Глава 7

Если завтра начинается позавчера

Думаю, я могу с уверенностью заявить, что никто не понимает квантовую механику. Если есть возможность, перестаньте спрашивать себя: «Да как же это возможно?» Поступая так, вы только загоняете себя в тупик, из которого еще никто не выбирался.

Лауреат Нобелевской премии по физике Ричард Фейнман

Квантовая механика описывает крошечный мир атома и его составляющих, а также их поведение с потрясающей, хотя и вероятностной точностью. Она используется при разработке значительной части технологий современного общества, например лазеров и компьютеров. Однако квантовая механика ставит под угрозу не только наши важнейшие и абсолютные представления о пространстве и времени, но и все ньютоновские концепции порядка и уверенного прогноза.

Здесь стоит обратиться к старой максиме Шерлока Холмса, согласно которой «если вы устранили невозможное, то все оставшееся, каким бы невероятным оно ни было, должно быть правдой». В этой главе мы подробно рассмотрим доказательства квантовой теории и будем делать это осмотрительно, по методу Холмса, и не позволяя трехсотлетним предрассудкам науки сбивать нас со следа. Ученые оказываются в тупике, потому что сразу же отказываются принимать к сведению прямые и явные следствия экспериментов. Биоцентризм – вот единственное и по-человечески понятное объяснение того, каким может быть мир, и едва ли стоит лить слезы, расставаясь с привычным способом мышления. Как выразился нобелевский лауреат Стивен Вайнберг: «Растолковывать людям основные законы физики – штука неприятная».

Чтобы объяснить, почему пространство и время являются относительными для наблюдателя, Эйнштейн присвоил хитроумные математические свойства изменяющимся основам пространства-времени, невидимой и неуловимой сущности, которую нельзя увидеть или потрогать. Тем самым он с успехом продемонстрировал, как движутся объекты в экстремальных условиях большой гравитации и при огромных скоростях. Однако очень многие решили, что пространство-время является подлинным объектом, как сыр чеддер, а не математической фикцией, служащей для конкретной цели и позволяющей рассчитать параметры движения. Конечно, ситуация с пространством-временем – далеко не первый прецедент, когда математические инструменты путают с осязаемой реальностью. Квадратный корень из минус единицы и символ бесконечности – вот только два примера из множества математических абстракций, и ни один из них не имеет аналога в физической Вселенной.

С появлением квантовой механики такая дихотомия между концептуальной и физической реальностью еще больше обострилась. Несмотря на центральную роль наблюдателя в данной теории – с расширением ее от пространства и времени до глубинных свойств материи, некоторые ученые до сих пор отвергают наблюдателя как беспокойную помеху.

В квантовом мире отказывается работать даже обновленная эйнштейновская версия часов Ньютона – то есть Солнечная система, которая считается точным хронометром. Сама концепция, что независимые события могут происходить в отдельных, несвязанных местах, – лакомое понятие, часто именуемое локальностью, – не поддерживается на уровне атомов и глубже. Также появляется все больше свидетельств, что это же распространяется и на макроскопический уровень. В теории Эйнштейна события в пространстве-времени могут быть расставлены по отношению друг к другу, но квантовая механика обращает большее внимание на природу самого измерения, которое подрывает основы объективности.

При изучении субатомных частиц наблюдатель склонен к изменению всего, что он определяет. Экспериментатор и его методы безнадежно связаны с тем, что именно он пытается наблюдать и какие результаты получает. Оказывается, что электрон – это и частица, и волна, но как и, самое важное, где находится такая частица, зависит от самого акта наблюдения.

Это было совершенно новой идеей. Доквантовые физики разумно полагали, что существует внешняя объективная Вселенная, и должны были с уверенностью определять траекторию и положение отдельных частиц – так же, как и планет. Они считали, что поведение частиц будет полностью предсказуемым, если все будет известно с самого начала. И не существует предела точности для измерения физических свойств объекта любого размера при наличии соответствующей технологии.

Кроме квантовой неопределенности, еще один аспект современной физики наносит удар по концепции Эйнштейна о дискретных объектах и пространству-времени. Эйнштейн заявлял, что скорость света всегда постоянна и что события в одном месте не могут одновременно влиять на события в другом. В теориях относительности скорость света должна учитываться при передаче информации от одной частицы к другой. Такое положение было доказано и считалось истинным на протяжении почти столетия, даже для гравитации. Скорость света в вакууме навсегда стала равной 300 000 километров в секунду. Однако недавние эксперименты показали, что с некоторыми видами распространения информации дело обстоит иначе.

