Параллельные квантовые вселенные
Думаю, не ошибусь, если скажу, что никто не понимает квантовую механику.
Любой, кто не поражен квантовой теорией, просто ее не понимает.
Двигатель, основанный на принципе бесконечной невероятности, – это прекрасный новый способ пересечения огромных межзвездных расстояний за доли секунды без нудного болтания по гиперпространству.
В сверхпопулярном эксцентричном научно-фантастическом романе Дугласа Адамса «Автостопом по галактике» герой находит оригинальный способ путешествия к звездам. Вместо использования червоточин, гипердорог или порталов в другие измерения для путешествия в иные галактики он решает овладеть принципом неопределенности, чтобы молниеносно преодолевать широты межгалактического пространства. Если бы мы могли каким-то образом подчинить себе вероятность определенных невероятных событий, то стало бы возможным все что угодно, в том числе путешествия со скоростью, превосходящей световую, и даже путешествия во времени. Достичь далеких звезд за секунды маловероятно, но при условии, что вы можете управлять квантовыми вероятностями по своему усмотрению, даже невозможное может стать делом привычным.
В основе квантовой теории лежит вероятность того, что все возможные события могут произойти независимо от степени их фантастичности и нелепости. Это же, в свою очередь, лежит в основе инфляционной теории – в момент Большого взрыва произошел квантовый переход в новое состояние, находясь в котором Вселенная внезапно невероятно расширилась. Видимо, вся наша Вселенная могла зародиться в результате маловероятного квантового скачка. Хотя Адамс писал в шутку, мы, физики, понимаем, что если бы можно было каким-то образом управлять этими вероятностями, то стали бы доступны трюки, неотличимые от волшебства. Но в настоящее время изменение вероятностей происхождения событий находится далеко за пределами возможностей нашей технологии.
Иногда я даю аспирантам университета задания попроще: например, вычислить вероятность того, что они внезапно дематериализуются и снова возникнут с другой стороны кирпичной стены. Согласно квантовой теории, существует малая, но исчисляемая вероятность того, что такое может произойти. Или, коли уж на то пошло, вероятность того, что мы исчезнем из своей гостиной и перенесемся на Марс. Согласно квантовой теории, в принципе можно внезапно материализоваться на Красной планете. Конечно же, эта вероятность настолько мала, что нам пришлось бы ждать дольше существования Вселенной. В результате в нашей повседневной жизни мы отбрасываем вероятность таких событий. Но на субатомном уровне такие вероятности жизненно необходимы для функционирования электроники, компьютеров и лазеров.
По сути, электроны регулярно дематериализуются и рематериализуются на другой стороне стенки в запчастях ваших компьютеров и компакт-дисков. В принципе, вся современная цивилизация потерпела бы крушение, если бы электроны не могли находиться в двух местах одновременно. (Молекулы, из которых состоят наши тела, тоже распались бы, не будь этого причудливого принципа. Представьте себе столкновение двух солнечных систем в космосе, происходящее согласно законам гравитации Ньютона. Столкнувшиеся солнечные системы распались бы и превратились в кучу хаотически разбросанных планет и астероидов. Подобным образом, если бы атомы действовали в соответствии с законами Ньютона, они бы распадались всякий раз, врезаясь в другой атом. Два атома объединяются в молекулу именно на основе способности электронов одновременно находиться в таком огромном количестве мест, что они образуют «электронное облако», которое удерживает атомы вместе. Таким образом, молекулы устойчивы, а Вселенная не разваливается потому, что электроны могут находиться во многих местах одновременно.)
Но если электроны могут существовать в параллельных состояниях, паря на грани существования и небытия, то почему не может то же самое происходить и с Вселенной? В конце концов, в какой-то момент Вселенная была меньше, чем электрон. Признав возможность применения квантового принципа к Вселенной, мы вынуждены принять во внимание существование параллельных вселенных.
Именно эта возможность рассматривается в волнующем научно-фантастическом романе Филипа Дика «Человек в высоком замке» (The Man in the High Castle). В книге существует другая вселенная, отделенная от нашей одним-единственным кардинальным событием. В той вселенной в 1933 году история изменяется, когда пуля наемного убийцы убивает президента Рузвельта в первый год после его избрания. Его обязанности берет на себя вице-президент Гарнер, который проводит политику изоляционизма, в военном отношении ослабляющую Соединенные Штаты. Не подготовившись к атаке на Перл-Харбор и так и не оправившись после потери флота, Соединенные Штаты в 1947 году вынуждены были подчиниться немцам и японцам. В конце концов США разделили на три части: германский рейх контролировал Восточное побережье, японцы – Западное, между которыми находилась тревожная граница – штаты Скалистых гор. В этой параллельной вселенной загадочный человек пишет книгу под названием «Саранча садится тучей» (The Grasshopper Lies Heavy), основанную на цитате из Библии, запрещенной нацистами. В книге говорится о другой вселенной, где Рузвельта не убивают, а Британия и Соединенные Штаты побеждают нацистов. Миссия героини заключается в том, чтобы выяснить, есть ли на деле другая вселенная, где царят свобода и демократия, а не тирания и расизм.
Сумеречная зона
Мир «Человека в высоком замке» и наш разделены крошечным несчастным случаем, одной-единственной пулей, вылетевшей из ружья убийцы-наемника. Однако возможно, что параллельный мир может отделять от нашего ничтожное событие: одно-единственное квантовое событие – воздействие космического луча.
В одном из эпизодов сериала «Сумеречная зона» человек просыпается и обнаруживает, что жена не узнает его. Она с криком выгоняет его, угрожая тем, что вызовет полицию. Бродя по городу, человек выясняет, что и закадычные друзья также не узнают его, будто бы он никогда и не существовал. В конце концов он заходит в гости к своим родителям, и это посещение потрясает его до глубины души. Родители заявляют, что они видят его впервые и вообще у них никогда не было сына. Оставшись без семьи, друзей и дома, герой бесцельно бродит по городу и в конце концов, как бездомный, засыпает на скамье в парке. Проснувшись на следующий день, он обнаруживает, что снова лежит в удобной постели рядом с женой. Однако, когда жена поворачивается к нему лицом, он с ужасом видит, что это вовсе не его жена, а совершенно незнакомая женщина, которой он никогда прежде не видел.
Возможны ли такие абсурдные ситуации? Может быть. Если бы главный герой «Сумеречной зоны» задал несколько откровенных вопросов своей матери, то, возможно, узнал бы, что у нее был выкидыш, а потому у нее действительно никогда не было сына. Иногда один-единственный космический луч, одна-единственная частица из открытого космоса может проникнуть глубоко в ДНК эмбриона и стать причиной мутации, которая вызовет выкидыш. В таком случае одно-единственное квантовое событие может разделить два мира – тот, где вы живете и являетесь нормальным и полезным гражданином, и еще один, абсолютно идентичный первому, где вы так и не были рождены.
Перемещение между этими мирами происходит в соответствии с законами физики. Но его вероятность астрономически мала. Однако, как вы видите, квантовая теория дает нам картину намного более странной вселенной, чем та, которую подарил нам Эйнштейн. В теории относительности сцена жизни, на которой мы играем свои роли, может быть сделана из резины, и актеры передвигаются между декорациями по кривой. Как и в мире Ньютона, актеры в мире Эйнштейна повторяют строчки написанных заранее ролей. Но в «квантовой» пьесе актеры внезапно выбрасывают свои сценарии и начинают делать что хотят. Марионетки обрывают свои нитки. Устанавливается царство свободной воли. Актеры могут исчезать и снова появляться на сцене. Что еще более странно, они могут обнаружить, что появляются в двух местах одновременно. Произнося свои реплики, актер никогда не может быть уверен, что партнер внезапно не исчезнет и не появится в другом месте.
Исполинский ум: Джон Уилер
За исключением разве что Эйнштейна и Бора, никто не вел более горячей борьбы с нелепостями и успешными моментами квантовой теории, чем Джон Уилер. Является ли физическая реальность всего лишь иллюзией? Существуют ли параллельные квантовые вселенные? В прошлом, не вдаваясь в подробности этих упрямых квантовых парадоксов, Уилер применял эти вероятности для конструирования атомной и водородной бомб, а также был пионером в изучении черных дыр. Джон Уилер был последним из гигантов, или, как когда-то назвал их его студент Ричард Фейнман, исполинских умов, который до сих пор борется с безумными следствиями квантовой теории.
Именно Уилер предложил термин «черная дыра» в 1967 году в Нью-Йорке на конференции в Институте космических исследований им. Годдарда, NASA, после открытия первых пульсаров{88}.
Уилер родился в 1911 году в Джексонвилле (штат Флорида). Его отец был библиотекарем, но инженерия была в крови у членов семьи. Три его дяди были горными инженерами и в своей работе часто использовали взрывчатые вещества. Сама идея использования динамита глубоко захватила Джона, он обожал наблюдать за взрывами. (Однажды он неосторожно экспериментировал с куском динамита, и тот случайно взорвался прямо у него в руке, оторвав один палец и фалангу другого. По случайному совпадению, когда Эйнштейн учился в школе, с ним произошел подобный случай: из-за неосторожности взрыв произошел прямо у него в руке, и потребовалось наложить несколько швов.)
