Глава 1
Непостоянная материя
Немногие части галактики так же холодны, как пространство внутри холодильной установки в лаборатории Тома Розенбаума. Температура в установке – круглом аппарате размером с комнату, оснащенном цилиндрами, – может опускаться до отметки лишь на несколько тысячных градуса выше абсолютного нуля. Это почти -459 градусов по Фаренгейту – в три тысячи раз холоднее, чем в самых отдаленных глубинах космоса. В течение двух дней жидкий азот и гелий циркулируют в холодильной установке, а затем три помпы, постоянно выдувающие газообразный гелий, опускают температуру до возможного предела. В отсутствие какого бы то ни было тепла атомы материи замедляют свое движение. При такой низкой температуре Вселенная бы остановилась. Такая установка – искусственный вариант ледяного ада.
Абсолютный нуль – наиболее «предпочтительная» температура для таких физиков, как Том Розенбаум. В свои 47 лет, будучи выдающимся профессором физики в Чикагском университете, а в прошлом главой института Джеймса Франка, Розенбаум входил в группу ведущих специалистов, занимавшихся исследованием пределов неупорядоченности в физике конденсированного состояния вещества – науке о внутренних процессах в жидкостях и твердых веществах, возникающих при нарушении их структуры . В физике, если вы хотите узнать, как нечто себя ведет, проще всего поместить это нечто в неподходящие условия и посмотреть, что из этого получится. Нарушение структуры обычно достигается с помощью нагревания или воздействия магнитным полем, что позволяет увидеть, как интересующая нас субстанция будет реагировать, а также определить, какое направление вращения, или магнитной ориентации, выберут атомы.
Большинство коллег Розенбаума в сфере физики конденсированного состояния вещества занимаются симметричными системами, такими как кристаллические твердые вещества. Атомы таких веществ расположены в определенном порядке, как яйца в коробке. Но Розенбаума интересовали странные системы, изначально неупорядоченные – о них квантовые физики более традиционных взглядов презрительно отзывались как о «грязи». Розенбаум был убежден, что в «грязи» сокрыты тайны квантовой вселенной, неисследованной территории, по которой он увлеченно прокладывал курс. Ему нравилось раскрывать секреты спинового стекла – странных гибридов кристаллов, обладающих магнитными свойствами и технически относящихся к медленно движущимся жидкостям. В отличие от кристалла, чьи атомы движутся в одном направлении, атомы спинового стекла непредсказуемы и застывают в беспорядке.
Использование крайне низких температур позволило Розенбауму настолько замедлить атомы этих странных субстанций, что стало возможным детальное наблюдение и выявление их квантово-механической сущности. При температуре, близкой к абсолютному нулю, когда атомы практически неподвижны, вещества начинают приобретать новые общие свойства. Розенбаум пришел в восторг от недавнего открытия, что неупорядоченные при комнатной температуре системы демонстрируют постоянство, подвергшись охлаждению. Разрозненные атомы неожиданно начинают действовать согласованно.
Исследования группового взаимодействия молекул в различных обстоятельствах позволяют многое узнать о внутренней природе материи. Лаборатория Розенбаума показалась мне самым подходящим местом для начала моего собственного путешествия к открытиям. Там, при самых низких температурах, где все происходит в замедленном темпе, может открыться истинная природа базовых составляющих вселенной. Меня интересовало, как компоненты нашей физической вселенной, которые мы считаем абсолютно стабильными, могут подвергаться фундаментальным изменениям. Я также хотела узнать, возможно ли показать, что квантовые явления, такие как эффект наблюдателя, имеют место за пределами субатомного мира, в мире повседневном. Открытия Розенбаума, сделанные им с помощью холодильной установки, могли многое прояснить в отношении того, как всякий объект или организм в физическом мире, который считается в классической физике неизменным и окончательным, подверженным только воздействиям грубых ньютоновских сил, может быть изменен энергией мысли.
Согласно второму закону термодинамики, все физические процессы во вселенной происходят лишь по пути убывания энергии. Мы бросаем камень в воду, и круги, вызванные им на поверхности, постепенно исчезают.
Чашка горячего кофе, оставленная на столе, постепенно остывает. Все неумолимо распадается, все движется в единственном направлении – от упорядоченности к неупорядоченности.
Но Розенбаум полагал, что этот процесс может быть обратимым. Последние открытия, касающиеся неупорядоченных систем, свидетельствуют о том, что определенные материалы при особых обстоятельствах могут не подчиняться законам энтропии и воссоединяться вместо того, чтобы распадаться. Возможно ли движение материи в противоположном направлении – от неупорядоченности к упорядоченности?