Но настоящая диковинка обнаружилась после 1935 года, когда Эйнштейн, Подольский и Розен столкнулись с необычным квантовым феноменом, связанным с запутыванием частиц. Их статья об этом приобрела такую известность, что феномен до сих пор нередко именуют «ЭПР-парадоксом». Трио ученых отвергло предположение квантовой теории, согласно которому одна частица может каким-то образом «знать» про другую, а взаимодействие между ними приписали пока неизвестному локальному искажению, а не «жуткому действию на расстоянии», как сказал Эйнштейн.

Это было отличное высказывание. Великий физик был автором нескольких таких афоризмов – именно с его легкой руки мы повторяем: «Бог не играет в кости». По квантовой теории был нанесен очередной удар, и на этот раз из-за ее настойчивых утверждений, что некоторые вещи существуют лишь как вероятности, а не как реальные объекты в реальных местах. Фраза «жуткое действие на расстоянии» десятилетие повторялась на уроках физики. Именно поэтому настоящие странности квантовой теории воспринимались с большим недоверием. Измерительные приборы тогда были довольно примитивными, да и кто бы осмелился заявить, что Эйнштейн не прав?

Но Эйнштейн ошибался. В 1964 году ирландский физик Джон Белл предложил эксперимент для определения, могут ли отдельные частицы мгновенно влиять друг на друга на больших расстояниях. Во-первых, было необходимо создать два фрагмента материи или света, которые имеют одну и ту же волновую функцию (напомню, что твердые частицы имеют и волновую природу). Со светом это легко сделать, пропустив его через особый кристалл. Здесь появляются два световых фотона, каждый с половиной энергии (а также вдвое большей длиной волны) по сравнению с фотоном на входе в кристалл. Таким образом, закон сохранения энергии не нарушен. Тот же объем суммарной энергии одинаков на входе и на выходе.

Согласно квантовой теории, все объекты могут вести себя как волна и как частица (это названо корпускулярно-волновым дуализмом), причем на квантовом уровне поведение объекта описывается вероятностно. Из этого следует, что ни одна из субатомных частиц не может занимать в пространстве определенное место или двигаться с определенной скоростью, пока не произошел коллапс (изменение) волновой функции. Но что же необходимо для такого коллапса? Как воздействовать на поведение частицы? К примеру, можно подтолкнуть ее пучком света, попытавшись ее «сфотографировать».

Не было никаких сомнений в том, что коллапс волновой функции будет иметь место при любом способе наблюдения. Например, чтобы определить местоположение электрона, экспериментаторам нужно выстрелить в него фотоном. Однако при взаимодействии двух частиц обязательно произойдет коллапс волновой функции, и наш эксперимент будет искажен. Но по мере усложнения опыта (более детально – в следующей главе) ученые убеждались, что коллапс может происходить, когда экспериментатору что-то известно о самом эксперименте.

Все это представлялось немыслимым, но чудеса только начинались. При своем возникновении пара запутанных частиц обладает общей волновой функцией. Если у одной частицы из этой пары возникнет коллапс – то же произойдет и со второй частицей, даже если они расположены в разных концах Вселенной. Если у одной из частиц спин направлен вверх, то вторая частица из вероятностной тут же становится реальной, но с противоположным спином. Получается, что частицы пребывают в неразрывной связи и ведут себя так, будто они не разделены пространством и временем.

Эксперименты 1997–2007 годов подтвердили, что дело обстоит именно так – образующиеся вместе субатомные частицы объединены неким видом ЭПР-парадокса. Если одна частица начинает перемещаться по какой-либо траектории, то ее частица-близнец одновременно совершает то же действие, даже если их разделяет огромное расстояние.

Швейцарский исследователь Николя Жизен в 1997 году провел поразительный эксперимент, первым бросив шар в своеобразном квантовом боулинге. Получив запутанные фотоны (частицы света), его группа запустила их по оптоволоконным кабелям на расстояние более 11 километров. Одна из частиц направлялась в интерферометр, откуда могла отправиться по одной из двух случайных траекторий. Выяснилось: куда бы ни сворачивал один фотон, близнец тотчас выбирал второй путь.