В детстве Уилер был развит не по годам, он овладел основами математики и глотал все книги, какие ему только удавалось найти, по новой теории, о которой не переставая говорили его друзья, – квантовой механике. Прямо на его глазах новая теория переживала свое становление в Европе, ее разработкой занимались Нильс Бор, Вернер Гейзенберг и Эрвин Шрёдингер, внезапно раскрывший секреты атома. Всего лишь несколько лет назад последователи философа Эрнста Маха поднимали на смех саму идею существования атомов, утверждая, что никогда еще атомы не удавалось наблюдать в лабораторных условиях и что вообще они наверняка были всего лишь выдумкой. Чего нельзя увидеть, то и существовать наверняка не может, утверждали они. Великий немецкий физик Людвиг Больцман, заложивший основы термодинамики, покончил жизнь самоубийством в 1906 году отчасти из-за постоянных насмешек, с которыми ему приходилось иметь дело, проводя в жизнь концепцию атомов.
Затем всего за пару лет, с 1925 по 1927 год, было раскрыто множество секретов атомов. Современная история не знала случаев, чтобы прорывы такого масштаба были совершены за столь краткий промежуток времени (за исключением работы Эйнштейна в 1905 году). Уилер хотел принять участие в этом перевороте. Но он понимал, что Соединенные Штаты оставались за бортом достижений в области физики: в пределах страны не было ни единого физика мирового масштаба. Как и Дж. Роберт Оппенгеймер до него, Уилер уехал из Соединенных Штатов и отправился в Копенгаген, чтобы учиться у Мастера – Нильса Бора.
Эксперименты по изучению электронов показали, что электроны действуют и как частицы, и как волны. Секрет этой странной двойственности был в конце концов раскрыт квантовыми физиками: совершая свой танец вокруг атома, электрон виделся частицей, но эту частицу сопровождала загадочная волна. В 1925 году австрийский физик Эрвин Шрёдингер предложил уравнение (знаменитое уравнение Шрёдингера), которое в точности описывало движение волны, сопровождающей электрон. Эта волна, обозначаемая греческой буквой ψ, с ошеломительной точностью прогнозировала поведение атомов, что стало первой искрой, от которой вспыхнул пожар революции в физике. Внезапно, основываясь на самом элементарном знании, стало возможно вглядеться в атом и вычислить, сколько электронов танцуют на своих орбитах, совершая переходы и соединяя атомы в молекулы.
Квантовый физик Поль Дирак хвастливо пообещал, что физики скоро сведут всю химию к простой инженерии. Он заявил: «Основополагающие физические законы, составляющие математическую базу большей части физики и всей химической науки, уже известны. Единственная трудность состоит в том, что применение этих законов приводит к получению слишком сложных и не поддающихся решению уравнений»{89}. Как ни была внушительна эта ψ-функция, до сих пор оставалось загадкой, что же именно она представляла.
В конце концов в 1928 году Макс Борн выдвинул идею о том, что эта волновая функция представляла вероятность обнаружения электрона в любой заданной точке. Иными словами, вы никогда не могли быть точно уверены, где находится электрон; максимум, что вы могли сделать, – это вычислить его волновую функцию, которая давала вероятность его нахождения именно «там». Итак, если атомная физика могла быть сведена к волнам вероятности нахождения электрона «там» или «тут» и если электрон, по-видимому, мог находиться в двух местах одновременно, то как же нам в конце концов определить, где он действительно находится?
Бор и Гейзенберг в конце концов сформулировали полный набор рецептов в «кулинарной книге» физики, которые сработали в атомных экспериментах с потрясающей точностью. Волновая функция дает информацию только о вероятности того, что электрон находится «тут» или «там». Если для какой-то точки волновая функция велика, то это означает высокую вероятность того, что электрон находится именно там. (Если она мала, то маловероятно, что электрон находится там.) Например, если бы мы могли «видеть» волновую функцию человека, то она выглядела бы очень похожей на этого человека. Однако волновая функция также плавно распространяется и на космос, а это значит, что существует малая вероятность того, что человек окажется на Луне. (По сути, волновая функция человека распространяется по всей Вселенной.)
Это также означает, что волновая функция дерева может сообщить вам информацию о вероятности того, стоит ли оно или падает, но не может определенно ответить вам на вопрос, в каком же состоянии оно действительно находится. Однако здравый смысл говорит нам, что объекты находятся в каком-то определенном состоянии. Когда вы смотрите на дерево, оно определенно находится перед вами – либо стоит, либо падает, но не делает и то и другое одновременно.
Чтобы разрешить несовпадения между волнами вероятности и представлением о существовании, диктуемым нашим здравым смыслом, Бор и Гейзенберг предположили, что после измерения, совершенного далеким наблюдателем, волновая функция волшебным образом коллапсирует и электрон впадает в определенное состояние, то есть, посмотрев на дерево, мы видим, что оно действительно стоит. Иными словами, процесс наблюдения определяет конечное состояние электрона. Наблюдение жизненно необходимо для существования. После того как мы взглянем на электрон, его волновая функция коллапсирует; таким образом, он теперь находится в определенном состоянии, и больше нет нужды в волновых функциях.
Итак, постулаты Копенгагенской школы Бора можно суммировать приблизительно в следующем виде:
1. Вся энергия встречается в виде отдельных пучков энергии, называемых квантами. (Например, квантом света является фотон. Кванты слабого взаимодействия называются W– и Z-бозонами, квантом сильного взаимодействия является глюон, а квант гравитации называется гравитоном, который нам еще предстоит увидеть в лабораториях.)
2. Вещество представлено точечными частицами, но вероятность обнаружения этой частицы определяется волной. Сама волна, в свою очередь, подчиняется определенному волновому уравнению (такому, как волновое уравнение Шрёдингера).
3. Перед наблюдением объект существует во всех возможных состояниях одновременно. Чтобы определить, в каком состоянии находится объект, нам необходимо провести наблюдение, в результате которого волновая функция коллапсирует и объект войдет в определенное состояние. Сам акт наблюдения уничтожает волновую функцию, и объект приобретает реальную определенность. Волновая функция служит своей цели: она дает нам точную вероятность обнаружения данного объекта в конкретном состоянии.
Детерминизм или неопределенность?
Квантовая теория является самой успешной физической теорией всех времен. Совершенной формулировкой квантовой теории является Стандартная модель, в которой представлены плоды десятилетий экспериментов с ускорителями частиц. Некоторые части этой теории были проверены с точностью до миллиардных долей. Если включить сюда массу нейтрино, то Стандартная модель соответствует всем экспериментам с субатомными частицами без исключения.
Но независимо от того, насколько успешна квантовая теория, экспериментально она основана на постулатах, вызывавших целую бурю философских и теологических споров на протяжении последних 80 лет. В частности, второй постулат прогневил церковь, поскольку в нем содержится вопрос о том, кто решает наши судьбы. На протяжении веков философов, теологов и ученых волновало будущее, а также вопрос, возможно ли каким-либо образом узнать об ожидающей нас судьбе. В шекспировском «Макбете» Банко, отчаявшись приподнять завесу, скрывающую будущее, произносит памятные строки:
Шекспир написал эти слова в 1606 году. 80 лет спустя еще один англичанин, Исаак Ньютон, имел дерзость заявить, что ему известен ответ на этот древний вопрос. И Ньютон, и Эйнштейн верили в концепцию, называемую детерминизмом, которая утверждает, что все грядущие события могут быть определены в принципе. С точки зрения Ньютона, Вселенная представляла собой гигантские часы, которые Бог завел в начале времен. С тех пор они тикают, подчиняясь трем законам механики, самым предсказуемым образом. Французский математик Пьер Симон де Лаплас, который был ученым советником Наполеона, писал, что, используя законы Ньютона, можно предсказать будущее с той же точностью, с которой мы рассматриваем наше прошлое. Он написал, что если бы существо могло знать положение и скорость всех частиц во Вселенной, то «для такого интеллекта ничто не было бы неопределенным и будущее, как и наше прошлое, предстало бы перед нашими глазами»{90}. Когда Лаплас подарил Наполеону экземпляр своего шедевра – «Небесной механики» (Celestial Mechanics), император заметил: «Вы написали эту огромную работу о небесах и ни разу не упомянули Бога». На что Лаплас ответил: «Сир, у меня не было нужды в этой гипотезе».
Для Ньютона и Эйнштейна понятие свободной воли, того, что мы хозяева собственной судьбы, было лишь иллюзией. Это банальное понятие действительности, где конкретные объекты, до которых мы можем дотронуться, реальны и существуют в определенных состояниях, Эйнштейн назвал объективной реальностью. Он в высшей степени ясно изложил свою позицию в следующем отрывке:
Я детерминист, вынужденный действовать таким образом, будто свободная воля существует, поскольку, если я хочу жить в цивилизованном обществе, мне необходимо действовать соответственно. Я знаю, что с философской точки зрения на убийце не лежит ответственность за его преступления, но я бы не стал распивать с ним чай. Мою карьеру определили различные силы, над которыми я не властен, в первую очередь те загадочные железы, в которых природа готовит самую сущность жизни. Генри Форд может назвать это своим Внутренним Голосом, Сократ определил это как своего демона: каждый человек по-своему объясняет тот факт, что человеческая воля не свободна… Все определено… силами, над которыми мы не властны… в равной степени для насекомого и для звезды. Человеческие существа, овощи или космическая пыль – все мы танцуем под загадочное время, модулируемое где-то невидимым исполнителем{91}.
