Geum.ru

Ткань космоса: Пространство, время и структура реальности

Вид материалаДокументы
Подобный материал:
1   ...   19   20   21   22   23   24   25   26   ...   66


Как мы можем придать этому смысл? Ну, держим в уме, что результаты полностью согласуются с теоретическими предсказаниями квантовой механики. Скалли и Дриил предложили этот эксперимент, потому что их квантовомеханические вычисления убедили их, что он будет работать. И это произошло. Итак, как обычно с квантовой механикой, головоломка не противопоставляет теорию и эксперимент. Она противопоставляет теорию, согласующуюся с экспериментом, нашим интуитивным ощущениям времени и реальности. Чтобы удалить напряжение, отметим, что если вы поставили детекторы фотонов во фронт к каждой щели, показания детекторов будут восстанавливать с определенностью, прошел ли фотон через левую щель или через правую щель, и тогда не будет способа стереть такую определяющую информацию – тогда не будет способа получить обратно интерференционную картину. Но маркирующие приборы отличаются от этого, поскольку они обеспечивают только потенциальную возможность определения информации выбора пути – а потенциальные возможности являются просто разновидностями вещей, которые могут быть разрушены. Маркирующий прибор преобразует прохождение фотона таким образом, грубо говоря, что он все еще путешествует обоими путями, но левая часть его вероятностной волны размыта относительно правой, или правая часть его вероятностной волны размыта относительно левой. С другой стороны, упорядоченная последовательность пиков и впадин, которая обычно появляется от каждой щели – как на Рис. 4.2b – также размывается, так что интерференционная картина на детекторном экране не формируется. Хотя решающим явлением будет то, что обе волны, и левая и правая, все еще существуют. Стиратель действует, поскольку он расфокусирует волны. Подобно паре зеркал он компенсирует размытие, приводя обе волны назад в резкий фокус и позволяя им снова сложить интерференционную картину. Это так, как если бы после маркирующих приборов, выполнивших свою задачу, интерференционная картина исчезла из-под наблюдения, но терпеливо находилась бы в ожидании, пока кто-нибудь или что-нибудь не воскресил ее.


Это объяснение может сделать квантовый ластик немного менее поразительным, но тут имеется финал – ошеломляющая вариация эксперимента с квантовым ластиком, который еще больше бросает вызов привычным представлениям о пространстве и времени.


Формируя прошлое*


Этот эксперимент, квантовый ластик с отложенным выбором, также был предложен Скалли и Дриилом. Он начинается с эксперимента с лучевым разветвителем, показанным на Рис. 7.1, модифицированным путем введения двух так называемых понижающих преобразователей, по одному на каждый лучевой путь. Понижающий преобразователь это прибор, который получает один фотон на входе и производит два фотона на выходе, каждый с половиной энергии ("понижающее преобразование") от исходного. Один из двух фотонов (так называемый сигнальный фотон) направляется вдоль пути, по которому исходный фотон следовал кдетекторному экрану.


(*)"Если вы найдете эту секцию трудной, вы можете спокойно двигаться к следующей секции без потери последовательности изложения. Но я призываю вас попытаться пройти через нее, так как результаты в полном смысле слова изумительны."


Другой фотон, произведенный понижающим преобразователем (именуемый вспомогательным фотоном), посылается в совершенно другом направлении, как показано на Рис. 7.5а. В зависимости от того, на каком фотоне проводится эксперимент, мы можем определить, какой путь выбрал сигнальный фотон к экрану, путем наблюдения, какой понижающий преобразователь испустил вспомогательный фотон-партнер. И еще раз, возможность собрать информацию выбора пути о сигнальном фотоне – даже если она полностью косвенная, поскольку мы совсем не взаимодействуем ни с одним сигнальным фотоном – вызывает предотвращение появления интерференционной картины.


Теперь о самой причудливой части. Что если мы преобразуем эксперимент так, что сделаем невозможным определить, из какого понижающего преобразователя был испущен вспомогательный фотон? Что если, таким образом, мы разрушим информацию выбора пути, воплощенную во вспомогательном фотоне? Ну, кое-что поразительное произойдет: даже если мы ничего не делаем непосредственно с сигнальным фотоном, путем разрушения информации выбора пути, переносимой его вспомогательными партнерами, мы можем восстановить интерференционную картину из сигнальных фотонов. Позвольте мне показать вам, как это происходит, поскольку это на самом деле поразительно.