Стоит отметить, что все это происходило мгновенно. Реакция второго фотона происходила безо всякой задержки, требуемой на преодоление 11 километров со скоростью света (примерно 26 миллисекунд). Учитывая предельную разрешающую способность тогдашнего оборудования, второй фотон менял свою траекторию не позднее чем через три десятимиллиардных доли секунды после изменения траектории первого. Это значит, что такое изменение траектории происходило одновременно.

Хотя полученный результат целиком согласуется с законами квантовой механики, даже самим экспериментаторам он показался невероятным. Он подтверждает удивительную теорию, по которой запутанная частица-близнец тотчас реагирует на активность или смену состояния второй запутанной частицы, причем расстояние между ними не имеет никакого значения.

Приведенный выше факт оказался столь непостижимым для некоторых скептиков, что они немедленно стали искать подвох. Самый значительный контрдовод – «неточность измерительного прибора». Во всех экспериментах до настоящего времени ученые не сумели выявить достаточное количество фотонов-близнецов, и заявленная синхронность типична далеко не для всех. Однако этот контрдовод был снят в 2002 году, когда провели новый эксперимент. Статья в журнале Nature сообщает о результате работы исследователей из Национального института стандартов и технологий, возглавляемых доктором Дэвидом Вайнлендом. Использовав запутанные пары ионов бериллия и детектор высокой точности, ученые наглядно подтвердили, что частица на самом деле мгновенно реагирует на изменение в поведении частицы-двойника.

Кое-кто из ученых предположил, что частица передает близнецу некий новый и ранее неизвестный вид силы или взаимодействия, причем такая передача осуществляется за нулевое время. На это Вайнленд ответил: «жуткое действие на расстоянии и вправду имеет место», хотя он отдавал себе отчет, что такая формулировка ничего не объясняет.

По мнению большинства ученых, скорость света из теории относительности принципиально непреодолима, и сегодня она остается предельно возможной скоростью. Все дело в том, что никто не может использовать ЭПР-парадокс для передачи информации, так как поведение частицы никогда не становится предсказуемым. Однако новейшие изыскания имеют своей задачей решение практических, а не философских вопросов. Нам нужно применить на практике такое диковинное поведение частиц, чтобы создавать сверхмощные квантовые компьютеры. Как заявил сам Вайнленд, новые компьютеры должны «в полной мере использовать необычные принципы квантовой механики».

Но в любом случае все опыты за прошедшие десять лет со всей очевидностью доказывают ошибочность взглядов Эйнштейна о «локальности». Знаменитый физик неправильно считал, что ни одна из реальных сущностей не способна воздействовать на другую со скоростью больше скорости света. Наоборот, эти сущности пребывают в некоем поле – в терминах биоцентризма его обозначают как «поле разума», – которое не ограничено законами теоретического пространства-времени, описанного Эйнштейном еще в начале прошлого века.

Не стоит думать, что биоцентризм обращается к квантовой теории только лишь как к одному из своих краеугольных камней, здесь используется только один аспект квантовых феноменов. В 1964 году свою теорию изложил Белл. С тех пор неоднократно подтвержденная экспериментально, она полностью отвергает доводы Эйнштейна (а заодно и других физиков), что локальность может сохраняться.

Тогда еще считалось возможным, будто в мире существует локальный реализм – то есть самодостаточная объективная Вселенная. До опубликования работ Белла многие ученые упорно придерживались тысячелетнего убеждения, будто физические состояния существуют и до того, как они были измерены. До Белла общепризнанным считалось, что элементарные частицы обладают определенными свойствами и характеристиками, не зависящими от измерений. А когда от Эйнштейна мы узнали, что информация не может передаваться быстрее света, сложилось еще одно убеждение: если наблюдатели находятся на значительном расстоянии друг от друга, то измерения, производимые одним из них, не влияют на измерения другого.

Сегодня от всего вышесказанного наука уже отказалась.

Существует три важных аспекта квантовой теории, ставящих нас в тупик, но имеющих смысл с точки зрения биоцентризма. Далее мы подробно обсудим каждый из них, а пока лишь обозначим. Во-первых, это запутанность, о которой уже шла речь. Два объекта настолько тесно связаны между собой, что мгновенно ведут себя как одно целое, даже находясь на космическом расстоянии друг от друга. Эта «страшилка» становится понятной, если провести классический опыт с двумя щелями.