На протяжении 10 лет Розенбаум и его студенты из Института Джеймса Франка пытались ответить на этот вопрос с помощью кусочка фтористо-гольмиево-литиевой соли. Внутри холодильной установки Розенбаума лежал розовый кристалл, завернутый в два слоя меди. По размеру он не превышал и кончика карандаша. За много лет работы со спиновым стеклом Розенбаум очень увлекся этими блестящими маленькими структурами, являющимися одними из наиболее мощных магнитов на Земле. Эта характеристика давала отличную возможность для изучения неупорядоченности. Но сначала нужно было изменить до неузнаваемости сам кристалл, превратив его в неупорядоченное вещество.
Розенбаум распорядился, чтобы в лаборатории, где выращивались кристаллы, соединили гольмий, фтор и литий, первый металл в Периодической таблице. Получившаяся фтористо-гольмиево-литиевая соль была податливой и предсказуемой – высоко упорядоченная структура, чьи атомы вели себя подобно морю микроскопических компасов, показывающих на Север. И тогда Розенбаум при содействии своих сотрудников вывернул структуру соли наизнанку: он извлекал один за другим атомы гольмия и заменял их иттрием – серебристым металлом, не обладающим магнитными свойствами – пока в итоге не получился странный гибрид первоначальной структуры соли под названием литиево-гольмиево-иттриевый тетрафторид.
Убрав все магнитные свойства из этой структуры, Розенбаум породил «спиновую анархию» – атомы этого «Франкенштейна» были ориентированы во всех существующих направлениях. Возможность манипулировать основными свойствами элементов, подобных гольмию, с такой легкостью, порождая странные новые структуры, имела привкус безграничной власти над самой материей. Вооруженный новыми спиновыми стеклами, Розенбаум мог изменять свойства вещества по своему желанию: заставить атомы принять одно направление или заморозить их в каком-либо случайном расположении.
Тем не менее его всемогущество имело пределы. Гольмиевые смеси Розенбаума упрямо вели себя по-своему в некоторых отношениях. Он никак не мог заставить их подчиняться законам температуры. Вне зависимости от того, насколько низкой была температура в холодильной установке, атомы противостояли всякой упорядоченности, словно отряд солдат, отказывающихся маршировать в ногу. Если Розенбаум был «Богом» своих спиновых стекол, то кристалл был «Адамом», упрямо не желавшим подчиняться его наиглавнейшему закону.
Интерес Розенбаума к странным свойствам кристаллического вещества разделяла и Саянтани Гош, одна из его многообещающих аспиранток. Сай, как ее зовут друзья, родилась в Индии и, окончив Кембридж с отличием, в 1999 году выбрала для аспирантуры лабораторию Тома. Практически сразу она отличилась тем, что получила награду Грегора Вентцеля, которую Чикагский университет присуждает лучшему аспиранту первого года, ведущему занятия. Худенькая 23-летняя девушка, производившая поначалу впечатление скромницы, словно прятавшей лицо за копной черных волос, вскоре поразила как ровесников, так и преподавателей своей энергичностью и самоуверенностью, столь редко встречающейся среди студентов-естественников, а также способностью переводить сложные идеи на уровень, доступный любому студенту. Сай стала второй женщиной, удостоившейся заветной награды Вентцеля за все 25 лет ее существования.
Согласно законам классической физики, применение магнитного поля должно разрушать магнитную согласованность атомов вещества. Степень повреждений структуры называется «магнитной восприимчивостью». Обычно неупорядоченные вещества реагируют на магнитное поле, а затем успокаиваются, когда температура падает или магнитное поле достигает точки магнитной насыщенности. Атомы больше не могут двигаться в том же направлении, что и магнитное поле, и поэтому начинают замедляться.
В первых экспериментах Сай атомы фтористо-гольмиево-литиевой соли начинали «сходить с ума» при воздействии на них магнитного поля. Но затем, когда Сай увеличивала мощность поля, начинало происходить что-то странное. Чем больше она увеличивала частоту, тем быстрее сновали атомы. Более того, все атомы, находившиеся в состоянии неупорядоченности, ориентировались в одном направлении и действовали как единое целое. Затем небольшие группы, примерно из 260 атомов, выстраивались в линию и образовывали осцилляторы , вместе поворачиваясь в ту или иную сторону. Вне зависимости от того, насколько интенсивным было магнитное поле, применяемое Сай, атомы упрямо оставались соединенными друг с другом, действуя вместе. Такая самоорганизация сохранялась 10 секунд.