Теологи также боролись с этим вопросом. Большинство мировых религий верит в какую-то форму предопределенности, идею о том, что Бог не только всемогущ и вездесущ, но и всезнающ (ему известно все, даже будущее). В некоторых религиях это означает, что Богу известно, отправимся мы в ад или в рай, еще до нашего рождения. По сути, где-то на небесах существует «книга судеб», где перечислены все наши имена, даты рождения, наши провалы и триумфы, радости и поражения, даже даты смерти и будем ли мы жить в раю или будем осуждены на вечные муки.
(Этот тонкий теологический вопрос предопределенности частично способствовал расколу католической церкви в 1517 году, когда Мартин Лютер приколол 95 тезисов на дверях церкви в Виттенберге. В этом документе он критиковал практику продажи Церковью индульгенций – в сущности, взяток, которые мостили дорогу в рай богатым. Казалось, Лютер говорил, что, возможно, Богу известно наше будущее наперед и наши судьбы предопределены, но Бога нельзя убедить поменять свое решение, сделав щедрое пожертвование на нужды церкви.)
Но для физиков, принимающих концепцию неопределенности, наиболее противоречивым постулатом является третий – причина головной боли целых поколений физиков и философов. «Наблюдение» – это неопределенный слабовыраженный концепт. Более того, он полагается на тот факт, что в действительности существует два типа физики: одна для причудливого субатомного мира, где электроны, видимо, могут находиться в двух местах одновременно, и вторая – для макроскопического мира, в котором мы живем и который, видимо, подчиняется законам Ньютона, основанным на здравом смысле.
По Бору, существует невидимая стена, отделяющая мир атомов от обыденного знакомого макроскопического мира. В то время как в мире атомов действуют причудливые правила квантовой теории, мы живем с другой стороны стены – в мире четко определенных планет и звезд, где волны уже коллапсировали.
Уилеру, которому преподавали квантовую механику ее создатели, нравилось суммировать взгляды представителей этих двух школ. Он приводит пример трех судей на бейсбольном матче, которые обсуждают тончайшие правила игры. Вынося решение, они говорят:
Первый: Я называю их так, как вижу.
Второй: Я называю их тем, чем они являются.
Третий: Они – ничто до тех пор, пока я не назову их{92}.
Для Уилера второй судья – это Эйнштейн, который верил в существование абсолютной реальности за пределами человеческого опыта. Эйнштейн называет это объективной реальностью, то есть идеей, согласно которой объекты могут существовать в различных состояниях без вмешательства человека. Третий судья – это Бор, который считал, что реальность существует только после того, как имело место наблюдение.
Деревья в лесу
Физики иногда относятся к философам с некоторым пренебрежением, цитируя римлянина Цицерона, который когда-то сказал: «Не существует ничего абсурдного настолько, чтобы философы этого не произнесли». Математик Станислав Улам, который с пессимизмом относился к тому, что глупейшим концептам присваивались возвышенные имена, однажды сказал: «Безумие – это способность проводить четкие грани между различными видами вздора»{93}. Сам Эйнштейн однажды сказал по поводу философии: «Разве не похоже, что вся философия будто написана на меду? При созерцании она смотрится чудесно, но, взглянув снова, вы видите, что все исчезло. Остается только густая масса»{94}.
Физики также любят рассказывать апокрифическую историю о некоем ректоре университета, который пришел в ярость, увидев финансовую смету для физического, математического и философского факультетов{95}. Он сказал: «Почему это физикам все время нужно столько дорогостоящего оборудования? Вот смотрите, для математического факультета нужны деньги только на бумагу, карандаши и корзины для бумаг, а что касается факультета философии, так там дело обстоит еще лучше. Им даже не нужны корзины для бумаг».
Однако может случиться так, что смеяться последними будут все же философы. Квантовая теория не завершена и покоится на шатком философском основании. Эти квантовые расхождения требуют пересмотра работ таких философов, как епископ Беркли, который в XVIII веке заявил, что объекты существуют только потому, что есть люди, которые на них смотрят; такое философское течение называется солипсизмом или идеализмом. Если в лесу падает дерево, но нет никого, кто бы это увидел, то в действительности оно не падает, заявляют приверженцы такого подхода.
Теперь мы имеем дело с квантовой интерпретацией деревьев, падающих в лесу. До того как совершается акт наблюдения, вы не знаете, упало дерево или нет. По сути, дерево существует во всех возможных состояниях одновременно: оно может быть сожжено, свалено, распилено на дрова и опилки и так далее. Когда происходит наблюдение, дерево внезапно попадает в определенное состояние, и мы видим, что оно, к примеру, упало.
Сравнивая философские трудности теории относительности и квантовой теории, Фейнман однажды заметил: «Было время, когда в газетах писали, что всего лишь двенадцать человек понимают теорию относительности. Я не верю, что такое время было… С другой стороны, думаю, не ошибусь, если скажу, что никто не понимает квантовую механику»{96}. Он пишет, что квантовая механика «описывает природу как нелепицу с точки зрения здравого смысла. И это полностью согласуется с экспериментальной базой. Так что, я надеюсь, вы можете принимать природу такой, какая она есть, – нелепой»{97}. Это вызвало чувство неловкости у многих физиков-практиков, которые чувствуют себя так, будто строят целые миры на зыбучих песках. Стивен Вайнберг пишет: «Я признаю, что есть некоторый дискомфорт в том, что всю жизнь я работаю с теоретической основой, которая никому до конца не понятна»{98}.
В традиционной науке наблюдатель, глядя на мир, пытается оставаться настолько беспристрастным, насколько это возможно. (Как сказал один остряк, «вы всегда можете вычислить ученого в стрип-клубе, поскольку он один смотрит не на подиум, а на публику».) Но сейчас мы впервые видим, что невозможно разделить наблюдателя и предмет его наблюдения. Как однажды заметил Макс Планк, «наука не может разрешить основную загадку природы. Причина в том, что в конечном счете мы сами часть той загадки, которую пытаемся разрешить»{99}.
Проблема кота
Эрвин Шрёдингер, который, собственно, и ввел волновое уравнение, считал, что все это зашло слишком далеко. Он признался Бору, что сожалеет о том, что вообще ввел понятие волны, раз за ним в физику проник концепт вероятности.
Чтобы уничтожить идею вероятностей, он предложил следующий эксперимент. Представьте, что в ящике сидит кот. Внутри также находится бутылка с ядовитым газом, соединенная с молотом, который, в свою очередь, соединен со счетчиком Гейгера, помещенным рядом с куском урана. Никто не станет оспаривать тот факт, что радиоактивный распад атома урана – чисто квантовое событие, которое не может быть предсказано наперед. Пусть существует 50 %-ная вероятность, что распад начнется в следующую секунду. Но если начнется распад атома урана, то запустится счетчик Гейгера, который освободит молот, который разобьет бутылку, что станет причиной смерти кота. До того как вы откроете коробку, нельзя сказать, жив кот или мертв. В сущности, для того чтобы описать кота, физики добавляют волновую функцию к мертвому коту и к живому, то есть мы помещаем кота в жуткое состояние, где он на 50 % жив и на 50 % мертв одновременно.
Теперь откроем коробку. Как только мы взглянем внутрь, совершится акт наблюдения, произойдет коллапс волновой функции и мы увидим, что кот, к примеру, жив. Шрёдингеру все это казалось глупостью. Как может быть кот жив и мертв одновременно только потому, что мы на него не смотрим? Он начинает внезапно существовать, как только мы взглянем на него? Эйнштейну тоже не нравилась такая интерпретация. Когда к нему домой приходили гости, он говорил: посмотрите на луну. Неужели она внезапно начинает существовать, когда на нее взглянет мышь? Эйнштейн считал, что ответ на этот вопрос может быть только отрицательный. Но в каком-то смысле ответ мог быть и утвердительным.
История эта достигла апогея в историческом столкновении Эйнштейна и Бора на Сольвеевском конгрессе в 1930 году. Позднее Уилер заметит, что это был величайший известный ему спор в истории мысли. Он скажет, что за тридцать лет он никогда не слышал спора двух более великих людей по более глубокому вопросу, который имел бы более серьезные последствия для понимания Вселенной.
Эйнштейн, неизменно отважный, дерзкий и в высшей степени красноречивый, предложил ряд мысленных экспериментов, направленных на разрушение квантовой теории. Бор, беспрерывно бормотавший, после каждой атаки понемногу сдавал свои позиции. Физик Пауль Эренфест заметил: «Замечательно, что я был свидетелем диалогов между Бором и Эйнштейном, будто шахматист, сталкивающийся все с новыми и новыми ситуациями. Как некий вечный двигатель, намеренный прорвать завесу неопределенности, Бор все время выискивал в облаке философии средства опровергнуть примеры один за другим. Эйнштейн был каждое утро свеж, будто чертик, выскакивающий из коробочки. О, это было прекрасно. Но я практически безоговорочно за Бора и против Эйнштейна. Сегодня он ведет себя по отношению к Бору точно так же, как чемпионы абсолютной одновременности вели себя по отношению к нему самому»{100}.
Наконец Эйнштейн предложил эксперимент, который, по его мнению, должен был нанести завершающий удар по квантовой теории. Представьте, что в коробочке содержатся фотоны в виде газа. Если в коробке есть затвор-диафрагма, то оттуда может вылететь один фотон. Раз можно точно измерить скорость затвора, а также энергию фотона, то можно и определить состояние фотона с бесконечной точностью, что противоречит принципу неопределенности.
