Ткань космоса: Пространство, время и структура реальности

Вид материала

Подобный материал:

1 ... 18 19 20 21 22 23 24 25 ... 66

Нильс Бор предпочел обобщить такие вещи, используя свой принцип дополнительности. Каждый электрон, каждый фотон, все, что угодно, фактически, имеет как частицеподобные, так и волноподобные стороны. Это дополняющие друг друга свойства. Размышление только в рамках обычной частицы, – в которых частица движется вдоль одной единственной траектории, – неполно, поскольку оно отбрасывает волноподобные свойства, демонстрирующиеся интерференционными картинами.* Размышление только в волновых рамках неполно, поскольку оно отбрасывает частицеподобные стороны, демонстрирующиеся измерениями, в которых обнаруживаются локализованные частицы, что может быть, например, записано в виде отдельной точки на экране. (См. Рис. 4.4). Полная картина требует, чтобы обе взаимодополняющие стороны были приняты во внимание. В любой данной ситуации вы можете вынудить одно свойство быть более заметным в силу вашего выбора взаимодействия. Если вы позволяете электронам проходить от источника к экрану ненаблюдаемыми, могут проявится их волноподобные качества, давая интерференцию. Но если вы наблюдаете электрон по дороге, вы знаете, какой путь он выбрал, тогда вы будете не в состоянии объяснить интерференцию. Реальность приходит на помощь. Ваше наблюдение удаляет ветви квантовой истории. Оно заставляет электрон вести себя подобно частице; поскольку частицы двигаются тем или иным путем, не формируется интерференционная картина, так что нечего и объяснять.

(*)"Даже если может показаться, что подход сумм по историям Фейнмана делает акцент на частицеподобной стороне, это просто специальная интерпретация вероятностной волны (поскольку она включает много историй отдельных частиц, каждая делает свой собственный вероятностный вклад), так что она подключает волноподобную сторону как дополняющую. Когда мы говорим о чем-то, ведущем себя как частица, мы всегда имеем в виду обычную частицу, которая движется вдоль одной и только одной траектории."

Природа таинственная вещь. Она живет на краю. Но она старательно лавирует и уклоняется от фатальных ударов логических парадоксов.

Случайность истории

Эти эксперименты поразительны. Они обеспечивают простое, но мощное доказательство того, что наш мир управляется квантовыми законами, найденными физиками в двадцатом веке, а не классическими законами, найденными Ньютоном, Максвеллом и Эйнштейном, – законами, которые мы сегодня определяем как эффективные и успешные приближения для описания событий на достаточно больших масштабах. Мы уже видели, что квантовые законы бросают вызов обычным представлениям о том, что происходило в прошлом, – о ненаблюдаемых событиях, которые соответствуют тому, что мы видим в настоящее время. Некоторые простые вариации упомянутых экспериментов выводят этот вызов нашему интуитивному представлению о том, как вещи разворачиваются во времени, на еще больший, еще более удивительный уровень. Первая вариация называется экспериментом с отложенным выбором и была предложена в 1980 выдающимся физиком Джоном Уилером. Эксперимент неожиданно сталкивается со зловеще странно звучащим вопросом: Зависит ли прошлое от будущего? Отметим, что это не то же самое, как спросить, не можем ли мы вернуться назад и изменить прошлое (что мы обсудим в Главе 15). Напротив. Эксперимент Уилера, который был проведен и проанализирован в большом количестве деталей, вскрывает провокационную игру, взаимосвязь между событиями, которые мы представляем имевшими место в прошлом, даже в удаленном прошлом, и событиями, которые мы рассматриваем как происходящие прямо сейчас.

Чтобы почувствовать физику, представьте, что вы коллекционер произведений искусства и мистер Смитерс, руководитель нового Общества искусств и распространения красоты Спрингфилда, пришел взглянуть на различные произведения, которые вы выставили на продажу. Вы знаете, однако, что на самом деле его интерес заключается в Дородном Монти, картине в вашей коллекции, которую вы никогда не чувствовали вполне стоящей, но которая является одной из картин, что были завещаны вам вашим любимым дядюшкой Монти Бернсом, так что решение продать ее требует, в некоторой степени, эмоциональных усилий. После прихода мистера Смитерса, вы разговариваете о вашей коллекции, прошедших аукционах, текущем шоу в Метрополитен; на удивление, вы узнаете, что годы тому назад Смитерс был главным помощником вашего дядюшки. К концу разговора вы решаете, что вы хотите расстаться с Дородным Монти: имеется так много произведений, которые вы хотели бы иметь, и вы должны применить некоторое самоограничение, иначе ваша коллекция станет бесформенной. В мире коллекционирования произведений искусства вы всегда считали, что временами лучшее враг хорошего.