Сначала Сай и Розенбаум думали, что подобное явление может быть связано со странными эффектами сохранившихся атомов гольмия. Это один из немногих известных элементов, обладающих настолько «долгоживущими» внутренними силами, что в некоторых источниках они были описаны как нечто существующее в ином измерении, что получило и математическое выражение . Хотя ученые и не понимали данный феномен, они все же опубликовали свои результаты в журнале «Наука» в 2002 году .
Розенбаум решил провести другой эксперимент и попытаться выявить свойство кристалла, позволяющее ему выдерживать настолько сильные внешние воздействия. Он поручил разработку исследования своей молодой талантливой аспирантке, посоветовав ей создать компьютерную трехмерную модель эксперимента, который она намеревалась провести. В исследованиях такого рода физикам приходится полагаться на компьютерные модели для математического подтверждения реакций, которые они наблюдают.
Сай на протяжении нескольких месяцев разрабатывала компьютерный код и создавала свою модель. Она намеревалась выяснить как можно больше о магнитных свойствах соли с помощью воздействия на нее как высокими температурами, так и сильным магнитным полем.
Она подготовила препарат, поместив его на небольшую, 2,5 на 5 см, медную подставку, после чего обернула кристалл двумя кольцами: первое было градиометром для измерения магнитной восприимчивости и направления вращения отдельных атомов, а второе было необходимо, чтобы отделить любые случайные потоки, оказывающие внешнее воздействие на атомы.
Подключив это устройство к компьютеру, она смогла регулировать напряжение, магнитное поле или температуру и записывать любые изменения даже при совсем незначительных отклонениях переменных.
Она начала понижать температуру по доле градуса шкалы Кельвина, а после применила сильное магнитное поле. К ее изумлению, атомы продолжали выстраиваться в линию. Тогда она подняла температуру, но атомы снова упорядочились. Что бы она ни делала, атомы каждый раз игнорировали внешнее воздействие. Хотя они с Томом изъяли большую часть магнитных компонентов вещества, оно продолжало становиться все более сильным магнитом.
Сай решила, что это очень странно. Возможно, следовало собрать больше данных, просто чтобы удостовериться, что они не внесли ничего лишнего в систему.
Она повторяла свой эксперимент на протяжении шести месяцев, и весной 2002 года ее компьютерная модель была наконец завершена. Однажды вечером она изобразила результаты компьютерной модели в виде графика, а затем наложила сверху результаты своего реального эксперимента. Они идеально совпали. На экране компьютера была точная копия графика, составленного на основании практических данных. То, что она наблюдала в маленьком кристалле, не было случайным искажением, это было реальностью, которую ей удалось воспроизвести с помощью компьютера. Она даже обозначила места на графике, где должны были располагаться атомы, если бы они подчинялись обычным законам физики. Но атомы выстраивались в линию – так, как им хотелось.
В тот же вечер она написала Розенбауму защищенное паролем сообщение: «Я хочу показать вам кое-что интересное утром». На следующий день они рассмотрели график. Картина была однозначной, они оба это понимали – атомы игнорировали внешние воздействия, подчиняясь вместо этого соседним атомам. Вне зависимости от того, воздействовала ли Сай на кристалл сильным магнитным полем или повышала температуру, атомы преодолевали внешние воздействия.
Единственным объяснением было то, что атомы в таком кристалле были внутренне организованы и вели себя так, как будто они были единым гигантским атомом. Ученые внезапно осознали: все атомы должны быть взаимосвязаны.
Одним из наиболее странных аспектов квантовой физики является феномен нелокальности, которую также образно называют «квантовой запутанностью» или сцепленностью. Датский физик Нильс Бор открыл, что после контакта электронов и протонов эти субатомные частицы навсегда сохраняют «знание» друг о друге и оказывают моментальное взаимное влияние, какое бы расстояние их ни разделяло, несмотря на отсутствие того, что физики считают ответственным за всякое воздействие – взаимообмена силой или энергией. Когда частицы сцеплены, любое состояние одной из них, например магнитная ориентация, всегда будет влиять на состояние другой, вне зависимости от того, насколько далеко они находятся друг от друга. Эрвин Шрёдингер, еще один разработчик квантовой теории, был убежден, что открытие нелокальности является определяющим моментом квантовой теории, ее ключевым свойством и предпосылкой.
