован такой рисунок. Поскольку он может образоваться только в результате взаимодействия волн, физики убедились, что свет – это волна либо по крайней мере проявляет волновые свойства в ходе такого эксперимента. Самое интересное заключалось в том, что ровно такой же результат получался и при использовании «твердых тел» – например, если луч состоял из электронов. Оказывается, и твердые частицы могут проявлять волновые свойства! Итак, с самого начала эксперимент с двумя щелями стал демонстрировать интереснейшие и неожиданные факты о реальности.

К сожалению или к счастью, это была всего лишь затравка. Лишь немногие догадывались, что все самое интересное еще впереди.

Новая странность была обнаружена, когда через прибор стали пропускать всего один фотон или электрон в момент времени. Частица успевала пройти достаточно длинный путь, ее регистрировали как частицу, и уже после этого возникал интерференционный рисунок. Как же это могло быть? С чем интерферировал этот единственный фотон или электрон? Как можно получить интерференционный рисунок, если в эксперименте задействована всего одна неделимая частица?

Единственный фотон попадает в детектор.

Второй фотон попадает в детектор.

Третий фотон попадает в детектор.

Каким-то образом эти отдельные фотоны добавляются к общему интерференционному паттерну!

До сих пор не найдено полностью удовлетворительное объяснение этого феномена. Физики продолжают предлагать все новые экстравагантные идеи. Могла ли такая интерференция возникать под действием других электронов или фотонов, существующих в «параллельных Вселенных», где другой экспериментатор ставит точно такой опыт? Могли ли «их» электроны интерферировать с нашими? Эти версии кажутся слишком натянутыми, в них почти никто не верит.

Как правило, интерференционный рисунок объясняется следующим образом: возможно, когда частица оказывается перед барьером с двумя щелями, у нее появляется «выбор», в каком виде преодолеть этот барьер – как частице или как волне. До тех пор, пока не произойдет акт наблюдения, частицы не существуют как реальные сущности в конкретных местах. Акт наблюдения имеет место при попадании частицы на последний барьер-детектор.

Таким образом, в тот момент, когда частица достигает барьера с двумя щелями, она проявляет вероятностную свободу и может пройти через барьер сразу в двух ипостасях. Хотя сами по себе фотоны и электроны являются неделимыми частицами и ни при каких условиях не расщепляются, в виде вероятностных волн они проявляют совсем иные свойства.

Таким образом, через наблюдаемую нами щель проходят не физические частицы, а лишь вероятности. Вероятностные волны отдельного фотона интерферируют друг с другом! Когда через щель проникнет достаточно много таких волн, мы видим характерный узор, в котором вероятности сливаются в физические сущности, которые оказывают физическое воздействие и доступны для наблюдения – в форме волн.

Да, все это звучит невероятно, но, судя по всему, именно так все происходит в реальности. Здесь описан только первый пример квантовой странности.

Как было указано в предыдущей главе, в квантовой теории действует принцип дополнительности. В соответствии с этим принципом объект может наблюдаться либо в одной ипостаси, либо в другой, но не в двух сразу. Соответственно, он может иметь одно из двух положений и один из двух наборов свойств. Конкретное проявление объекта зависит от того, подвергается ли он наблюдению и какое оборудование при этом используется.

Теперь предположим, что мы хотим узнать, через какую именно щель фотон проскальзывает на пути к экрану-детектору. Это закономерный вопрос, и ответить на него не так уж сложно. Можно воспользоваться поляризованным светом (так называется свет, волны которого вибрируют только в горизонтальном либо только в вертикальном направлении или медленно вращаются). Когда применяется такая смесь волн, мы получаем такой же результат, как и при первом опыте.

Но теперь давайте попытаемся определить, через какую именно щель пролетает конкретный фотон. Для этого использовались разные варианты эксперимента, здесь мы рассмотрим опыт, в котором перед каждой из щелей устанавливается четвертьволновая пластинка (QWP). Каждая такая пластинка изменяет поляризацию света специфическим образом. Детектор позволяет узнать полярность входящего фотона. Итак, зафиксировав его полярность, мы определим, через какую из щелей он прошел.

