DMVV

Слабонервным читать не советую. Итак, одним из самых странных аспектов существования нашего физического мира, описываемого квантовой механикой, является квантовая запутанность (сцепленность). А пространство-время – это форма существования этого мира, нелинейно-искривлённая, великолепная и очень красивая.

Начну с определения термина.

Квантовая запутанность (сцепленность) – это обнаруженное и доказанное квантовомеханическое явление, при котором квантовые состояния двух или большего числа объектов оказываются взаимозависимыми. Такая взаимозависимость сохраняется, даже если эти объекты разнесены в пространстве за пределы любых известных взаимодействий, что находится в логическом противоречии с принципом локальности. Например, можно получить пару фотонов, находящихся в запутанном состоянии, и тогда если при измерении спина первой частицы спиральность оказывается положительной, то спиральность второй всегда оказывается отрицательной, и наоборот.

Дело в том, что на самом деле две запутанных частицы влияют друг на друга сквозь немыслимо огромные расстояния. На первый взгляд это нарушает фундаментальный физический принцип локальности: то, что происходит в определённой точке пространства, может повлиять только на точки поблизости. Но это один из парадоксальных выводов современной квантовой теории. Данное явление называется нелокальность. По существу, это означает то, что если частица распадается на две части, то два этих фрагмента будут влиять друг на друга по всей Вселенной, даже будучи разделёнными миллионами световых лет. Именно это поразило Эйнштейна почти сто лет назад.

Квантовая запутанность (сцепленность) – одно из самых загадочных явлений. Оно настолько необычно, что даже Эйнштейн не верил в его существование и в одном из писем, адресованных датскому физику Максу Борну, назвал связь, существующую между сцепленными частицами, «жутким действием на расстоянии» (нем. spukhafte Fernwirkung).

Что же так поразило великого учёного? Дело в том, что как уже тогда было известно, ни один объект во Вселенной не может перемещаться со скоростью, превышающей скорость света в вакууме. Более того, никакая информация не может быть передана с такой скоростью. Этот экспериментальный факт лежал в основе созданной, в том числе усилиями Эйнштейна, Специальной теории относительности и не подлежал сомнению.

Оказалось, что это не так. В мире частиц всё гораздо интереснее. Для его описания была создана квантовая механика, которая, в частности, показала, что каждая частица обладает не только свойствами частицы, но и свойствами волны. Что это означает на практике?

На практике это означает, что каждая частица, например, электрон или фотон, как бы «чувствует» всё окружающее пространство. И невозможно указать – в какой именно точке пространства частица находится в данный момент. Будучи испущенной, частица «расплывается» подобно волнам на воде. Однако если вы захотите частицу «поймать», например, определив её положение специальными детекторами, то вся эта волна мгновенно «схлопнется» в одной точке.

Генерация запутанных фотонов в результате спонтанного параметрического рассеяния (СПР)
лазерного потока в нелинейном кристалле

Установлены и более жуткие и одновременно интересные явления. Недавние открытия показали, что нелокальность может быть типична не только для пространства, но и для времени. Следствием этого может являться то, что будущие действия могут повлиять на события прошлого.

И локальность, и само пространство не так уж фундаментальны на самом деле. Теперь об этом можно говорить. Вот, например, Джордж Массер исследовал возможные последствия этого в своей новой книге «Spooky Action At a Distance».

У многих из нас в детстве был калейдоскоп. Лично у меня их было три. И я подолгу исследовал их. А один и вовсе разобрал. Но здесь лучше приведу рассказ другого человека.

Когда философу Дженнан Исмаэль было десять лет, её отец, уроженец Ирака, профессор Университета Калгари, купил большой деревянный шкаф на аукционе. Порывшись в нём, она наткнулась на старый калейдоскоп и была в восторге. Она экспериментировала с ним часами и выясняла, как он работает.

Когда вы заглядываете в калейдоскоп и поворачиваете трубу, разноцветные фигуры начинают расцветать, крутиться и объединяться, казалось бы, совершенно необъяснимым и непредсказуемым образом, как если бы оказывали друг на друга жуткое действие на расстоянии. Но чем больше вы ими восхищаетесь, тем больше вы подмечаете закономерностей в их движении. Формы на противоположных концах вашего поля зрения меняются в унисон, и эта симметрия позволяет вам понять, что происходит в действительности: эти формы – не физические объекты, а изображения объектов – осколков стекла, который проворачиваются внутри зеркальной трубы.

«Там один кусочек стекла, который избыточно представляется в разных частях пространства, – говорит Исмаэль. – Если сосредоточить внимание на общем охватывающем пространстве, физическое описание трёхмерного калейдоскопа будет довольно прямолинейной причинно-следственной историей. Есть кусочек стекла, он отражается в зеркалах, и так далее». Увиденный в реальности, калейдоскоп больше не является загадкой, хотя и по-прежнему удивляет.