Активность сцепленных частиц аналогична поведению близнецов, разделенных при рождении, но навсегда сохраняющих одинаковые интересы и телепатическую связь. Один из близнецов живет в Колорадо, другой – в Лондоне. Хотя они никогда больше не встретятся, оба предпочитают синий цвет, оба работают инженерами, оба любят кататься на лыжах; более того, когда один из них падает и ломает правую ногу на горнолыжном курорте в Колорадо, второй в тот же самый момент также ломает правую ногу, хотя находится на расстоянии шести с половиной тысяч километров и попивает латте в «Старбаксе» . Альберт Эйнштейн отказывался признавать нелокальность, презрительно называя ее Spukhafte Fernwirkungen («жуткое дальнодействие»). Он говорил, что для такой мгновенной связи необходимо, чтобы информация перемещалась быстрее скорости света, следуя известному мысленному эксперименту. Это нарушает положения его собственной теории относительности , так как в теории Эйнштейна скорость света (300 000 километров в секунду) применялась для вычисления абсолютного предельного фактора скорости, с которой один объект может влиять на другой. Объекты не должны быть в состоянии влиять на другие объекты быстрее, чем один объект мог бы достичь другого со скоростью света.
Тем не менее современные физики, такие как Алан Аспект и его коллеги в Париже, убедительно продемонстрировали, что скорость света не является абсолютным внешним пределом субатомного мира. Эксперимент Аспекта по вычленению двух протонов из одного атома показал: измерения одного протона мгновенно воздействовали на позицию другого , так что тот принимал ту же или, как выразился ЭВМ-физик Чарльз Н. Беннет, «противоположную судьбу» – то есть направление вращения или позицию.
Два протона продолжают взаимодействовать друг с другом – что бы ни случилось с одним, с другим происходит то же самое либо абсолютно противоположное. В настоящее время даже самые консервативные физики принимают нелокальность как некое странное свойство субатомной реальности .
Большая часть квантовых экспериментов включает в себя неравенство Белла. Известный в квантовой физике эксперимент был проведен Джоном Беллом, ирландским физиком, разработавшим практический инструментарий для исследования того, как на самом деле ведут себя квантовые частицы . В этом простом тесте необходимо найти две квантовые частицы, которые когда-то контактировали между собой, затем разъединить их и провести измерения. Это можно уподобить человеческой паре, скажем, Дафне и Теду, которые были вместе, а потом разошлись. Дафна может пойти в любом из двух возможных направлений, так же как и Тед. Здравый смысл говорит нам, что выбор Дафны никак не будет зависеть от Теда.
Когда Белл проводил свой эксперимент, он ожидал обнаружить, что данные измерений каждой частицы будут отличаться, и это продемонстрирует их «неравенство». Однако при сравнении результаты оказались одинаковыми, а неравенство – нарушенным. Какая-то невидимая нить связывала частицы в пространстве и заставляла их следовать друг за другом. С тех пор физики поняли: когда происходит нарушение неравенства Белла, это значит, что частицы сцеплены.
Неравенство Белла заставило нас многое пересмотреть в нашем понимании вселенной. Принимая нелокальность как факт природы, мы признаем, что два основания, на которых строилось наше мировоззрение, неверны: влияние не происходит посредством времени и расстояния, а частицы (такие как Дафна и Тед), как и все состоящее из них, не существуют независимо друг от друга.
Хотя современные физики принимают нелокальность как данность квантового мира, они успокаивают себя тем, что это странное, противоречащее здравому смыслу свойство субатомной вселенной не применимо к чему-либо более крупному, чем фотон или электрон. Когда дело доходит до уровня атомов и молекул, которые считаются в мире физики «большими», вселенная снова начинает вести себя в соответствии с предсказуемыми, измеримыми законами Ньютона.
При помощи одного кристалла, размером с ноготь, Розенбаум и его аспирантка опровергли это представление. Они доказали: большие объекты, такие как атомы, имеют нелокальную связь, даже в материи настолько большой, что ее можно подержать в руке. Никогда прежде квантовая нелокальность не проявлялась в таком масштабе. Хотя объектом эксперимента был всего лишь маленький кусочек соли, в атомном масштабе это было целое государство, в котором жили миллиард миллиардов (1000 000 000 000 000, или 1018) атомов. Розенбаум, обычно не желавший рассуждать о том, чего он пока не мог объяснить, понимал: они обнаружили нечто экстраординарное во вселенной. И тогда я поняла, что они открыли механизм намерения: они показали, что атомы, непосредственные составляющие материи, могут испытывать влияние нелокальности. Большие объекты, такие как кристаллы, играли не по правилам большого мира, а по анархическим правилам квантовой вселенной, сохраняя невидимую взаимосвязь при отсутствии видимой причины.