Когда вы размышляете об этом решении рестроспективно, кажется, что вы на самом деле уже решились на продажу до прихода мистера Смитерса. Хотя вы всегда имели определенную привязанность к Дородному Монти, вы долго осторожничали в собирании разрастающейся коллекции, а эротически-ядерный реализм позднего двадцатого века является устрашающей областью для любого даже самого закаленного коллекционера. Даже если вы помните, что перед приходом вашего посетителя вы думали, что вы не знаете, что делать, с вашей текущей точки зрения это кажется, как если бы вы на самом деле знали. Это не совсем то, что будущие события повлияли на прошлое, но ваша совместная встреча с мистером Смитерсом и ваше последующее выражение вашего желания продать картину иллюстрируют, освещают прошлое таким образом, который вызывает отдельные определенные мысли, кажущиеся со временем бесспорными. Это как если бы встреча и ваше выражение желания помогли вам согласиться с решением, которое уже было принято и только ожидало выведения на свет божий. Будущее помогло вам рассказать более полную историю о том, что произошло в прошлом.

Конечно, в этом примере будущие события влияют только на ваше восприятие или интерпретацию прошлого, так что события не являются ни головоломными, ни удивительными. Но эксперимент с отложенным выбором Уилера перемещает эту психологическую игру между будущим и прошлым в квантовую реальность, где указанная игра становится как определенной, так и поразительной. Мы начнем с эксперимента на Рис. 7.1а, модифицированного путем настройки лазера так, что он испускает отдельный фотон за один раз, как на Рис. 7.1b, а также путем присоединения нового детектора фотонов сразу за лучевым разветвителем. Если новый детектор выключен (см. Рис. 7.2b), мы возвращаемся к исходным настройкам эксперимента и фотоны создают интерференционную картину на фотографическом экране. Но если новый детектор включен (Рис. 7.2а), он указывает нам, каким путем движется каждый фотон: если он обнаруживает фотон, значит фотон выбрал этот путь, если он не обнаруживает фотон, значит фотон выбрал другой путь. Такая информация о "выборе пути", как уже говорилось, вынуждает фотон вести себя как частица, так что волноподобная интерференционная картина больше не создается.

(а) (b)

Рис 7.2 (а) Включая детектор "выбора пути", мы портим интерференционную картину; (b) Когда новый детектор выключен, мы возвращаемся к ситуации Рис. 7.1 и интерференционная картина снова выстраивается.

Теперь, следуя Уилеру, изменим ситуацию, переместив новый детектор фотонов далеко от разветвителя вдоль одного из двух путей. В принципе, путь может быть настолько длинным, насколько вы хотите, так что новый детектор может быть существенно удален от лучевого разветвителя. Еще раз, если этот новый детектор фотонов выключен, мы находимся в обычной ситуации и фотоны заполняют интерференционную картину на экране. Если он включен, он обеспечивает информацию "выбора пути" и поэтому предотвращает существование интерференционной картины.

Новые странности возникают из того факта, что измерение "выбора пути" может быть произведено намного позже того, как фотон "решил" в лучевом разветвителе, будет ли он вести себя как волна и двигаться по обоим путям или он будет вести себя как частица и двигаться только по одному пути. Когда фотон проходит через лучевой разветвитель, он не может "знать", включен новый детектор или нет – в действительности эксперимент может быть так построен, что выключатель детектора может быть установлен в то или иное положение после того, как фотон прошел через разветвитель. Чтобы быть готовой к возможности, что детектор выключен, квантовая волна фотона, скорее всего, разделилась и движется по обоим путям, так что амальгама на втором рисунке может воспроизвести наблюдаемую интерференционную картину. Но если новый детектор был включен – или если он включается после того, как фотон полностью покинул разветвитель, – то кажется, что имеет место кризис идентичности фотона: пройдя через разветвитель, он уже зафиксировал свою волновую природу, двигаясь по обоим путям, но теперь, временами после осуществления этого выбора, он "осознает", что ему надо лицом к лицу подойти к необходимости стать частицей, которая путешествует по одному и только по одному пути.