Эренфест писал: «Для Бора это оказалось тяжким ударом. На тот момент он не видел решения. Он был очень расстроен весь вечер, ходил от одного к другому, пытаясь убедить всех, что это не может быть правдой, потому что если Эйнштейн прав, то это ознаменовало бы конец физики как таковой. Но он никак не мог придумать опровержение. Я никогда не забуду зрелище, которое являли собой два оппонента, покидая университетский клуб. Эйнштейн, величественный, спокойно шагал с легкой иронической улыбкой, а Бор семенил рядом с ним, чрезвычайно расстроенный»{101}.
Когда несколько позже Эренфест встретил Бора, тот был неразговорчив; он только снова и снова повторял одно слово: «Эйнштейн… Эйнштейн… Эйнштейн».
На следующий день, после напряженной бессонной ночи, Бор смог найти крошечный изъян в аргументах Эйнштейна. После испускания фотона коробка становилась чуть легче, поскольку вещество и энергия были эквивалентны. Это означало, что коробка чуть поднималась под действием силы гравитации, поскольку, согласно теории гравитации самого Эйнштейна, энергия также обладала весом. Если вычислить неопределенность в весе и неопределенность в скорости затвора, то обнаруживалось, что коробка в точности повиновалась принципу неопределенности. По сути, Бор воспользовался теорией гравитации Эйнштейна, чтобы аргументы Эйнштейна же опровергнуть! Бор победил, Эйнштейн потерпел поражение.
Говорят, что, когда позднее Эйнштейн пожаловался, что «Бог не играет в кости с миром», Бор ему ответил: «Не нам указывать Богу, что ему делать». В конечном счете Эйнштейн признал, что Бор успешно опроверг его аргументы. Эйнштейн написал: «Я убежден, что в этой теории, несомненно, содержится зерно истины»{102}. (Однако Эйнштейн с пренебрежением относился к физикам, которые были не в состоянии оценить тонкие парадоксы, присущие квантовой теории. Однажды он написал: «Конечно, сегодня каждый плут считает, что знает ответ, но он обманывает себя»{103}.)
После этого спора, а также других споров с квантовыми физиками Эйнштейн в конце концов сдался, но избрал другой подход. Он признал, что квантовая теория верна, но лишь в определенной области, только в качестве приближенности к истине. Он хотел, чтобы квантовая теория оказалась поглощена более общей и сильной теорией – единой теорией поля, подобно тому как теория относительности обобщала (но не уничтожала) теорию Ньютона.
(Однако этот спор между Эйнштейном и Шрёдингером, с одной стороны, и Бором и Гейзенбергом, с другой, нельзя так просто сбрасывать со счетов, поскольку все эти мысленные эксперименты теперь осуществимы в лабораториях. Хотя ученые не могут добиться того, чтобы кот был одновременно жив и мертв, они могут управлять отдельными атомами при помощи нанотехнологий. Недавно эти сложнейшие эксперименты были проведены с наночастицей С60, известной как бакибол, содержащей 60 атомов углерода, а потому воздвигнутая Бором стена, разделяющая большие объекты и квантовые, стремительно разрушается. Физики-экспериментаторы сейчас размышляют над тем, что потребовалось бы для того, чтобы показать, что вирус, состоящий из тысяч атомов, может находиться в двух местах одновременно.)
Бомба
Самым неудачным образом все рассуждения по поводу этих занимательных парадоксов были прерваны выдвижением Гитлера в канцлеры в 1933 году и лихорадочной гонкой по созданию первой атомной бомбы. В течение многих лет было известно (из знаменитого уравнения Эйнштейна Е = mс²), что атом является закрытым хранилищем огромных количеств энергии. Но большинство физиков несерьезно относились к мысли об использовании этой энергии. Даже Эрнст Резерфорд, человек, открывший ядро атома, утверждал: «Энергия, освобождаемая при разбивании ядра атома, очень незначительна. Любой, кто рассчитывает найти источник энергии в трансформации атомов, несет вздор»{104}.
В 1939 году Бор предпринял судьбоносную поездку в Соединенные Штаты, приземлившись в Нью-Йорке для встречи со своим учеником Джоном Уилером. Бор вез зловещие новости: Отто Хан и Лиза Мейтнер доказали, что атом урана можно разбить надвое; в этом процессе, называемом расщеплением атома, освобождалась энергия. Бор и Уилер начали разрабатывать квантовую динамику ядерного деления. Поскольку все в квантовой теории основано на вероятности и случайности, они вычислили вероятность того, что нейтрон расщепит ядро урана, освободив тем самым два или более нейтронов, которые, в свою очередь, расщепят еще большее количество ядер атомов урана, в результате чего освободится еще больше нейтронов и так далее, что запустит цепную реакцию, способную разрушить целый город. (В квантовой механике никогда не знаешь, расщепит ли отдельный конкретный нейтрон атом урана, но можно с невероятной точностью вычислить вероятность того, что миллиарды атомов урана расщепятся в бомбе. В этом и состоит сила квантовой механики.)
Их квантовые расчеты показали, что существование атомной бомбы вполне возможно. Два месяца спустя Бор, Юджин Вигнер, Лео Силард и Уилер встретились в старом кабинете Эйнштейна в Принстоне, чтобы обсудить перспективы создания атомной бомбы. Бор считал, что для создания бомбы понадобятся ресурсы всей нации. (Через несколько лет Силард убедит Эйнштейна написать судьбоносное письмо президенту Франклину Рузвельту, где настоятельно рекомендовалось сконструировать атомную бомбу.)
В том же году нацисты, узнав о том, что огромное количество энергии, испускаемое атомом урана, может дать им непобедимое оружие, велели ученику Бора Гейзенбергу создать атомную бомбу для Гитлера. Неожиданно все разговоры о квантовых вероятностях распада стали в высшей степени серьезными: на карту была поставлена судьба всего человечества. На смену спорам о вероятности обнаружения живых котов пришли споры о вероятности расщепления урана.
В 1941 году, когда нацисты держали под контролем большую часть Европы, Гейзенберг тайно навестил своего старого преподавателя Бора в Копенгагене. До сих пор завеса тайны покрывает то, в каком ключе проходила их беседа; об этом написаны отмеченные наградами пьесы, а историки до сих пор спорят о содержании встречи. Предлагал ли Гейзенберг саботировать создание германской атомной бомбы? Или, наоборот, пытался завербовать Бора для работы по созданию атомной бомбы для нацистов? В 2002 году, шесть десятилетий спустя, завеса тайны над намерениями Гейзенберга была частично приподнята, когда родные Бора опубликовали его письмо, написанное Гейзенбергу в 1950-е годы, но так и не отправленное. В письме Бор вспоминал, что на той встрече Гейзенберг назвал победу нацистов неизбежной. Поскольку остановить махину нацизма нельзя, то было бы логично, если бы Бор работал на нацистов{105}.
Бор был потрясен и шокирован до глубины души. Дрожа от негодования, он отказался отдать свою работу над квантовой теорией в руки нацистов. Поскольку Дания находилась под контролем нацистов, Бор спланировал тайный побег на самолете, во время которого он чуть не задохнулся из-за нехватки кислорода.
А тем временем в Колумбийском университете Энрико Ферми доказал, что ядерная цепная реакция осуществима. Придя к этому выводу, он окинул взглядом Нью-Йорк и осознал, что одна-единственная бомба может полностью уничтожить знаменитый город. Когда Уилер увидел, как высоко поднялись ставки, он добровольно оставил Принстон и присоединился к Ферми в лаборатории под университетским стадионом Стэгт-Филд в Чикаго, где они вместе создали первый ядерный реактор, тем самым ознаменовав официальное начало ядерной эпохи.
На протяжении последовавших десяти лет Уилеру выпало стать свидетелем самых важных событий в ходе атомного противостояния. Во время войны он помогал контролировать строительство исполинского ядерного центра в Хэнфорде (штат Вашингтон), где вырабатывался сырой плутоний, необходимый для создания бомб, которые затем уничтожили Нагасаки. Еще через несколько лет он работал над созданием водородной бомбы и в 1952 году стал свидетелем первого ее взрыва, а также разрушений, вызванных сбросом кусочка Солнца на небольшой островок в Тихом океане. Однако, продержавшись более десяти лет на переднем крае истории, в конце концов Уилер все же вернулся к своей первой любви – загадкам квантовой теории.
Суммирование по траекториям
Одним из многих учеников Уилера в послевоенные годы был Ричард Фейнман, который нашел, возможно, простейший и в то же время самый глубокий способ суммировать сложности квантовой теории. (Одним из следствий стало присуждение Фейнману Нобелевской премии в 1965 году.) Представим, что вы хотите пройти через комнату. По Ньютону, вы просто-напросто выберете кратчайший путь от точки А к точке Б, называемый классическим. Но по Фейнману прежде всего вы должны учесть все возможные пути, соединяющие точки А и Б. Это означает, что вы должны принять во внимание пути, которые приведут вас на Марс, Юпитер, к ближайшей звезде, даже те пути, которые ведут назад во времени, к моменту Большого взрыва. Не имеет значения, насколько сумасшедшими и причудливыми будут эти пути, – вы все равно должны их учитывать. Затем Фейнман приписал каждому пути определенную величину, а также привел свод точных правил, руководствуясь которыми можно было бы эту величину определить. Самым чудесным образом, сложив эти величины всех возможных путей, вы находите вероятность перехода из точки А в точку Б, которая дается обычной квантовой механикой. Это было поистине замечательно. (В принципе Фейнман мог вывести волновое уравнение Шрёдингера, используя этот подход.)