В 2002 году Сай описала эти открытия в статье, а Розенбаум откорректировал ее и послал в журнал «Природа», известный своим консерватизмом и тщательностью при отборе материала. После четырех месяцев переписки с рецензентами статья Гош была напечатана в главном мировом научном журнале – весьма значительное достижение для 26-летней аспирантки .
Один из рецензентов, Влатко Ведрал, отнесся к этому эксперименту со смесью интереса и досады . Югослав по происхождению, он учился в Королевском колледже в Лондоне, пока его страна была погружена в гражданскую войну, приведшую к распаду государства. Ведрал отлично показал себя на своей новой родине и был назначен ведущим специалистом по квантовой информатике в университете Лидса. Высокий и представительный, Ведрал входил в малую исследовательскую группу во Вьенне, работавшую в области передовой квантовой физики, занимаясь в том числе и квантовой сцепленностью.
Ведрал первым теоретически предсказал эффект, с которым Гош и Розенбаум случайно столкнулись три года спустя. Он отправил статью в «Природу» в 2001 году, но журнал, предпочитавший экспериментальный формат теоретическому, не принял ее. В конце концов Ведрал опубликовал свою статью в «Обозрении физических исследований», основном журнале физиков . Но после того как журнал «Природа» решил опубликовать исследование Гош, его издатели сделали шаг к примирению, предложив Ведралу быть рецензентом ее статьи. Кроме того, ему выделили полосу в том же выпуске, чтобы он высказал свое мнение об этих открытиях.
В своей статье Ведрал позволил себе некоторые домыслы. «Квантовая физика признается наиболее точной наукой для описания того, как атомы объединяются в молекулы, и, поскольку молекулярные отношения составляют основу всей химии, а химия – это основа биологии, эта удивительная взаимосвязь может являться ключом к разгадке тайны жизни», – писал он .
Ведрал и некоторые другие его коллеги не верили, что описанный эффект имеет место только для гольмия. Основную проблему в раскрытии квантовой сцепленности представляет примитивное состояние наших технологий. Изолирование и наблюдение этого эффекта возможно в настоящее время лишь с помощью замедления атомов при сверхнизких температурах, когда они едва движутся. Тем не менее некоторые физики наблюдали сцепленность в материи при температуре в 200 градусов Кельвина, или -100 градусов по Фаренгейту. Такую температуру можно найти в самых холодных местах на Земле.
Другие исследователи доказали математически, что везде, даже внутри нашего тела, между атомами и молекулами происходит постоянный обмен информацией. Томас Дарт из Университета Врие в Брюсселе при помощи стройных математических формул показал, что практически все квантовые взаимодействия порождают сцепленность, вне зависимости от внешних условий. Даже протоны, мельчайшие частицы света, излучаемые звездами, сцеплены с каждым атомом, встречаемым ими на пути к Земле . Сцепленность при нормальных температурах оказывается естественным состоянием вселенной, даже наших тел. Любое взаимодействие между каждой парой электронов внутри нас порождает сцепленность. Согласно Бенни Резнику, физику-теоретику из университета Тель-Авива в Израиле, даже пустое пространство вокруг нас наполнено сцепленными частицами .
Английский математик Пол Дирак, один из создателей теории квантового поля, первым выявил, что не существует такого состояния, как «ничто», или пустого пространства. Даже если убрать всю материю и энергию из вселенной и исследовать «пустое» пространство между звездами, вы увидите, что мир наполнен субатомной активностью.
В мире классической физики поле – это область влияния, в которой две или более точек связаны определенной силой, такой как гравитация или электромагнетизм. Однако в мире квантовых частиц поля порождаются вследствие обмена энергией. Согласно принципу неопределенности Гейзенберга, одной из причин непознаваемости квантовых частиц является то, что их энергия постоянно перенаправляется. Хотя нередко частицы представляются нам крошечными «бильярдными шарами», они больше похожи на маленькие скопления вибрирующих волн, перебрасывающихся энергией, как при игре в баскетбол. Все элементарные частицы взаимодействуют друг с другом, обмениваясь энергией с помощью временных или виртуальных квантовых частиц. Считается, будто они возникают из ниоткуда, объединяясь и аннулируя друг друга менее чем за мгновение, вызывая случайные флуктуации энергии без видимой причины. Виртуальные частицы, или состояния негативной энергии, не принимают физическую форму, поэтому мы не можем наблюдать их. Даже «реальные» частицы являются не более чем маленькими сгустками энергии, возникающими на короткое время и затем исчезающими в энергетическом поле.