Однако, каким-то образом фотон всегда делает это правильно. Когда бы детектор ни был включен – еще раз, даже если решение включить его отложено надолго после того, как данный фотон прошел через лучевой разветвитель, – фотон ведет себя полностью как частица. Он находится на одном и только на одном маршруте к экрану (если вы вставили детекторы фотонов на оба маршрута, каждый эмитированный лазером фотон будет обнаружен одним и только одним детектором, но никогда обоими); итоговые данные не показывают интерференционной картины. Когда бы детектор ни был выключен – еще раз, даже если это решение сделано после того, как каждый фотон прошел через разветвитель, – фотоны ведут себя полностью как волны, создавая замечательную интерференционную картину, показывая, что они путешествовали по обоим путям. Это похоже на то, как если бы фотоны приспосабливали свое поведение в прошлом в соответствии с будущим выбором того, включен ли новый детектор; это похоже на то, как если бы фотоны имели "предчувствие" экспериментальной ситуации, с которой они столкнутся дальше по пути, и вели себя соответственно. Это похоже на то, как если бы существующая и определенная история становилась бы явной и полностью установленной только после будущего, к которому она ведет.[4]

Это подобно вашим ощущениям от решения о продаже Дородного Монти. Перед встречей с мистером Смитерсом вы были в двусмысленном, нерешительном, размытом, смешанном состоянии, желая и продавать и не продавать картину. Но совместные разговоры о мире искусства и получение информации о влиянии Смитерса на вашего дядюшку сделали для вас более комфортной идею о продаже. Разговор привел к твердому решению, которое рестроспективно позволило истории решения выкристаллизоваться из первоначальной неопределенности. Ретроспективно чувствуется, как если бы решение на самом деле было принято всегда. Но если бы вы не пообщались так хорошо с мистером Смитерсом, если бы он не придал вам уверенности, что Дородный Монти будет в надежных руках, вы могли бы очень даже принять решение не продавать. А история прошлого, которую вы могли бы рассказать в этой ситуации, несомненно, могла бы содержать признание, что вы на самом деле очень давно решили не продавать картину, будучи глубоко уверенным, что вы всегда знали, что сентиментальные связи просто слишком сильны, чтобы пойти на это. Реальное прошлое, конечно, не изменилось ни на йоту. Однако отличающиеся ощущения теперь приводят вас к описанию отличающейся истории.

В области психологии переписывание или переинтерпретация прошлого является общим местом; наша история прошлого часто лишь информирует о наших переживаниях в настоящем. Но в области физики – на той арене, которую мы обычно рассматриваем как объективную и высеченную в камне, – будущая случайность истории несколько переворачивает мозги. Чтобы проделать переворачивание еще более тщательно, Уилер представил космическую версию эксперимента с отложенным выбором, в которой источником света является не лабораторный лазер, а мощный квазар в глубине пространства. Лучевой разветвитель представляет собой не лабораторный прибор, а находящуюся на пути света галактику, чье гравитационное притяжение может действовать подобно линзе, которая фокусирует проходящие фотоны и направляет их к Земле, как на Рис. 7.3. Хотя никто на данный момент не проделал указанный эксперимент, в принципе, если собрать достаточно фотонов от квазара, они должны заполнить интерференционную картину на долго экспонирующейся фотографической пластине, точно так же, как и в эксперименте с лабораторным лучевым разветвителем. Но если мы введем другой детектор фотонов прямо рядом с окончанием одного или другого маршрута, он обеспечит информацию "выбора пути" для фотонов, таким образом разрушая интерференционную картину.

Что поражает в этой версии, так это то, что с нашей точки зрения фотоны могли путешествовать многие миллиарды лет. Их решение двигаться одним путем вокруг галактики, как частица, или обоими путями, как волна, кажется, было принято задолго до того, как возник детектор, любой из нас или даже сама Земля. Однако, миллиарды лет спустя детектор был построен, установлен на одном из путей фотонов, достигающих Земли, и включен. И это недавнее действие каким-то образом обеспечивает, что рассматриваемые фотоны ведут себя как частицы. Это действует так, как если бы они путешествовали вдоль в точности одного или другого пути в их долгом рейсе к Земле. Но если, спустя несколько минут, мы выключим детектор, фотоны, которые впоследствии достигают фотографической пластинки, начинают выстраивать интерференционную картину, свидетельствуя о том, что миллиарды лет назад они путешествовали следом за своими призрачными партнерами, выбирая одновременно противоположные пути вокруг галактики.