Фейнман обнаружил, что сумма этих величин, приписываемых причудливым и противоречащим законам Ньютона путям, обычно уравновешивалась и давала небольшое число. Такова была природа квантовых флуктуаций – они представляли пути, сумма которых очень мала. Но Фейнман также обнаружил, что избранный на основе здравого смысла ньютоновский путь не уравновешивался, а обладал максимальной итоговой величиной – это был путь с наибольшей вероятностью. Таким образом, наше представление о физической вселенной, основанное на здравом смысле, является просто-напросто наиболее вероятным состоянием из бесконечного количества возможных. Но мы сосуществуем со всеми возможными состояниями, в том числе и с теми, что перенесли бы нас в эпоху динозавров, к ближайшей сверхновой или на окраину Вселенной. (Эти причудливые пути создают мельчайшие отклонения от ньютоновского пути, избранного на основе здравого смысла, но, к счастью, обладают очень малой вероятностью.)
Иными словами, как бы странно это ни выглядело, каждый раз, как вы идете через комнату, ваше тело заблаговременно «просчитывает» все возможные пути, даже те, что ведут к далеким квазарам и Большому взрыву, а затем все их складывает. Используя мощный математический аппарат, называемый функциональным интегрированием, Фейнман показал, что ньютоновский путь – всего лишь наиболее вероятный, но не единственный. Совершив блестящий математический подвиг, Фейнман смог доказать, что эта картина, какой бы ошеломляющей она ни казалась, полностью эквивалентна обычной квантовой механике.
Сила фейнмановского суммирования по траекториям состоит в том, что сегодня, когда мы формулируем теории великого объединения, инфляции и даже струн, мы пользуемся подходом Фейнмана, основанным на интегралах по траекториям. Этот метод преподают сейчас во всех университетах мира, и на сегодняшний день он является самым эффективным и удобным способом формулировки квантовой теории.
(Я сам каждый день в своих исследованиях пользуюсь подходом Фейнмана, основанным на обобщении интегралов по траекториям. Каждое уравнение, которое я пишу, выводится на основе суммирования по траекториям. Когда в бытность студентом я впервые узнал о подходе Фейнмана, он изменил мое ментальное представление о Вселенной. Умом я понимал абстрактную математику квантовой теории и общей теории относительности, но изменила мое мировоззрение именно та идея, что, просто проходя по комнате, я каким-то образом исследую пути, которые могут привести меня на Марс или к далеким звездам. Внезапно у меня появилась странная новая мысленная картина – самого себя, живущего в квантовом мире. Я начал понимать, что квантовая теория намного более заумна, чем сложнейшие следствия теории относительности.)
Когда Фейнман разработал эту причудливую формулировку, Уилер, который тогда был в Принстонском университете, бросился в Институт перспективных исследований к Эйнштейну, чтобы попытаться убедить его в элегантности и мощи этой новой картинки. Уилер взволнованно объяснил Эйнштейну новую теорию Фейнмана об обобщении интегралов по траекториям. Он не осознавал полностью, насколько дико эти слова звучали для Эйнштейна. Впоследствии Эйнштейн качал головой и повторял, что он все же не верит в то, что Бог играет в кости с миром. Эйнштейн признался Уилеру, что мог и ошибаться, но настаивал на том, что он вполне заработал себе право на ошибку.
Друг Вигнера
Большинство физиков пожимают плечами и разводят руками, сталкиваясь с заумными парадоксами квантовой механики. Для большинства практикующих ученых квантовая механика – это набор рецептов из «кулинарной книги», результатом применения которых являются правильные вероятности, определяемые со сверхъестественной точностью. Джон Полкинхорн, физик, ставший священником, сказал: «Средний квантовый механик философичен не в большей мере, чем обычный механик»{106}.
Однако некоторые из глубочайших физиков-мыслителей работали над этими вопросами. Например, существует несколько способов разрешения шрёдингеровской проблемы кота. Первый был предложен Нобелевским лауреатом Юджином Вигнером и др.: сознание определяет существование. Вигнер писал, что «невозможно было полностью последовательно сформулировать законы квантовой механики без учета сознания [наблюдателя]… само изучение внешнего мира вело к заключению, что содержание сознания является высшей реальностью»{107}. Или, как когда-то написал поэт Джон Китс, «ничто не реально до тех пор, пока не испытано»{108}.
Но в момент наблюдения что должно определить, в каком состоянии нахожусь я? Это означает, что кто-то еще должен наблюдать за мной, заставляя мою волновую функцию коллапсировать. Иногда этого «кого-то» называют «другом Вигнера». Но это также означает, что кто-то должен наблюдать и за другом Вигнера, и за другом друга Вигнера, и так далее. Существует ли космический разум, определяющий, наблюдая за всей Вселенной, полную последовательность «друзей»?
Андрей Линде, один из создателей инфляционной теории, – представитель как раз тех физиков, которые упорно верят в центральную роль сознания:
Я как человеческое существо не вижу ни единого довода, на основании которого мог бы заявить, что Вселенная находится здесь в отсутствие наблюдателей. Мы вместе – мы и Вселенная. Когда говорят, что Вселенная существует без всяких наблюдателей, я не вижу в этом никакого смысла. Я не могу представить связную теорию всего, в которой игнорируется сознание. Записывающее устройство не может играть роль наблюдателя, поскольку кто прочтет то, что записано на этом устройстве? Чтобы мы увидели, что что-либо происходит, и сказали друг другу, что что-либо происходит, нужна Вселенная, нужно записывающее устройство, нужны мы… В отсутствие наблюдателей Вселенная мертва…{109}
Согласно философии Линде, окаменелости динозавров не существуют до тех пор, пока на них не взглянешь. Но если на них взглянуть, то они «впрыгивают» в существование, будто они существовали миллионы лет назад. (Физики, придерживающиеся этой точки зрения, достаточно внимательны, чтобы указывать на то, что эта картина экспериментально соответствует тому миру, в котором окаменелостям динозавров и вправду миллионы лет.)
(Некоторые люди, не одобряющие введение фактора сознания в физику, заявляют, что камера может совершать наблюдение электрона, а потому волновые функции могут коллапсировать и без участия сознательных существ. Но тогда кто скажет, что камера существует? Нужна еще одна камера, чтобы «наблюдать» за первой камерой и заставить коллапсировать ее волновую функцию. Затем необходима вторая камера, чтобы наблюдать за первой, третья, чтобы наблюдать за второй, и так до бесконечности. Такое введение камер не отвечает на вопрос о том, каким образом коллапсирует волновая функция.)
Декогеренция
Способом практического разрешения этих тернистых философских вопросов, завоевывающим все большую популярность среди физиков, является декогеренция. Впервые это понятие было сформулировано немецким физиком Дитером Це в 1970 году. Он заметил, что в реальном мире нельзя отделить кота (все того же) от окружающей среды. Кот находится в постоянном контакте с воздухом, коробкой и даже космическими лучами, которые присутствуют при эксперименте. Вне зависимости от того, насколько малы эти взаимодействия, они оказывают радикальное влияние на волновую функцию: если волновая функция нарушена хотя бы в незначительной степени, то она распадается на две волновые функции – мертвого кота и живого кота, – которые более не взаимодействуют. Це показал, что столкновения с одной-единственной молекулой воздуха достаточно, чтобы волновая функция коллапсировала, вызвав немедленное разделение волновых функций живого кота и мертвого, которые больше не взаимодействуют друг с другом. Иными словами, еще до того, как вы откроете коробку, кот уже вступил в контакт с молекулами воздуха и отсюда уже жив или мертв.
Це принадлежит ключевое наблюдение, он заметил то, что было упущено: чтобы кот был одновременно и мертв, и жив, его волновая функция должна вибрировать с практически полной синхронизацией, это состояние называется когеренцией. Но экспериментально это практически невозможно. Создать когерентные объекты, вибрирующие в унисон, в лабораторных условиях чрезвычайно сложно. (В действительности сложно получить больше горсточки когерентно вибрирующих атомов из-за взаимодействия с внешним миром.) В реальном мире объекты взаимодействуют с окружающей средой, и малейшее взаимодействие с внешним миром может нарушить две образовавшиеся волновые функции, и они начнут «декогерировать», то есть рассинхронизируются и разделятся. Це показал, что, как только две волновые функции перестают вибрировать в фазе друг с другом, они более не взаимодействуют между собой.
Множественность миров
Поначалу понятие декогеренции кажется весьма удовлетворительным: теперь волновая функция коллапсирует не через сознание, а через беспорядочное взаимодействие с внешним миром. Но это не решает фундаментального вопроса, беспокоившего еще Эйнштейна: как природа «выбирает», в какое состояние коллапсировать? Когда молекула воздуха ударяет кота, кто или что определяет финальное состояние кота? По этому вопросу теория декогеренции просто утверждает, что две волновые функции разделяются и более не взаимодействуют между собой, но она не отвечает на первоначальный вопрос: мертв кот или жив? Иными словами, декогеренция делает присутствие сознания ненужным в квантовой механике, но она не решает вопрос, беспокоивший Эйнштейна: каким образом природа «выбирает» финальное состояние кота? В ответ на этот вопрос теория декогеренции просто хранит молчание.