Теперь повторим этот эксперимент – будем пропускать фотоны через щели по одному. В данном случае мы уже знаем, через какую именно щель прошел фотон.

Но результаты эксперимента радикально меняются. Даже несмотря на то, что четвертьволновые пластинки никак не воздействуют на сами фотоны, а просто меняют полярность света (ниже мы докажем, что изменение результатов эксперимента никак не зависит от четвертьволновых пластинок), мы уже не наблюдаем интерференционного рисунка. Кривая на графике неожиданно изменяется и становится в точности такой, как если бы фотоны были частицами, а не волнами.

Что-то произошло. Оказывается, сам акт измерения и определение траектории каждого фотона исключает «вероятностную свободу» частицы, не позволяет ей пребывать в зыбком неопределенном состоянии и идти к барьеру сразу по двум путям. Коллапс волновой функции частицы должен был произойти в измерительном устройстве, то есть на четвертьволновой пластинке, так как фотон вдруг «решил» стать частицей и проскочить либо через одну щель, либо через другую. Фотон перестал проявлять волновые свойства, как только вышел из зыбкого вероятностного не вполне реального состояния. Но почему фотон все-таки «пошел на коллапс» волновой функции? Как он узнал, что человек-наблюдатель сможет определить, через какую из щелей проскочит эта частица?

Величайшие умы прошлого века безуспешно пытались объяснить этот парадокс. Одно лишь наше знание о траектории фотона или электрона приводит к тому, что частица становится конкретной сущностью, а не суммой вероятностей. Разумеется, физики проверили, не может ли это странное поведение объясняться какими-то взаимодействиями между самим фотоном и детектором траекторий, оснащенным четвертьволновыми пластинками (либо другими подобными устройствами). Оказалось, дело не в этом. Для опытов конструировались самые разные приборы, которые со всей определенностью никак не воздействовали на фотон. Тем не менее интерференционный рисунок исчезал. Итоговое заключение, к которому ученые пришли через много лет, формулируется так: просто невозможно одновременно узнать и траекторию частицы, и интерференционный рисунок, создаваемый энергетическими волнами.

Мы возвращаемся к принципу дополнительности, важнейшему аспекту квантовой теории. Он заключается в том, что при каждом эксперименте можно узнать/измерить лишь одну пару характеристик, но не две сразу. Когда вы полностью знаете свойства частицы в одной ипостаси, то ничего не будете знать о другой. Если же вы все еще в чем-то подозреваете четвертьволновые пластинки, развею все ваши сомнения. При использовании таких пластинок в любых других условиях, даже в эксперименте с двумя щелями, но без применения поляризующих барьеров (позволяющих судить о природе частицы), сам акт поляризации фотона никак не сказывается на интерференционном рисунке.

Хорошо, давайте проведем другой эксперимент. Как было показано в предыдущей главе, существуют запутанные частицы (мельчайшие фрагменты материи) или кванты света, которые появляются одновременно и в полном соответствии с законами квантовой физики имеют общую волновую функцию. Они могут разлететься в разные стороны – даже оказаться в противоположных краях галактики, – но не утратят этой связи, «знания» друг о друге. Если мы проведем с одной из таких частиц какие-либо манипуляции, в результате которых она потеряет универсальную вероятностную природу и должна будет немедленно получить конкретное воплощение (например, в результате вертикальной поляризации), то частица-близнец также материализуется в тот самый момент – но уже с поляризацией по горизонтали. Если одна из частиц проявит себя как электрон с восходящим спином, то ее близнец также окажется электроном, но с нисходящим спином. Они навечно связаны в соответствии с принципом дополнительности.

Итак, воспользуемся прибором, который выстреливает частицы-близнецы в разных направлениях. В таких экспериментах запутанные фотоны-близнецы создаются путем пропускания света через кристаллы особого вещества, называемого «бета-борат бария» (BBO). В этом кристалле высокоэнергетический фотон фиолетового света, полученный из лазера, преобразуется в два красных фотона, каждый из которых обладает вполовину меньшей энергией, чем исходная частица. Соответственно, не происходит никаких чистых потерь или накопления энергии. На выходе получается два запутанных фотона, которые разлетаются в разных направлениях. Обозначим эти направления P и S.