Рис 7.3 Свет от удаленного квазара, рассеянный и сфокусированный промежуточной галактикой, в принципе, будет давать интерференционную картину. Если добавочный детектор, который позволяет для каждого фотона провести определение его пути, включен, достигающие Земли фотоны не будут больше заполнять интерференционную картину.

Так что же, наше включение или выключение детектора в двадцать первом столетии влияет на движение фотонов несколько миллиардов лет назад? Определенно нет. Квантовая механика не отрицает, что прошлое произошло и произошло окончательно. Недоразумение возникает просто потому, что концепция прошлого в соответствии с квантовой механикой отличается от концепции прошлого в соответствии с классической интуицией. Наше классическое воспитание долго заставляло нас говорить, что данный фотон это вот этот или вон тот. Но в квантовом мире, в нашем мире, это утверждение, примененное к реальным фотонам, оказывается слишком ограниченным. Как мы видели, в квантовой механике нормой является неопределенная, размытая, смешанная реальность, состоящая из многих нитей, которые кристаллизуются в более обычную, определенную реальность, только когда проведено подходящее наблюдение. Это не то, что фотон миллиарды лет назад решил пойти по одному пути вокруг галактики, или по другому пути или по обоим путям. Вместо этого на протяжении миллиардов лет он находился в квантовых стандартах – в смеси, гибриде возможностей.

Акт наблюдения связывает эту необычную квантовую реальность с повседневным классическим опытом. Наблюдения, которые мы проводим сегодня, вынуждают одну из нитей квантовой истории выделиться в нашем изложении прошлого. В этом смысле, хотя квантовая эволюция от прошлого к настоящему не подвергается влиянию чего-либо, что мы делаем сегодня, история, которую мы называем прошлым, может нести на себе следы сегодняшних действий. Если мы вставляем детекторы фотонов вдоль двух путей, по которым свет следует к экрану, тогда наш рассказ о прошлом будет включать описание того, какой путь выбрал каждый фотон; вставляя детекторы фотонов, мы обеспечиваем, что информация выбора пути является существенной и определенной частью нашей истории. Но если мы не вставляем детекторы фотонов, наше описание прошлого будет неизбежно другим. Без детекторов фотонов мы не можем сказать что-либо о том, каким путем следует фотон; без детекторов фотонов нюансы выбора пути фундаментально недоступны. Обе истории правомерны. Обе истории интересны. Они просто описывают разные ситуации.

Сегодняшние наблюдения могут, следовательно, помочь завершить историю, которую мы рассказываем о процессе, который начался вчера, или день назад или вообще миллиард лет назад. Сегодняшние наблюдения могут обрисовать разновидности деталей, которые мы можем и должны включить в сегодняшнее описание прошлого.

Разрушая прошлое

Важно отметить, что в этих экспериментах прошлое никоим образом не изменяется сегодняшними действиями и что никакая хитрая модификация экспериментов не достигнет этой скользкой цели. Тогда возникает вопрос: Если вы не можете изменить нечто, что уже произошло, можете ли вы сделать следующую лучшую вещь и разрушить его влияние на настоящее? В той или иной степени временами эта фантазия может быть реализована. Игрок в бейсбол, который, имея два аута в конце девятой подачи, не ловит рутинно летящий мяч, позволяет команде противника завершиться в один пробег, может удалить влияние этой ошибки впечатляющим ныряющим захватом подачи мяча при следующем ударе. И конечно, такой пример ни в малейшей степени не загадочен. Только когда событие в прошлом, кажется, определенно устраняется наступлением другого события в будущем (как пропущенный летящий мяч определенно устраняет прошлую безупречную игру), мы будем думать, что здесь что-то прорезалось, если мы все время говорили, что устраненное событие на самом деле произошло. Квантовый ластик (стиратель), впервые предложенный в 1982 Марианом Скалли и Каем Дриилом, намекает на этот вид странностей в квантовой механике.