Эти перебрасывания энергией, которые так и не достигают какого-то базового энергетического состояния, известны под названием поля нулевой точки. Поле называется «нулевым», потому что даже при температуре, равной абсолютному нулю, когда вся материя теоретически должна остановиться, эти флуктуации остаются различимыми. Даже в самом холодном уголке вселенной субатомная материя никогда не останавливается, а продолжает свое энергетическое «танго» .
Энергия, производимая с каждым информационным обменом между частицами, невообразимо мала – около половины энергии одного протона. Однако если сложить все энергетические обмены между всеми субатомными частицами во вселенной, то получится чудовищное количество энергии, превосходящее всю энергию в материи на 1040, то есть 1 с 40 нулями. Ричард Фейнман однажды отметил, что энергии одного кубического метра пространства достаточно, чтобы вскипятить все океаны мира .
После открытия Гейзенбергом энергии нулевой точки большинство традиционных физиков убрали символы, обозначающие такую энергию, из своих уравнений. Они полагали, что, поскольку нулевое поле всегда присутствует в материи, ничего не меняя, его можно и не учитывать. Однако в 1973 году, пытаясь вывести альтернативу ископаемому топливу во время нефтяного кризиса, американский физик Хал Патофф, вдохновленный русским ученым Андреем Сахаровым, начал выяснять, как применить избыточную энергию пустого пространства для перемещения по Земле и путешествий к отдаленным галактикам. Патофф провел более 30 лет, исследуя поле нулевой точки. Со своими коллегами он доказал, что постоянный энергообмен между всей субатомной материей и полем нулевой точки отвечает за стабильность атомов водорода и, следовательно, за стабильность всей материи . Уберите нулевое поле – и вся материя схлопнется сама в себя. Он также показал, что энергия нулевого поля может отвечать и за два основных свойства массы – инерцию и гравитацию . Патофф также работал над миллионным проектом, финансировавшимся корпорацией «Локхид Мартин» и различными американскими университетами, направленным на применение энергии поля нулевой точки в космических путешествиях. Данная программа была опубликована в 2006 году.
Многие странные свойства квантового мира, такие как неопределенность или сцепленность, могут быть объяснены, если учитывать постоянные взаимодействия всех квантовых частиц с полем нулевой точки. Патофф отмечал, что понимание наукой сцепленности аналогично примеру с двумя палками, воткнутыми в песок, на которые вот-вот должна накатить большая волна. Если обе палки будут смыты, а вы ничего не будете знать о воздействии на них волны, то вы сможете подумать, что одна палка оказала влияние на другую, и называть это нелокальностью. Постоянное взаимодействие квантовых частиц с полем нулевой точки может являться механизмом нелокальных эффектов, происходящих между частицами, позволяющим одной частице находиться в контакте с другой в любой момент времени .
Работа Бенни Резника с полем нулевой точки и квантовой сцепленностью началась, выражаясь математически, с ключевого вопроса: что произойдет с двумя гипотетическими образцами, взаимодействующими с полем нулевой точки? Согласно его подсчетам, после того как образцы вступят во взаимодействие с данным полем, они начнут сообщаться друг с другом и в итоге образуют сцепленность .
Если все частицы взаимодействуют с нулевым полем, это, по сути, означает, что вся материя во всем космосе взаимосвязана и потенциально сцеплена с помощью квантовых волн . И если между нами и всем пустым пространством имеется сцепленность, мы должны быть способны устанавливать связь с тем, что находится на расстоянии от нас. Признание существования поля нулевой точки и сцепленности дает нам готовый механизм, при помощи которого сигналы, порождаемые силой мысли, могут быть получены кем-то, находящимся за много миль.
Сай Гош установила, что нелокальность существует в больших блоках материи, составляющих определенный объект, а другие ученые доказали, что вся материя во вселенной является, по сути, спутником центрального энергетического поля. Но как материя может испытывать влияние этой связи? Основная предпосылка классической физики состоит в том, что все материальные объекты во вселенной являются своего рода свершившимися фактами. Как они могут изменяться?