Спустя несколько десятилетий, готовясь к речи о квантовой физике, Исмаэль вспомнила о калейдоскопе и купила новенький – блестящую медную трубу в бархатном чехле. Он стал, как её осенило, метафорой нелокальности в физике. Возможно, частицы в экспериментах с запутанностью или галактиках в далёких галактических пределах ведут себя странно, поскольку являются проекциями – вторичными творениями, в некотором смысле – существующих в совершенно другой области объектов.

А я бы добавил, что вполне возможно и то, что их вовсе нет. Это картинка, создаваемая Генератором Картинок в целях дезинформации, обеспечивающей безопасность бананов, то есть нас. Мы видим то, что как бы есть, но чего на самом деле в этом месте нет. Как голограмма )))

«В случае с калейдоскопом мы знаем, что должны делать: мы должны увидеть всю систему, мы должны увидеть, как создаётся образ пространства, – говорит Исмаэль. – Как построить аналог этого для квантовых эффектов? Для этого нужно увидеть космос, который мы знаем – повседневный космос, в котором мы проводим измерения событий, расположенных в разных частях космоса – как неразрывную структуру. Возможно, когда мы смотрим на две части, мы видим одно и то же событие. Мы взаимодействуем с одним и тем же элементом реальности на разных участках пространства».

Вместе с другими она ставит под сомнение допущение, которому следует почти каждый физик и философ со времен Демокрита, что пространство является глубочайшим уровнем физической реальности. Подобно тому, как сценарий пьесы описывает действия актёров на сцене, но предшествует сцене, законы физики традиционно принимают существование пространства как должное.

Сегодня мы знаем, что Вселенная – это нечто большее, чем просто вещи, расположенные в пространстве. Явление нелокальности перепрыгивает пространство; нет никакого места, где бы оно было ограничено. Оно проявляется на уровне реальности глубже пространства, где уже не имеют значения понятие расстояния, где далёкие вещи находятся будто бы рядом, словно одна и та же вещь проявляется больше чем в одном месте, подобно многочисленным изображениям одного стёклышка в калейдоскопе.

Alain Aspect experiment 1981

Когда мы задумываемся о всеобщей взаимосвязи на таком уровне, связь между субатомными частицами на лабораторном столе, внутри и снаружи чёрной дыры и между противоположными частями Вселенной уже не кажется такой жуткой.

Майкл Хеллер, физик, философ и теолог Папской академии теологии в Кракове говорит: «Если вы согласитесь с тем, что на фундаментальном уровне физика нелокальна, всё будет вполне естественным, поскольку две частицы, которые находятся далеко друг от друга, пребывают на одном фундаментальном нелокальном уровне. Для них пространство и время не имеют значения». Только когда вы пытаетесь визуализировать эти явления с позиции пространства – что простительно, поскольку мы привыкли так думать – они смущают наше понимание.

Идея глубокого уровня кажется естественной, поскольку, в конце концов, физики всегда к ней стремились. Всякий раз, когда они не могли понять некоторые аспекты нашего мира, они предполагали, что пока не добрались до дна всего этого. Они приближали и видели строительные блоки. Но понимание того, что «дна» нет – недоступно многим физикам. Это рушит постулаты и мешает писать диссертации. То, что жидкая вода может кипеть или замерзать, отчасти загадочно. Но эти преобразования теряют загадочность, если представить жидкое, газообразное и твёрдое состояние не элементарными субстанциями, а разными формами одного фундаментального вещества.

Аристотель считал разные состояния воды различными воплощениями так называемой первичной материи, и атомисты прозорливо думали, что атомы перестраиваются в более жёсткие или свободные структуры. Эти строительные блоки вещества приобретают свойства, которым по отдельности им не хватает. Точно так же пространство может состоять из частей, которые сами по себе не пространственные. Эти части тоже могут разбираться и пересобираться в непространственные структуры вроде тех, на что намекают нам чёрные дыры и Большой Взрыв. (Систему «Чёрной материи» как стройматериала, которой, как выяснилось, во Вселенной процентов 80–90, просто её не видно, в этой статье я не рассматриваю принципиально, иначе на это уйдет страниц 600).

«Пространство-время не может быть фундаментальным, – говорит теоретик Нима Аркани-Хамед. – Оно должно состоять из чего-то более простого».

Это мышление полностью переворачивает физику. Нелокальность больше не загадка – это реальность. А настоящей загадкой становится локальность. Когда мы больше не можем принимать пространство как должное, нам придётся объяснить, что это такое и из чего возникает, самостоятельно или в процессе объединения со временем.

Очевидно, что строительство пространства не может быть таким же простым, как слияние молекул в жидкость. Какими же могут быть его строительные блоки? Обычно считается, что строительные блоки должны быть меньше объектов, которые из них построены. Это логика обычного человека. То есть, примитивная логика.