Простейшая версия эксперимента с квантовым ластиком делается с использованием двухщелевой конфигурации, модифицированной следующим образом. Маркирующий прибор располагается фронтально перед каждой щелью; он отмечает каждый проходящий фотон так, что когда фотон исследуется позже, вы можете сказать, через какую щель он прошел. Вопрос о том, как вы можете обеспечить маркировку фотона – как вы можете сделать эквивалент нананесения "L" на фотон, который проходит через левую щель и "R" на фотон, который проходит через правую щель, – хороший вопрос, но детали не особенно важны. Грубо, процесс осуществляется с использованием прибора, который позволяет фотону свободно пройти через щель, но заставляет его спиновую ось выстроиться в определенном направлении. Если приборы перед левой и правой щелями управляют спинами фотонов особым, но определенным образом, то более утонченный детекторный экран, который не только регистрирует точку в месте падения фотона, но также и содержит запись об ориентации спина фотона, будет показывать, через какую щель пролетел данный фотон на своем пути к детектору.

Когда проводится этот двухщелевой эксперимент с маркировкой, фотоны не выстраивают интерференционную картину, как на Рис. 7.4а. Теперь уже объяснение должно быть привычным: новый маркирующий прибор позволяет собрать информацию выбора пути, а информация выбора пути отбирает ту или иную историю; результаты показывают, что любой данный фотон проходит или через левую щель или через правую щель. А без комбинации левощелевых и правощелевых траекторий нет перекрытия вероятностных волн, так что не создается интерференционная картина.

Теперь идея Скалли и Дриила. Что если сразу после падения фотона на детекторный экран вы уничтожите возможность определения, через какую щель он прошел, путем разрушения отметки, зафиксированной маркирующим прибором? Без возможности, даже в принципе, выделить информацию выбора пути из детектируемого фотона, оба класса историй опять возвращаются в игру, заставляя снова появляться интерференционную картину. Отметим, что этот вид "отмены" прошлого в дальнейшем попадает в шокирующую категорию куда дальше, чем ныряющий захват бейсболиста в девятой подаче. Когда маркирующий прибор включен, мы представляем, что фотон послушно ведет себя как частица, проходя через левую щель или через правую щель. Если как-нибудь сразу после его падения на экран мы разрушим метку выбора пути, отмечающую его движение, то кажется слишком поздно позволять формироваться интерференционной картине. Для интерференции нам надо, чтобы фотон вел себя как волна. Он должен проходить через обе щели, так что он может перемешаться сам с собой на пути к детекторному экрану. Но наша исходная маркировка фотона, кажется, гарантирует, что он ведет себя как частица и путешествует через левую или через правую щель, предотвращая появление интерференционной картины.

(а) (b)

Рис 7.4 В эксперименте квантового ластика оборудование располагается фронтально перед двумя щелями, маркируя фотоны, так что последующее измерение может выявить, через какую щель прошел каждый фотон. В (а) мы видим, что эта информация выбора пути портит интерференционную картину. В (b) сразу фронтально перед детекторным экраном вводится прибор, который разрушает маркировку фотонов. Поскольку информация выбора пути уничтожается, снова возникает интерференционная картина.

В эксперименте, проведенном Раймондом Чиао, Полом Квиатом и Эфраимом Стейнбергом, конфигурация была такой, как схематично показано на Рис. 7.4, с новым стирающим прибором, вставленным сразу во фронт перед детекторным экраном. Еще раз, детали не существенны, но коротко уточним, что стиратель работает, обеспечивая, что независимо от того, влетел ли фотон через левую или через правую щель, его спин оказывается выстроенным в одном и том же фиксированном направлении. Последующее изучение его спина, следовательно, не дает информации о том, через какую щель он прошел, так что метка выбора пути разрушена. Замечательно, что фотоны, обнаруженные на экране после этого разрушения, производят интерференционную картину. Когда ластик вставлен прямо во фронт детекторного экрана, он отменяет – он стирает влияние маркировки пути фотонов сзади, когда они достигали щелей. Как и в эксперименте с отложенным выбором, в принципе, такой вид разрушения мог появиться через миллиарды лет после влияния, которое он расстроил, фактически отменив прошлое, даже отменив древнее прошлое.

Blog

Ткань космоса: Пространство, время и структура реальности