Ведралу представилась возможность изучить этот вопрос, когда он был приглашен к сотрудничеству с известным квантовым физиком Антоном Цайлингером. Лаборатория Цайлингера в Институте экспериментальной физики при Венском университете проводила самые передовые и весьма необычные исследования природы квантовых частиц. Цайлингер был глубоко недоволен современными научными объяснениями квантовых свойств и передал свое недовольство и стремление к поиску новых объяснений студентам.
В порыве вдохновения Цайлингер и его команда сцепили пару протонов, взятых со дна Дуная. Они создали квантовый канал с помощью стеклянной трубки и протянули его через русло реки. Эти отдельные протоны Цайлингер называл Бобом и Эллис, а иногда, когда был необходим третий протон, обозначал его как Кэрол или Чарли. Эллис и Боб были разделены шестьюстами метрами реки, никак друг с другом не соприкасаясь, и тем не менее они сохраняли нелокальную взаимосвязь .
Цайлингера особенно интересовали суперпозиция и следствия Копенгагенской интерпретации – то, что субатомные частицы существуют только в состоянии потенциала. Ему хотелось понять: могут ли объекты, а не просто субатомные частицы, входящие в их состав, существовать в таком состоянии «зеркального коридора»? Чтобы ответить на этот вопрос, Цайлингер применил интерферометр Тальбота-Лоу – аппарат, разработанный его коллегами из Массачусетского технологического института, – основываясь на вариации известного эксперимента с двойной прорезью, проведенного Томасом Юнгом, британским физиком XIX века. В эксперименте Юнга поток чистого света посылался через отверстие, или прорезь, на кусок картона, проходя затем сквозь второй экран с двумя отверстиями и, наконец, попадая на третий, пустой экран.
Когда две волны действуют синфазно (то есть поднимаются и опускаются одновременно) и сталкиваются друг с другом – что называется «интерференцией», – объединенная интенсивность волн превосходит индивидуальную амплитуду каждой из них. Сигнал усиливается. Происходит запечатление или обмен информацией, что называется «конструктивной интерференцией». Если же одна волна поднимается в то время, когда другая опускается, то они аннулируют друг друга, что называется «деструктивной интерференцией». При конструктивной интерференции, когда волны синхронны, свет усиливается; деструктивная интерференция уничтожает свет и приводит к полной темноте.
В эксперименте свет проходил через две прорези, образуя чередующиеся черные и белые полоски на последнем экране. Если бы свет был просто потоком частиц, тогда две самые яркие полоски были бы расположены сразу за двумя прорезями на втором экране. Однако самым ярким оказался участок посередине между двумя прорезями, созданный волнами, которые в наибольшей степени взаимодействовали друг с другом. Таким образом, Юнг первым понял, что свет, пробивающийся сквозь две прорези, распространяется в виде перекрывающих друг друга волн.
В современной версии этого эксперимента через двойную прорезь проходят отдельные фотоны. Они также отображают полоски на экране, показывая, что даже отдельные единицы света перемещаются в виде размытой волны, обладающей значительной сферой влияния.
Физики XX века проводили эксперимент Юнга с другими отдельными квантовыми частицами, тем самым доказав, что квантовая физика имеет свойства «зазеркалья»: частицы ведут себя как волны и проходят через обе прорези сразу. Направьте поток электронов через три экрана – и вы получите интерференцию: чередующиеся светлые и темные полосы, что уже наблюдалось в случае частиц света.
Поскольку для создания интерференции такого вида необходимы как минимум две волны, на основании данного эксперимента можно сделать вывод, что фотон каким-то образом умудряется проходить через две прорези одновременно и интерферировать с самим собой.
В эксперименте с двойной прорезью содержится основная загадка квантовой физики – идея того, что субатомная частица не находится в каком-то определенном месте, а представляет собой целый «стадион». Этот опыт также демонстрирует принцип, согласно которому все электроны, существующие в герметическом квантовом состоянии, абсолютно непознаваемы. Вы ничего не можете узнать о квантовой сущности, пока не остановите ее – только после этого она примет определенное состояние.
В варианте эксперимента, проведенного Цайлингером, интерферометр, использующий вместо субатомных частиц молекулы, имел набор прорезей на первом экране и решетку из идентичных параллельных разрезов на втором, предназначавшихся для задержания или отклонения проходящих через них молекул. Третья решетка, развернутая перпендикулярно потоку молекул, играла роль сканирующей «маски», способной вычислять размер волн любой проходящей молекулы с помощью высокочувствительного лазерного детектора. Это делалось для того, чтобы определить позиции молекул и схемы их интерференции.