Однако существует естественное расширение декогеренции, которое разрешает данный вопрос; сегодня оно приобретает все более широкое признание среди физиков. Этот подход был предложен еще одним учеником Уилера, Хью Эвереттом III, который оговорил возможность того, что кот может быть одновременно и жив, и мертв в двух различных вселенных. Когда в 1957 году Эверетт закончил свою диссертацию, ее едва заметили. Однако со временем интерес к теории множественности миров начал расти. Сегодня эта теория вызвала прилив обновленного интереса к парадоксам квантовой теории.
Согласно этой совершенно новой интерпретации, кот одновременно и жив, и мертв по той причине, что вселенная распалась на две. В одной вселенной кот мертв; в другой он жив. В сущности, в каждый момент времени вселенная расщепляется надвое, становясь звеном в бесконечной череде расщепляющихся вселенных. Согласно этому сценарию, все вселенные возможны, каждая из них так же реальна, как и любая другая. Люди, живущие в каждой вселенной, могут яростно утверждать, что именно их вселенная реальна, а все остальные лишь воображаемые или ненастоящие. Эти параллельные вселенные – не эфемерно существующие призрачные миры; в каждой вселенной мы видим столь же реальные и объективные твердые предметы и столь же реальные и объективные конкретные события, как и в любой другой.
Преимуществом этой интерпретации является тот факт, что мы можем опустить условие номер три – коллапс волновой функции. Волновые функции никогда не коллапсируют, они продолжают развиваться, вечно распадаясь на новые и новые волновые функции в бесконечном древе распада, каждая ветвь которого представляет целую вселенную. Большим преимуществом теории множественности миров является то, что она проще, чем копенгагенская интерпретация: здесь не нужен коллапс волновой функции. Но цена, которую мы платим за это, – та, что теперь у нас есть вселенные, все время распадающиеся на миллионы ветвей. (Некоторым сложно понять, каким образом вести учет этих множащихся вселенных. Однако волновое уравнение Шрёдингера решает это автоматически. Отслеживая развитие волнового уравнения, мы сразу находим все многочисленные ветви волны.)
Если эта интерпретация верна, то в этот самый момент ваше тело сосуществует с волновыми функциями динозавров, сцепившихся в смертельной схватке. Вместе с вами в комнате сосуществует волновая функция того мира, в котором немцы выиграли Вторую мировую войну, в котором бродят инопланетные пришельцы, в котором вы никогда так и не родились. Среди вселенных, существующих в вашей гостиной, находятся миры и «Человека в высоком замке», и «Сумеречной зоны». Загвоздка в том, что мы не можем с ними взаимодействовать, поскольку они от нас декогерировали.
Как сказал Алан Гут, «существует вселенная, где Элвис все еще жив»{110}. Физик Фрэнк Вильчек написал: «Нас преследует сознание того, что бесконечное количество чуть-чуть отличающихся от нас копий нас самих живет своими параллельными жизнями, а также то, что в каждый момент еще больше двойников начинают свое существование, занимая место в одном из наших возможных вариантов будущего»{111}. Он замечает, что история греческой цивилизации, а отсюда и всего западного мира, могла быть иной, если бы Елена Троянская была не такой пленительной красавицей, а имела уродливую бородавку на носу. «Что же, бородавки могут возникнуть как результат мутаций в отдельных клетках, часто вызванных пребыванием под лучами солнца, несущими ультрафиолет». Он продолжает: «Вывод: существует много, много миров, в которых у Елены Троянской была бородавка на кончике носа».
Мне вспоминается отрывок из классического научно-фантастического произведения Олафа Стэплдона «Создатель звезд» (Star Maker): «Каждый раз, когда существо встречалось с несколькими возможными путями действия, оно избирало их все, таким образом создавая много… самостоятельных историй космоса. Ибо в каждом процессе эволюционного развития в космическом пространстве существовало много созданий, и каждое из них постоянно сталкивалось с выбором из многих возможных путей, и комбинации всех этих путей были бесчисленны, представляя собой бесконечность отдельных вселенных, отслаивающихся в каждый момент каждого отрезка времени»{112}.
Голова идет кругом, когда мы понимаем, что, согласно этой интерпретации квантовой механики, все возможные миры сосуществуют вместе с нами. Хотя для того, чтобы достичь иных миров, может понадобиться портал-червоточина, эти квантовые реальности существуют в той самой комнате, где мы живем. Они сосуществуют с нами, куда бы мы ни пошли. Ключевой вопрос вот в чем: если это правда, то почему мы не видим эти иные вселенные, наполняющие нашу гостиную? А вот здесь вступает в дело декогеренция: наша волновая функция декогерировала с этими иными мирами (то есть эти волны больше не находятся в фазе друг с другом). У нас больше нет контакта с ними. Это означает, что даже малейшее взаимодействие с окружающей средой исключит взаимодействие различных волновых функций друг с другом. (В главе 11 я привожу возможное исключение из этого правила, с помощью которого разумным существам может удаться путешествие между квантовыми реальностями.)
Не кажется ли это слишком странным, чтобы быть возможным? Нобелевский лауреат Стивен Вайнберг проводит параллель между теорией множественности миров и радио. Вокруг вас сотни различных радиоволн, передаваемых далекими станциями. В любой заданный момент ваш офис, машина или гостиная заполняется этими радиоволнами. Однако если вы включите приемник, то сможете слушать радиоволны только на одной частоте в данный момент; остальные частоты декогерировали и больше не находятся в фазе друг с другом. Все станции обладают различной энергией, различной частотой. В результате ваш приемник в каждый конкретный момент времени может принимать вещание только на одной частоте.
Подобным образом в нашей Вселенной и мы «настроены» на частоту, которая соответствует физической реальности. Но есть бесконечное количество параллельных реальностей, сосуществующих в одной комнате вместе с нами, хотя мы не можем «настроиться на них». Эти миры очень похожи друг на друга, но в каждом из них атомы обладают различной энергией. А поскольку каждый мир состоит из триллионов и триллионов атомов, это означает, что различие в энергии может быть довольно велико. Поскольку частота этих волн пропорциональна их энергии (по закону Планка), то это означает, что волны каждого мира вибрируют с различной частотой и больше не могут взаимодействовать. Фактически волны этих различных миров не взаимодействуют друг с другом и не влияют друг на друга.
Что удивительно, принимая эту странную точку зрения, ученые могут прийти к тем же результатам, что и с помощью копенгагенского подхода, без всякой нужды в коллапсе волновой функции. Иными словами, эксперименты, проведенные как в соответствии с копенгагенской интерпретацией, так и в соответствии с интерпретацией теории множественности миров, принесут в точности совпадающие результаты. Коллапс волновой функции Бора в математическом отношении эквивалентен действию окружающей среды. Иными словами, кот Шрёдингера может быть мертв или жив одновременно, если мы каким-либо образом изолируем кота от возможного воздействия каждого атома или космического луча. Конечно, на практике это неосуществимо. Как только кот вступит в контакт с космическим лучом, волновая функция живого кота и волновая функция мертвого кота декогерируются и будет казаться, что волновая функция коллапсировала.
Вещество из информации
В обстановке возродившегося интереса к проблеме измерения в квантовой теории Уилер стал большим авторитетом в области квантовой физики. Он стал появляться на многочисленных конференциях, организованных в его честь. Сторонники движения нью-эйдж, которых вдохновляла идея фактора сознания в физике, даже провозгласили Уилера своим гуру. (Однако он не всегда был рад таким ассоциациям. Однажды Уилер сильно расстроился, обнаружив, что находится в списке приглашенных вместе с тремя парапсихологами. Он не замедлил высказать свое мнение по этому поводу, и в его речи прозвучала фраза «Нет дыма без дыма»{113}.)
После 70 лет массовых размышлений над парадоксами квантовой теории Уилер первым признал, что он не знает ответов на все вопросы. Он продолжает подвергать сомнению собственные предположения. Когда его спросили о проблеме измерения в квантовой механике, он ответил: «Меня просто сводит с ума этот вопрос. Я признаю, что иногда я на сто процентов серьезно воспринимаю идею о том, что мир – это плод воображения, но в другие моменты мне кажется, что мир существует вне зависимости от нас. Однако я от всей души готов подписаться под словами Лейбница: "Этот мир может быть иллюзией, а существование – не более чем сном, но этот сон или иллюзия для меня достаточно реальны при условии, что мы не будем введены ими в заблуждение, правильно используя разум"»{114}.
Сегодня теория множественности миров, или теория декогеренции, завоевывает все большую популярность среди физиков. Но Уилер обеспокоен тем, что для нее требуется «слишком много лишнего багажа». Он играет с еще одним объяснением проблемы кота Шрёдингера. Он называет свою теорию «Вещество из информации». Это нетрадиционная теория, которая основывается на предположении о том, что информация находится у истоков всего бытия. Когда мы смотрим на луну, галактику или атом, их сущностью, согласно Уилеру, является заключенная в них информация. Но эта информация начала свое существование, когда Вселенная обратила свой взор на саму себя. Уилер рисует круговую диаграмму, иллюстрирующую теорию Вселенной. Существование Вселенной началось в тот момент, когда она стала объектом наблюдения. Это означает, что оно (вещество Вселенной) возникло в тот момент, когда информация (бит) Вселенной была замечена. Он называет эту теорию моделью Вселенной, основанной на взаимном участии. Идея заключается в том, что Вселенная приспосабливается к нам таким же образом, как и мы приспосабливаемся к ней; в том, что само наше присутствие обусловливает возможность существования Вселенной. (Пока не достигнут консенсус по поводу проблемы измерения в квантовой механике, в отношении теории «Вещество из информации» большинство физиков занимает позицию «поживем – увидим».)