В исходном варианте нашего эксперимента не учитывалась информация о том, какой путь изберет фотон. Теперь мы вносим в эксперимент всего одно изменение – добавляем счетчик совпадений. Он нужен для того, чтобы полярность фотона на детекторе S осталась для нас неизвестной, пока его близнец не попадет в детектор P. Один из близнецов проходит через щели (назовем этот фотон s), а второй просто летит ко второму детектору. Лишь когда оба детектора синхронно регистрируют попадание фотона, мы узнаем, что оба фотона-близнеца завершили свой путь. Только этот факт фиксируется нашим оборудованием. В результате получаем на детекторе S уже знакомый нам интерференционный паттерн.

Это логично. В данном эксперименте мы не узнаем, через какую именно щель проскальзывает конкретный фотон или электрон, поэтому объекты остаются вероятностными волнами.

Далее начинается самое интересное. Во-первых, мы переустановим четвертьволновые пластинки таким образом, чтобы можно было получить информацию о траектории фотонов, отправившихся по пути S.

Как и ожидалось, интерференционный рисунок исчезает, сменяется одиночной кривой – то есть мы получаем график, соответствующий отдельной частице.

Пока все понятно. Но теперь давайте устраним возможность определения пути фотона s, при этом никак не затрагивая сам фотон. Для этого мы можем поставить поляризующее стекло на пути второго фотона, P. Пластинка не позволит регистрировать совпадения на втором детекторе. Она будет измерять пути лишь некоторых фотонов и фактически деполяризует двойные сигналы. Поскольку счетчик совпадений в данном опыте исключительно важен для получения информации о завершении путей частиц-близнецов, а мы вывели его из строя, весь аппарат стал бесполезен. Теперь мы не можем с его помощью определять, в какую из щелей проскальзывают отдельные фотоны, летящие по пути S, так как не можем сравнивать их с фотонами-близнецами. Мы могли бы зарегистрировать их только при помощи счетчика совпадений, а он уже не работает. Кроме того, еще одно важное уточнение: мы не трогали четвертьволновую пластинку фотона P. Мы всего лишь повлияли на него таким образом, что сознательно лишили себя возможности пользоваться счетчиком совпадений и получать информацию о траектории. Между прочим, новая конструкция все-таки предоставляет нам данные. Прибор регистрирует «попадания», только когда полярность измеряется на детекторе S. При этом счетчик совпадений сообщает, что на детекторе P для фотона-близнеца синхронно была отмечена такая же либо иная полярность. Вот результат.

Снова видим волны. Восстановился интерференционный рисунок. Те физические точки на заднем экране, куда попадают фотоны и электроны, летящие по траектории S, теперь изменились. Но ведь мы ничего не делали с траекториями этих фотонов с момента их вылета из поляризующего кристалла и до попадания в детектор. Мы даже оставили на месте их четвертьволновую пластинку. Мы всего лишь изменили условия наблюдения для фотона-близнеца, находившегося очень далеко, изменили таким образом, что потеряли возможность получения части информации о его пути. Все изменения произошли только в нашем сознании. Как фотоны s могли «узнать», что где-то очень далеко от их траекторий мы поставим еще одно поляризующее стекло? Но в соответствии с квантовой теорией мы получили бы именно такой результат, даже если бы установили «помеху для информации» на другом конце Вселенной.

Кстати, попутно мы убеждаемся, что четвертьволновые пластинки никак не влияют на превращение частиц в волны и на изменение рисунка точек попаданий на экране детектора. Ведь в последнем случае мы получили интерференционный рисунок, даже хотя четвертьволновые пластинки оставались на месте. Судя по всему, дело только в наших знаниях об изменении конфигурации оборудования. Этих знаний достаточно, чтобы повлиять на поведение элементарных частиц.