Во-вторых, принцип дополнительности. Небольшие объекты ведут себя одним или каким-то другим образом, но никогда обоими, и зависит это от действий наблюдателя. И действительно, объект не существует в определенном месте и не движется с определенной скоростью. И только знание и действие наблюдателя вызывают появление объекта в конкретном месте и с такой скоростью. Известно множество пар таких дополнительных свойств. Объект при этом может быть волной или частицей, но никогда и тем и другим. Объект может иметь точные координаты в пространстве или определенную скорость, но никогда и то и другое. Все зависит от наблюдателя и его эксперимента.

Третий аспект квантовой теории, подтверждающий концепцию биоцентризма, – коллапс волновой функции. Смысл его заключается в том, что физическая частица или доля энергии существуют лишь в зыбком вероятностном состоянии до коллапса волновой функции в момент наблюдения. И лишь в этот момент она пребывает в каком-либо из состояний. Таково понимание квантово-механических экспериментов, согласно их копенгагенскому толкованию. Кстати, есть и другие подходы, которые мы еще разберем.

По счастью, опыты Гейзенберга, Белла, Жизена и Вайнленда вновь апеллируют к непосредственному переживанию, а именно к тому, что существует здесь и сейчас. Чтобы материя могла проявиться – в виде камешка, снежинки и даже элементарной частицы, – живое существо должно ее наблюдать.

Такой «акт наблюдения» особенно ярко выражен в знаменитом двухщелевом эксперименте и знакомит нас с самой сутью квантовой механики. Его проводили бесчисленное множество раз в разных вариантах, и он наглядно подтверждает следующее. Когда мы наблюдаем, как элементарная частица или квант света проходит через щели в некоей перегородке, она ведет себя как твердая частица и попадает на экран с детектором. Частица, как крохотная пуля, может проходить через одну или через другую щель. Но если экспериментатор не следит за частицей, то она демонстрирует волновые свойства, сохраняя за собой право проявлять все варианты. Например, может одновременно пройти через обе щели (хотя не может разделиться надвое). В этом случае появляется специфическая рябь, создаваемая только волнами.

Такой корпускулярно-волновой дуализм, или квантовая странность, на протяжении десятилетий ставил исследователей в тупик. Величайшие физики называли его непостижимым, недоступным для словесного описания и визуализации, поскольку дуализм не соответствовал здравому смыслу и рациональному пониманию. Ученым пришлось объявить, что квантовая механика непостижима без сложной математики. Но почему квантовая механика не выражается через метафору, визуализацию и язык?

Если мы всерьез будем считать, что реальность создана самой жизнью, то все станет ясным и понятным. Главное – разобраться с вопросом: «Что это за волны?» Еще в 1926 году немецкий физик Макс Борн наглядно показал, что квантовые волны не материальные, а вероятностные, целиком подтверждая теорию его коллеги Шрёдингера. Такие волны можно статистически спрогнозировать. Поэтому вероятностная волна не что иное, как вероятный результат. Вне этой идеи волна просто не существует! Она неосязаема. Как выразился лауреат Нобелевской премии физик Джон Уилер, «никакой феномен не является таковым, пока он не стал наблюдаемым феноменом».

Замечу, что сейчас мы рассуждаем об отдельных частицах, например фотонах и электронах, а не о целом мириаде объектов. В качестве примера можно привести поезд. Допустим, что вы можете справиться с расписанием, приехать на вокзал и встретить вашего друга, который приезжает четко определенным поездом. Можно быть абсолютно уверенным, что этот поезд существует и без вас, когда вы его не наблюдаете. (Одна из причин этого явления в том, что чем больше рассматриваемый объект, тем меньше длина его волны. Если речь заходит об объектах макромира, то их волны находятся слишком близко друг от друга, и их нельзя заметить или измерить. Однако они реально существуют.)