Когда дело доходит до пространства, нет никакого «меньше» или «больше», ибо размер сам по себе – это пространственное понятие. Строительные блоки не могут предшествовать пространству, если оно должно их объяснять. У них не должно быть ни размера, ни места. Они должны быть повсюду, по всей Вселенной и нигде одновременно, чтобы в них нельзя было ткнуть. Что для вещи будет означать отсутствие позиции? Где она будет? «Когда мы говорим о вытекающем пространстве-времени, оно должно вытекать из неких рамок, от которых мы очень далеки», – считает Аркани-Хамед. И он прав.

В западной философии царство за пределами пространства традиционно считалось царством за пределами физики – местом присутствия Бога в христианской теологии. В начале XVIII века «монады» Готфрида Лейбница, которые он представлял примитивными элементами Вселенной, существовали, подобно Богу, вне пространства и времени. Его теория была шагом в сторону возникающего пространства-времени, но оставалась в области метафизики, будучи слабо связанной с миром конкретных вещей. Если физики преуспеют в объяснении возникающего пространства, им придётся разработать и собственную концепцию отсутствия пространства.

Альберт Эйнштейн предвидел эти трудности. «Возможно… мы должны отказаться, в принципе, от пространственно-временного континуума, – писал он. – Вполне можно представить, что изобретательность человека однажды найдёт методы, которые сделают этот путь возможным. В настоящее время, впрочем, такая программа выглядит, как попытка дышать в пустом космосе».

Джон Уилер, известный теоретик гравитации, предположил, что пространство-время построено из «прегеометории», но признал, что это просто «идея ради идеи». Даже Аркани-Хамед разделяет его сомнения: «Эти проблемы очень сложные. Обсуждать их привычным для нас языком невозможно».

Что заставляет Аркани-Хамеда и его коллег продолжать, так это обнаружение своего рода способов, которые описывал Эйнштейн – способов описать физику в отсутствии пространства. Он объясняет эти попытки с точки зрения истории: «2000 с лишним лет люди задавались вопросами о глубокой природе пространства и времени, но они были преждевременными. Мы, наконец, прибыли в ту эпоху, где вы можете задать эти вопросы и надеяться получить некоторые осмысленные ответы».

Ответы в принципе уже есть. Если вы смотрели гениальную киноэпопею Джорджа Лукаса (George Walton Lucas, род. 14.05.1944 в Модесто, Калифорния, США) «Звёздные войны» эпизоды 4, 5, 6, 1, 2, 3, которая есть сказка, а сказка – ложь, да в ней намёк, то… То тогда вы можете вспомнить упрощённый для народа вариант того, как «бозон Хиггса», который существует и не существует одновременно и для которого скорость света не является ограничителем, взаимодействует с т. н. «медиахлорианами» (самостоятельными разумными микроскопическими формами жизни, существующими в симбиозе внутри клеток всех живых существ). И, наоборот,  – в обе стороны. Это то, что Лукас зашифрованно назвал «Великой Силой», чтобы никто не догадался.

Образно говоря, всеобщее поле Божественной Вселенной, которое везде и всегда, состоящее из бозонов и иных не открытых пока человечеством явлений, мгновенно, постоянно и непрерывно взаимодействует со всеми живыми существами, а они взаимодействуют с ним. Просто одни это чувствуют, а другие нет. Это сложно понять на бытовом уровне, как и то, что материя одновременно является и волной, и совокупностью частиц.

Повторю в завершение и ещё один факт, приведённый выше. Есть научные физические опыты, проводимые уже более 100 лет, документально установившие следующее. Пока за частицей не наблюдают, она распространяется, как волна. Как только за ней начинают наблюдать, она тут же превращается из волны в частицу, проще говоря – движущуюся точку. Факт установлен, многократно зафиксирован и доказан. Но объяснения этому факту нет.

H Atom Orbitals

Существует Копенгагенская интерпретация квантовой механики, рассматривающая волновую функцию до её измерения как находящуюся в суперпозиции состояний. На рисунке изображены орбитали атома водорода с распределениями плотностей вероятности (чёрный – нулевая вероятность, белый – наибольшая вероятность). В соответствии с Копенгагенской интерпретацией при измерении происходит необратимый коллапс волновой функции и та принимает определённое значение, при этом предсказуем только набор возможных значений, но не результат конкретного измерения.

Может быть, и не нужно никакое объяснение. Хотя бы до тех пор, пока люди не научатся выносить за собой мусор и не прекратят убивать друг друга. Обезьяне с термоядерной гранатой такие тонкости точно не нужны. Иначе она и из этого сделает оружие. В конце концов, мы же пользуемся электричеством, хотя ни один учёный до их пор толком не понимает – что это такое. Поток частиц, движущихся в разнонаправленные стороны, возникающий при определённых обстоятельствах – это не есть понимание сути явления. Тем более что есть исключения, когда частицы «бегут» в одинаковых направлениях, а сила тока, вместо того, чтобы исчезнуть, только увеличивается.

Дмитрий Васильев

Добавить комментарий