Да, все это удивительно. Но эксперимент неизменно дает именно такие результаты, сколько бы раз его ни повторяли. По-видимому, именно наблюдатель изменяет физические характеристики «внешних» объектов.

Заканчиваются ли на этом странности? Подождите, мы можем поставить еще более поразительный опыт. Эксперимент, описанный ниже, был впервые проведен только в 2002 году. В ходе него исследователи стирали информацию о траектории, вмешиваясь в полет фотона p, и лишь затем измеряли показатели его фотона-близнеца s. Возможно, между фотонами p и s происходит какой-то обмен информацией. Фотон p предупреждает фотон s о том, что мы можем узнать, и дает собрату карт-бланш на превращение в частицу или волну. От этого и зависит наличие или отсутствие интерференционного рисунка. Возможно, когда фотон p встречает на пути поляризующее стекло, он отправляет фотону s мгновенное сообщение с бесконечной скоростью. Фотон-адресат мгновенно узнает, что должен материализоваться в виде реальной сущности, то есть элементарной частицы, так как только частица может проскользнуть через одну или через другую щель, но не через обе щели сразу. Поэтому и не наблюдается интерференционный рисунок.

Чтобы проверить, верны ли такие предположения, мы сделаем еще одну вещь. Сначала мы увеличим дистанцию, которую должен преодолеть фотон p до попадания в детектор. Соответственно, у фотона p будет уходить больше времени на преодоление пути. Следовательно, фотоны, идущие по пути S, будут попадать в свой детектор раньше. Но, как ни странно, результаты опыта не изменятся! Когда мы установим четвертьволновые пластинки на пути S, периферийная часть графика исчезнет. Когда же мы установим на пути P деполяризующие окошки и, таким образом, не сможем более измерять совпадения и определять, куда летят s-фотоны, на графике вновь появятся периферийные области. Но как это возможно? Ведь фотоны, двигавшиеся по пути S, уже достигли своей цели. Каждый фотон прошел либо через одну из щелей как частица, либо через две щели сразу как волна. Либо у фотона произошел коллапс волновой функции и он стал частицей, либо этого не произошло. Игра окончена, действие свершилось. Фотоны s уже достигли последнего барьера и были отмечены в детекторе до того, как их фотоны-близнецы p попали в деполяризующее устройство, а мы в результате этого попадания не смогли получать информацию о курсе фотона.

Каким-то образом фотоны «узнавали», сможем ли мы в будущем получать информацию об их траектории. Они «решали» не коллапсировать и не становиться частицами еще до того, как их далекие близнецы попадали в наш деполяризатор. Если мы уберем P-деполяризатор, то фотоны s вдруг снова станут частицами, опять же до того, как фотоны p будут достигать своего детектора и им активировать соответствующий счетчик совпадений. Каким-то образом фотон s узнает, будет ли стираться маркер траектории, хотя ни сам этот фотон, ни его близнец к тому моменту еще не достигли стирающего механизма. Фотон знает, когда он может проявлять интерференционное поведение, когда может запросто оставаться в зыбком квазиреальном состоянии и проскальзывать через обе щели, поскольку ему, по-видимому, известно, что летящий далеко-далеко фотон p в конце концов попадет в деполяризатор, что не позволит нам узнать, по какому пути пошел p.

Не имеет значения, как именно мы построим эксперимент. Наш разум, а также наличие или отсутствие в нем определенных знаний – вот единственный фактор, определяющий, как себя поведут эти кванты света или частицы материи.

Все вышеизложенные факты заставляют задуматься о природе пространства и времени. Насколько реалистичны предположения о том, что фотоны-близнецы манипулируют информацией до ее появления, а также без малейших затрат времени на любых расстояниях, как если бы пространства между ними не существовало?