Квантовые компьютеры и телепортация
Такие философские дискуссии могут показаться безнадежной софистикой, без малейшей возможности практического применения в нашем мире. Только вместо того, чтобы спорить о том, сколько ангелов может танцевать на кончике иглы, квантовые физики, кажется, обсуждают то, в скольких местах одновременно может находиться электрон.
Однако это не праздные измышления ученых в башне из слоновой кости. Когда-нибудь эти идеи могут найти самое что ни на есть практическое применение – стать двигателем мировой экономики. Когда-нибудь богатство всех наций может оказаться зависимым от тонкостей проблемы кота Шрёдингера. К тому времени, возможно, наши компьютеры уже будут производить расчеты в параллельных вселенных. Сегодня почти вся компьютерная инфраструктура базируется на силиконовых транзисторах. Закон Мура, который гласит, что компьютерная мощность удваивается каждые полтора года, на данный момент верен потому, что мы можем всаживать в кремниевые чипы все меньшие и меньшие транзисторы при помощи ультрафиолетовых лучей. Хотя закон Мура продолжает потрясать технологический пейзаж, его действие не может длиться вечно. В самом современном чипе используется слой в 20 атомов. В течение 15–20 лет ученые смогут задействовать слои, возможно, в 5 атомов. На таких неимоверно малых расстояниях нам придется уйти от ньютоновской и руководствоваться принципами квантовой механики, где вступает в силу принцип неопределенности Гейзенберга. В результате мы больше не будем знать, где находится электрон. Это означает, что будут происходить короткие замыкания в тот момент, когда электроны будут выскакивать из диэлектриков и полупроводников, вместо того чтобы оставаться внутри них.
Когда-нибудь возможности электроники, основанной на кремнии, исчерпаются. И это возвестит приход квантовой эры. Кремневая долина может прийти в упадок. Когда-нибудь нам, возможно, придется считать на самих атомах, что приведет к полному изменению архитектуры компьютера. Сегодня компьютеры основаны на двоичной системе исчисления – любое число представляется нулями и единицами. У атомов же спин может быть направлен вверх, вниз или в стороны одновременно. На смену компьютерным битам (нулям и единицам) могут прийти кубиты (любое число между единицей и нулем), что сделает вычисления с помощью квантовых компьютеров намного более продуктивными, чем при помощи обычных компьютеров.
Для примера: квантовый компьютер мог бы потрясти самое основание международной безопасности. Сегодня большие банки, транснациональные корпорации и индустриальные страны кодируют свои секретные данные при помощи сложных компьютерных алгоритмов. Многие секретные коды построены на разложении на множители огромных чисел. Современному компьютеру понадобились бы века для того, чтобы разложить на множители, скажем, стозначное число. Но для квантового компьютера такие вычисления не представляют никакой сложности, а потому при помощи квантового компьютера можно с легкостью взломать любые секретные коды.
Чтобы представить, каким образом функционирует квантовый компьютер, давайте скажем, что мы выстроим в ряд несколько атомов, спины которых однонаправлены в магнитном поле. Затем мы просвечиваем их лазером таким образом, что многие из спинов перевернутся в момент, когда лазерный луч отразится от атомов. Измерив отраженный свет лазера, мы записываем сложную математическую операцию – рассеивание света атомами. Если мы рассчитаем этот процесс, используя квантовую теорию, вслед за Фейнманом мы должны сложить все возможные положения атомов, вращающихся во всех возможных направлениях. Даже простой квантовый подсчет, для которого потребовались бы доли секунды, на обычном компьютере выполнить практически невозможно вне зависимости от того, сколько времени для этого будет отведено.
В принципе, как подчеркнул Дэвид Дойч из Оксфорда, это означает, что, когда мы начнем пользоваться квантовыми компьютерами, нам придется складывать все возможные параллельные вселенные. Хотя мы не можем вступить в прямой контакт с этими другими вселенными, атомный компьютер мог бы их вычислить при помощи положений спинов в параллельных вселенных. (Хотя мы некогерентны с другими вселенными в нашей гостиной, атомы квантового компьютера по своей конструкции когерентно вибрируют в унисон.)
Потенциал квантовых компьютеров поистине ошеломляет, да и на практике масштабы возникающих проблем столь же велики. В настоящий момент мировой рекорд по числу атомов, использующихся в квантовом компьютере, равен семи. В лучшем случае на этом квантовом компьютере мы можем умножить три на пять и получить пятнадцать, что вряд ли произведет большое впечатление. Чтобы квантовый компьютер стал сравним по мощности со стандартным современным лэптопом, необходимы сотни, а возможно, и миллионы атомов, вибрирующих когерентно. Поскольку столкновение даже с одной-единственной молекулой воздуха может стать причиной того, что атомы компьютера декогерируют, необходимы чрезвычайно стерильные условия для изоляции атомов от воздействия окружающей среды. (Чтобы сконструировать квантовый компьютер, по скорости превосходящий современные компьютеры, понадобятся тысячи, а то и миллионы атомов, а потому от реальных квантовых компьютеров нас отделяют по меньшей мере десятилетия.)
Квантовая телепортация
В конечном итоге может быть найдено практическое применение, на первый взгляд, бессмысленному обсуждению физиками параллельных квантовых вселенных: квантовая телепортация. «Транспортер», использовавшийся для перевозки людей и оборудования в «Звездном пути» (Star Trek) и научно-фантастических программах, кажется чудесным средством, позволяющим преодолеть огромные расстояния. Но как ни маняще звучит идея телепортации, физиков она приводит в замешательство, поскольку, кажется, противоречит принципу неопределенности. Проводя измерение атома, вы нарушаете его состояние, а потому точная копия создана быть не может.
Но ученые обнаружили брешь в этом аргументе в 1993 году с помощью так называемой квантовой запутанности. Она основана на старом эксперименте, предложенном в 1935 году Эйнштейном и его коллегами Борисом Подольским и Натаном Розеном (так называемый парадокс Эйнштейна – Подольского – Розена, или ЭПР-парадокс) для того, чтобы продемонстрировать, насколько в действительности безумна квантовая теория. Допустим, произошел взрыв и два электрона разлетаются в противоположных направлениях с околосветовой скоростью. Поскольку электрон может крутиться как волчок, допустим, что их спины связаны, то есть если ось спина одного электрона направлена вверх, то ось спина второго направлена вниз (таким образом, что общий спин равен нулю). Однако до измерения мы не знаем, в каком направлении вертится каждый электрон.
Теперь подождем несколько лет. К этому времени два электрона будут находиться на расстоянии многих световых лет друг от друга. Если теперь мы измерим спин одного электрона и обнаружим, что его ось направлена вверх, мы тут же поймем, что ось спина второго направлена вниз (и наоборот). В сущности, тот факт, что один электрон вращается вверх, заставляет второй электрон вращаться вниз. Это означает, что теперь мы узнаем нечто об электроне, находящемся на расстоянии многих световых лет, мгновенно. (Полное впечатление, что информация путешествовала со скоростью, превышающей скорость света, а это явное нарушение специальной теории относительности Эйнштейна.) При помощи тщательно построенного доказательства Эйнштейну удалось показать, что, совершая последовательные измерения одной пары электронов, можно нарушить принцип неопределенности. Что более важно, он показал: квантовая механика еще более причудлива, чем кто-либо мог себе представить.
Вплоть до того самого момента физики считали, что Вселенная была локальной, что возмущения в одной ее части распространялись от источника лишь на небольшое расстояние. Эйнштейн показал, что квантовая механика по своей сути нелокальна – возмущения из одного источника могут мгновенно влиять на далекие уголки Вселенной. Эйнштейн назвал это «призрачным действием на расстоянии», которое посчитал абсурдным. Таким образом, Эйнштейн уверял, что квантовая теория неверна.
(Критики квантовой механики считали, что парадокс Эйнштейна – Подольского – Розена разрешим при таком допущении: если бы наши инструменты были достаточно чувствительны, то они действительно смогли бы определить, в каком направлении вращаются электроны. Значит, кажущаяся неопределенность спина и положения электрона – просто фикция, результат того, что наши инструменты слишком грубы. Они ввели концепцию скрытых переменных, то есть должна существовать скрытая субквантовая теория, в которой неопределенности не существует вообще, и в основе этой теории лежат новые, так называемые скрытые переменные.)
Ставки неимоверно возросли в 1964 году, когда физик Джон Белл подверг ЭПР-парадокс и скрытые переменные суровому испытанию. Он показал, что при проведении ЭПР-эксперимента должно существовать численное соответствие между спинами двух электронов, зависящее от того, какая теория использовалась. Если теория скрытых переменных была верна, то спины должны были иметь одно соотношение. Если была правильна квантовая механика, то соотношение спинов должно было быть иным. Иными словами, судьба всей квантовой механики (основы всей современной атомной физики) зависела бы от одного-единственного эксперимента.