Но когда мы имеем дело с мельчайшими одиночными частицами, мы не можем считать их существующими в реальности, если их никто не наблюдает. Они обладают или длиной волны, или координатами, своим местом в пространстве. Пока наш разум не обозначит в пространстве некий объект, «подмостки» для частицы, пока он не наметит пути (в этой дымке вероятности, диапазоне возможных реализаций объекта), можно считать его находящимся там-то или там-то. Квантовые волны определяют только потенциальное местоположение частицы. Когда исследователь наблюдает частицу, она находится в пределах статистической вероятности события. Именно это и определяет волна. Волна вероятности – не событие и не феномен, она – описание вероятности события или феномена. До появления настоящего наблюдателя – ничего не произойдет.

В нашем эксперименте с двумя щелями можно утверждать, что каждый фотон и электрон – так как обе частицы неделимы – должен пройти через одну щель. Далее мы задаемся вопросом, в какую из щелей попал конкретный фотон? Многие блестящие физики проводили опыты, призванные определить направление частицы, используя для этой цели явление интерференции. Все они в итоге приходили к поразительному выводу: невозможно одновременно отслеживать пути частицы и наблюдать интерференцию. Можно провести опыт таким образом, чтобы определить, в какую из щелей проходит фотон. Однако если проводить такие измерения, то фотоны бьют в одну точку на экране, не создавая никакой интерференционной картины и ряби. Они ведут себя не как волны, а как частицы. Эксперимент с двумя щелями в полной мере демонстрирует нам квантовую странность, и мы подробно разберем его с помощью иллюстраций в следующей главе.

Но когда мы наблюдаем, как частица проходит через перегородку, происходит коллапс волновой функции. При этом частица теряет вероятностную свободу выбора из двух вариантов и проявляет себя только в одном из них.

Но это еще не все. Признавая как факт, что мы не можем одновременно получить информацию о выборе пути и интерференционную картину, мы приходим к еще более странным выводам. Предположим, что мы имеем дело с группой запутанных фотонов. Они движутся на большом расстоянии друг от друга, но их поведение всегда будет коррелировать.

Допустим, у нас есть два фотона (обозначим их как y и z), которые мы отправили в разных направлениях, и повторим опыт с двумя щелями. Нам уже известно, что фотон y удивительным образом пройдет через обе щели и представит интерференционную картину, если мы не будем замерять параметры, пока он не достиг детектора. Затем мы создадим прибор, позволяющий узнать путь второго запутанного фотона-близнеца z, находящегося вдалеке от первого. Поразительно! Стоит нам включить прибор для определения пути фотона-близнеца, как фотон y тотчас узнает, что мы можем вычислить его путь (потому что его направление всегда будет противоположным или дополнительным к пути близнеца z). Фотон y немедленно прекращает демонстрировать интерференционную картину, теряя волновые свойства, когда мы активируем прибор для z, хотя мы никак не контактировали с фотоном y. Именно так и происходит – мгновенно и в реальном времени, даже если фотоны y и z находятся по разные стороны галактики.

И хотя все это уже не укладывается в голове, дальше будет еще больше. Допустим, что если мы сначала позволим фотону y пройти через щель в экране, а через долю секунды изменим траекторию удаленного фотона-близнеца, то мы сумеем обойти законы квантовой механики. Первый фотон уже прошел свой путь, прежде чем мы попытались потревожить его удаленного близнеца. Следовательно, мы сумеем узнать поляризацию обоих фотонов, а также получить их интерференционные картины. Все верно? А вот и нет. Проведя эксперимент, мы получим не-интерференционную картину. Фотон y перестанет проходить через обе щели задним числом – интерференция исчезла. Фотону y каким-то образом становится известно, что мы в конечном счете сможем определить его поляризацию, хотя его двойник даже еще не столкнулся с устройством для определения поляризации.

Что мы имеем? Что на основе такого эксперимента можно сказать о времени, о любом реальном существовании, о нашем настоящем и будущем? О пространстве и о раздельности? Какие выводы можно сделать о нашей собственной роли и о том, как наши знания влияют на события, происходящие мгновенно на далеком расстоянии? Откуда эти частички света знают, что произойдет с ними в будущем? Каким образом они обмениваются информацией за нулевое время? По-видимому, наши близнецы соединены особым образом, причем эта связь устойчива и неразрывна на любом расстоянии и не зависит от времени, пространства и даже причинно-следственных связей. И самое главное, что можно сказать о самом наблюдении и о «поле разумности», в котором проходят все эти опыты?