Все новые и новые наблюдения убедительно подтверждают, что квантовые эффекты зависят от наблюдателя. В прошлом десятилетии американские физики из Национального института стандартов и технологий выполнили эксперимент, суть которого на квантовом уровне можно сравнить с таким гипотетическим явлением в макромире: на огне стоит котел с кипящей водой, но как только мы посмотрим на сосуд – кипение прекращается. «По всей видимости, – говорит Питер Ковеней, исследователь из этого института, – сам акт наблюдения за атомом не позволяет ему меняться». Теоретически, если бы мы достаточно пристально смотрели на атомную бомбу, она бы не взорвалась. На практике для этого потребовалось бы проверять ее атомы раз в миллионнотриллионную долю секунды. Здесь мы затрагиваем еще один эксперимент, подтверждающий теорию о том, что структура физического мира, и в частности мельчайших частиц материи и квантов энергии, подвергается воздействию наблюдателя.

За пару последних десятилетий ученые-теоретики, специализирующиеся на квантовой физике, показали, что, в принципе, атом не может изменять свое энергетическое состояние, если находится под наблюдением. Для проверки этого утверждения группа специалистов по экспериментам с применением лазера, работающих в Национальном институте стандартов и технологий, удерживала кластер положительно заряженных ионов бериллия («вода») при помощи магнитного поля («чайника»). Ученые «кипятили» «чайник», воздействуя на него радиочастотным полем, которое переводило атомы из низкоэнергетического в высокоэнергетическое состояние. Как правило, на такой переход требуется около четверти секунды. Однако, когда ученые проверяли состояние атомов раз в четыре миллисекунды, воздействуя на каждый атом крошеным лазерным импульсом, атомы так и не переходили в высокоэнергетическое состояние, несмотря на то что внешняя сила подталкивала их к нему. Можно было предположить, что акт измерения «тревожит» атом, сталкивая его обратно в низкоэнергетическое состояние, фактически сбрасывая систему на ноль. Такое поведение не имеет аналога в повседневном чувственно воспринимаемом мире и, по всей видимости, связано с актом наблюдения.

Загадочно? Странно? Сложно поверить, что такие эффекты действительно имеют место в реальности. Результаты просто фантастические. Когда в начале прошлого века квантовая физика только зарождалась, даже некоторые физики считали некоторые результаты ее экспериментов невозможными или невероятными. Интересно отметить, как о таких экспериментах отзывался Альберт Эйнштейн: «Я знаю, что эта область совершенно лишена противоречий, но, на мой взгляд, в ней есть некоторая непостижимость».

Потребовалось дождаться, чтобы квантовая физика состоялась как наука, а объективная реальность вновь показалась не такой очевидной, чтобы ученые вновь задались древним вопросом: может ли мир представлять собой определенное воплощение разума? Однажды Эйнштейн возвращался из Института перспективных исследований в Принстоне к себе домой на Мерсер-стрит в компании Абрахама Пайса. Он спросил Пайса, верит ли тот, что Луна на небе существует, лишь пока на нее кто-то смотрит. Этим вопросом Эйнштейн подчеркнул свой бесконечный интерес к объективной окружающей реальности, а также скептическое отношение к ней. С тех пор физики анализировали и пересматривали свои уравнения, тщетно пытаясь сформулировать естественные законы, которые никоим образом не зависят от обстоятельств, связанных с наблюдателем. Действительно, Юджин Вигнер, один из величайших физиков XX века, утверждал, что «невозможно сформулировать законы [физики] совершенно непротиворечивым образом, не учитывая сознания [наблюдателя]». Итак, квантовая теория подразумевает, что сознание есть неотъемлемая часть реальности, она тем самым негласно признает, что реальность – это в конечном счете содержимое нашего разума. Сам по себе акт наблюдения придает реальности форму и очертания. Это касается всех ее проявлений – от одуванчика на лугу до ветра, солнца и дождя.

Отсюда следует четвертый принцип биоцентризма.

Первый принцип биоцентризма: восприятие реальности – это процесс, в котором непосредственно участвует наше сознание.

Второй принцип биоцентризма: наши внешние и внутренние ощущения неразрывно связаны. Они не могут быть разделены, как две стороны одной медали.

Третий принцип биоцентризма: поведение элементарных частиц – на самом деле любых частиц и объектов – неразрывно связано с наличием наблюдателя. При отсутствии сознающего наблюдателя все элементы реальности в лучшем случае существуют в неопределенном состоянии и представляют собой вероятностные волны.