Но эксперименты окончательно доказали, что Эйнштейн ошибался. В начале 1980-х годов Ален Аспе и его коллеги во Франции поставили ЭПР-эксперимент. В эксперименте использовались два детектора, расположенные на расстоянии 13 м, которые измеряли спины фотонов, испускаемых атомами кальция. В 1997 году ЭПР-эксперимент был поставлен с детекторами, расположенными на расстоянии 11 км. В обоих случаях победила квантовая теория. Определенная форма знания действительно перемещается быстрее света. (Хотя Эйнштейн ошибался насчет ЭПР-эксперимента, он был прав в вопросе более существенного масштаба – о сообщении, проходящем быстрее света. Хоть ЭПР-эксперимент и дает возможность узнать что-либо о другой стороне галактики, он не позволяет таким способом посылать сообщения. К примеру, вы не можете таким образом отсылать азбуку Морзе. В сущности, «ЭПР-передатчик» отсылал бы только беспорядочные сигналы, поскольку измеряемые спины будут другими каждый раз, как вы их измеряете. ЭПР-эксперимент позволяет получить информацию о другой стороне галактики, но он не позволяет передавать полезную, не беспорядочную информацию.)
Белл для описания этого эффекта приводил пример математика по имени Бертельсман. У того была необычная привычка каждый день надевать на одну ногу синий носок, а на другую – зеленый, в случайном порядке. Если вы замечаете, что на левой ноге у него синий носок, то вы сразу же, быстрее света, получаете информацию о том, что другой его носок – зеленый. Но это знание отнюдь не позволяет вам таким же образом сообщать информацию. Обнаружение информации отличается от ее пересылки. ЭПР-эксперимент не означает, что мы можем сообщать информацию путем телепатии, путешествия быстрее света или путешествия во времени. Но он все же означает, что для нас невозможно полностью отрешиться от единства Вселенной.
Эксперимент заставляет нас принять другую картину нашей Вселенной. Существует космическая запутанность между каждым атомом нашего тела и атомами, которые находятся на расстоянии световых лет от нас. Поскольку все вещество произошло из одного источника – Большого взрыва, то в каком-то смысле все атомы нашего тела связаны с атомами на другом конце Вселенной при помощи космической квантовой паутины. Запутанные частицы чем-то похожи на близнецов, все еще связанных между собой пуповиной (волновой функцией), которая может быть длиной во много световых лет. Происходящее с одним близнецом автоматически воздействует и на другого, а отсюда знание об одной частице может незамедлительно предоставить информацию о ее двойнике. Запутанные частицы ведут себя так, как если бы они представляли собой единый объект, хотя они и могут быть разделены неимоверными расстояниями. (Если выразиться точнее, то можно сказать, что, поскольку волновые функции частиц в Большом взрыве были когда-то связаны и когерентны, эти волновые функции все еще могут быть частично соединены миллиарды лет спустя после Большого взрыва таким образом, что возмущения в одной части волновой функции способны воздействовать на другую часть той же волновой функции.)
В 1993 году ученые предложили использовать концепцию ЭПР-запутанности для создания устройства, с помощью которого можно совершать квантовую телепортацию. В 1997 и 1998 годах исследователи из Калифорнийского технологического института, Орхусского университета в Дании и Университета Уэльса совершили первую экспериментальную демонстрацию квантовой телепортации. В ходе эксперимента отдельный фотон был телепортирован через стол. Сэмюель Браунштейн, принимавший участие в организации эксперимента, сравнил запутанные пары с любовниками, «которые знают друг друга настолько хорошо, что могут ответить за свою вторую половину, даже если их разделяют огромные расстояния»{115}.
(Для экспериментов в области квантовой телепортации необходимы три объекта – А, В и С. Пусть В и С – запутанные близнецы. Хоть они и могут находиться на огромном расстоянии друг от друга, они все же остаются запутанными. Пусть теперь В вступит в контакт с А, который, собственно, является объектом телепортации. В «сканирует» А, и информация, содержащаяся в А, переносится в В. Затем эта информация автоматически передается близнецу С. Таким образом, С превращается в точную копию А.)
В области исследований квантовой телепортации наблюдается большой прогресс. В 2003 году ученым Женевского университета в Швейцарии удалось телепортировать фотоны на расстояние 2 км через оптоволоконный кабель. Фотоны света (при длине волны 1,3 мм) в одной лаборатории были телепортированы в другие фотоны с другой длиной волны (1,55 мм) в другую лабораторию, связанную с первой оптоволоконным кабелем. Николас Гизин, физик, принимавший участие в этом проекте, сказал: «Возможно, объекты больших размеров, такие как молекула, и будут телепортированы до моей смерти, но по-настоящему большие объекты не поддаются телепортации при использовании обозримых технологий».
Еще один важный прорыв был совершен в 2004 году, когда ученые из Национального института стандартов и технологий телепортировали не просто квант света, а целый атом. Их основным достижением стало то, что они успешно запутали три атома бериллия и смогли перенести характеристики одного атома в другой.
Область практического применения квантовой телепортации потенциально невероятно велика. Однако необходимо отметить, что существует несколько проблем, препятствующих ее применению. Во-первых, объект-оригинал уничтожается в ходе телепортации, а потому нельзя создать много точных копий телепортируемого объекта. Возможно создание только одной копии. Во-вторых, телепортировать объект быстрее света нельзя. Теория относительности действует и для квантовой телепортации. (Чтобы телепортировать объект А в объект С, для их соединения все же необходим объект-посредник В, а его скорость меньше скорости света.) В-третьих, возможно, наиболее важным ограничением для квантовой телепортации выступает тот же фактор, который служит препятствием для создания квантовых компьютеров: рассматриваемые объекты должны быть когерентны. Любое соприкосновение с окружающей средой прервет процесс телепортации. Но вполне вероятно, что в течение XXI века удастся телепортировать первый вирус.
При телепортации человеческого существа мы можем столкнуться с другими проблемами. Браунштейн замечает: «На данный момент ключевым моментом является количество вовлеченной информации. Даже если мы будем использовать самые лучшие каналы связи, какие только можем себе представить, для передачи всей этой информации нам понадобится время, сравнимое с возрастом нашей Вселенной».
Волновая функция Вселенной
Но, возможно, полное осознание квантовой теории произойдет, если мы применим квантовую механику не к отдельному фотону, а к целой Вселенной. Стивен Хокинг даже пошутил, что каждый раз, как он слышит о проблеме кота, он тянется за ружьем. Он предложил свое решение проблемы – существование волновой функции Вселенной. Если вся Вселенная является частью волновой функции, то отпадает надобность в существовании наблюдателя (который должен находиться за пределами Вселенной).
В квантовой теории каждая частица связана с волной. Эта волна, в свою очередь, дает информацию о вероятности обнаружения частицы в любой точке. Однако, когда Вселенная была еще очень молода, она была меньше субатомной частицы. Тогда, возможно, у самой Вселенной тоже есть волновая функция. Поскольку электрон может существовать во многих состояниях одновременно и поскольку Вселенная была меньше электрона, то, возможно, Вселенная также существовала одновременно во многих состояниях, что и описывала сверхволновая функция.
Это вариация теории множественности миров: не нужно вводить космического наблюдателя, который может мгновенно охватить взглядом всю Вселенную. Но волновая функция Хокинга значительно отличается от волновой функции Шрёдингера. В волновой функции Шрёдингера в каждой точке пространства-времени существует волновая функция. Вместо ψ-функции Шрёдингера, которая описывает все возможные состояния электрона, Хокинг вводит такую ψ-функцию, которая представляет все возможные состояния Вселенной. В обычной квантовой механике электрон существует в обычном пространстве. Однако в волновой функции Вселенной эта волновая функция существует в сверхпространстве – пространстве всех возможных вселенных, введенном Уилером.
Эта главная волновая функция (родительница всех волновых функций) подчиняется не уравнению Шрёдингера (которое работает только для одиночных электронов), а уравнению Уилера – де Витта, которое применимо для всех возможных вселенных. В начале 1990-х годов Хокинг написал, что он смог частично разрешить волновую функцию Вселенной и показать, что наиболее вероятной вселенной была та, где космологическая константа стремилась к нулю. Эта работа вызвала некоторые споры, поскольку она опиралась на суммирование всех возможных вселенных. Хокинг представил эту сумму, включив в нее порталы-червоточины, соединяющие нашу Вселенную со всеми возможными вселенными. (Представьте себе бесконечный океан мыльных пузырей, парящих в воздухе и соединенных тонкими нитями или порталами-червоточинами, а потом сложите их все вместе.)
В конечном счете возникли сомнения по поводу претенциозного метода Хокинга. Было замечено, что сумма всех возможных вселенных математически недостоверна, во всяком случае, до тех пор, пока у нас нет теории всего, которой мы могли бы руководствоваться.
Критики считают, что до тех пор, пока не создана теория всего, нельзя полагаться ни на какие вычисления, касающиеся машин времени, червоточин, момента Большого взрыва и волновых функций Вселенной.
Однако сегодня множество физиков верит в то, что наконец найдена теория всего, хотя она еще не обрела своей конечной формы: это теория суперструн, или М-теория. Даст ли она нам возможность «узреть Божий замысел», как считал Эйнштейн?