Для первого эксперимента Цайлингер и его команда тщательно выбрали молекулы фуллерена, состоящие из 60 атомов углерода. Размером в один нанометр каждая, они являются гигантами молекулярного мира. Фуллерен был выбран не только за свой размер, но и за четкую структуру, напоминающую симметричный футбольный мяч.
Это была тонкая операция. Группе Цайлингера необходимо было работать с четко установленной температурой. Даже самый незначительный перегрев молекулы вызвал бы ее распад. Цайлингер нагревал молекулы фуллерена, так называемые бакиболлы, до 900 градусов Кельвина, чтобы они могли создать интенсивный молекулярный поток. Далее он «проводил» их через первый экран, затем они проходили через второй экран, а на третьем образовывали рисунок. Результаты были однозначными: каждая молекула продемонстрировала способность к интерференции с самой собой. Некоторые наиболее крупные единицы физической материи не «локализовались» в окончательном состоянии. Как и субатомные частицы, эти гигантские молекулы не застыли во что-то определенное.
Венская команда провела исследования с некоторыми другими молекулами, которые были в два раза крупнее и имели неправильную форму, чтобы проверить, будут ли геометрически асимметричные молекулы демонстрировать такие же «волшебные» свойства. Они остановили свой выбор на гигантских молекулах фторированного углерода в форме футбольного мяча, состоящих из 70 атомов углерода и напоминающих по форме оладьи молекулах тетрафенилпорфирина. Состоящие из более чем 100 атомов, эти молекулы являются одними из самых больших на планете. И снова каждая из них интерферировала сама с собой.
Группа Цайлингера неоднократно демонстрировала, что молекулы могут находиться в двух местах одновременно, оставаясь в состоянии суперпозиции даже в таком большом масштабе . Ученые доказали невообразимое: самые большие компоненты физической материи и живых существ существуют в неопределенном состоянии .
Сай Гош не слишком задумывалась о выводах из своего открытия. Она была вполне довольна тем, что по материалам ее эксперимента получилась хорошая статья. Это могло помочь ей сделать карьеру доцента, ассистента профессора, занимающегося исследованиями в области миниатюризации, направления, в котором, как она полагала, двигалась квантовая физика. Время от времени она позволяла себе порассуждать о том, что ее кристалл мог доказывать что-то важное для понимания природы вселенной. Но она была всего лишь студенткой, недавно окончившей аспирантуру. Что она в конце концов могла знать о том, как устроен мир?
Но для меня исследование Гош и эксперимент с двойной прорезью Цайлингера являются определяющими моментами в современной физике. Эксперименты Гош показывают, что между фундаментальными элементами материи существует невидимая взаимосвязь. И эта связь часто является настолько сильной, что может преодолевать такие «классические» формы воздействия, как нагревание или толкание. Работа Цайлингера продемонстрировала нечто еще более поразительное. Крупная материя не является твердой и стабильной и вовсе не обязательно ведет себя согласно законам Ньютона. Для того чтобы прийти в завершенное состояние бытия, молекулам необходимо дополнительное воздействие.
Это были первые свидетельства того, что специфические особенности квантовой физики наблюдаются не только на субатомном уровне, но и в мире видимой материи. Молекулы также существуют в состоянии чистого потенциала, а не одной окончательной данности. При определенных обстоятельствах они преступают ньютоновские законы и демонстрируют нелокальные квантовые эффекты. Тот факт, что нечто настолько большое, как молекула, способно устанавливать сцепленность, указывает на существование не двух «сводов законов» – физики большого мира и физики мира малого, а единого свода законов для всего живого.
Два описанных эксперимента содержат также ключ к науке намерения – как мысли могут воздействовать на твердую материю. Они говорят о том, что эффект наблюдателя имеет место не только в мире квантовых частиц, но и в повседневной жизни. Ничто не существует в изоляции, а пребывает, подобно квантовой частице, во взаимосвязи со всем. Сотворчество и взаимное влияние могут быть основными, глубинными свойствами жизни. Наше наблюдение за каждым элементом мира может определять его окончательное состояние, из чего следует, что мы, по-видимому, влияем на все, что находится вокруг нас. Когда мы входим в комнату, полную людей, когда общаемся с супругами и детьми, когда смотрим на небо, мы можем создавать и влиять в каждый момент времени. Мы пока не можем продемонстрировать этого при нормальных температурах – современное оборудование еще недостаточно совершенно. Но мы уже обладаем предварительными доказательствами того, что физический мир – сама материя – податлив и доступен внешнему влиянию.