Посмотрим на Рис. 7.5b, который объединяет все существенные идеи. Но не пугайтесь. Он проще, чем кажется, и мы теперь пройдем через него поэтапно под руководством. Конфигурация на Рис. 7.5b отличается от конфигурации на Рис. 7.5а в отношении того, как мы детектируем вспомогательные фотоны после того, как они были эмитированы. На Рис. 7.5а мы детектировали их непосредственно, так что мы немедленно смогли определить, из какого понижающего преобразователя каждый произошел, – это значит, какой путь выбрал сигнальный фотон. В новом эксперименте каждый вспомогательный фотон был послан через лабиринт, чем поколебал нашу способность получить такую определенность. Например, представим, что вспомогательный фотон эмитирован из понижающего преобразователя, отмеченного "L". Вместо того, чтобы немедленно попасть в детектор (как на Рис. 7.5а), этот фотон послан на лучевой разветвитель (отмеченный "а"), так что имеет 50 процентов шансов быть направленным вдоль пути, отмеченного "А", и 50 процентов шансов быть направленным вдоль пути, отмеченнного "B". Если он направлен вдоль пути А, он влетит в детектор фотонов (отмеченный "1"), и его прибытие будет должным образом записано. Но если вспомогательный фотон направлен вдоль пути В, он вдобавок будет подвержен следующим штукам. Он будет направлен на другой лучевой разветвитель (отмеченный "с"), так что будет имееть 50 процентов шансов быть направленным вдоль пути Е к детектору, отмеченному "2", и 50 процентов шансов быть направленным вдоль пути "F" к детектору, отмеченному "3". Теперь – следите со мной, так как тут суть всего изложения – те же самые рассуждения, примененные к вспомогательному фотону, эмитированному из другого понижающего преобразователя, отмеченного "R", говорят нам, что если вспомогательный фотон направлен вдоль пути D, он будет записан детектором 4, но если он направлен вдоль пути С, он обнаружен или детектором 3, или детектором 2, в зависимости от пути, по которому он следовал после прохождения через лучевой разветвитель b.


(а) (b)


Рис 7.5 (а) Эксперимент с лучевым разветвителем, дополненный понижающими преобразователями, не дает интерференционной картины, поскольку вспомогательные фотоны обеспечивают информацию выбора пути. (b) Если вспомогательные фотоны не детектируются непосредственно, а вместо этого посылаются через изображенный лабиринт, тогда интерференционная картина может быть выделена из результатов эксперимента.


Вспомогательные фотоны, которые определяются детекторами 2 или 3, не дают информации выбора пути и, следовательно, их сигнальные фотоны заполняют интерференционную картину. <Расположение обозначений вверху: детектор 3, путь F, лучевой разветвитель c, путь E, детектор 2; слева: детектор 4, путь D, лучевой разветвитель b, путь C; справа: путь B, лучевой разветвитель a, путь A, детектор 1; в середине: понижающий преобразователь R, понижающий преобразователь L>.


Теперь рассмотрим, зачем мы добавили все эти усложнения. Отметим, что если вспомогательный фотон обнаружен детектором 1, мы знаем, что соответствующий сигнальный фотон выбрал левый путь, поскольку для вспомогательного фотона, который был эмитирован из понижающего преобразователя R, нет способа найти путь к этому детектору. Аналогично, если вспомогательный фотон обнаружен детектором 4, мы знаем, что его сигнальный фотон-партнер выбрал правый путь. Но если вспомогательный фотон увлечен в детектор 2, мы не имеем идей о том, какой путь выбрал его сигнальный фотон-партнер, поскольку тут равные шансы, что он эмитирован понижающим преобразователем L и следует пути В-Е или что он эмитирован понижающим преобразователем R и следует пути С-Е. Сходным образом, если вспомогательный фотон обнаружен детектором 3, он может быть эмитирован понижающим преобразователем L и путешествовать по пути В-F или понижающим преобразователем R и путешествовать по пути C-F. Так что для сигнального фотона, чьи вспомогательные партнеры обнаружены детектором 1 или 4, мы имеем информацию выбора пути, но для тех, чьи вспомогательные партнеры обнаружены детектором 2 или 3, информация выбора пути разрушена.


Означает ли стирание некоторой информации выбора пути – даже если мы ничего не делаем с сигнальными фотонами непосредственно – что интерференционные эффекты восстанавливаются? Это на самом деле происходит – но только для тех сигнальных фотонов, чьи вспомогательные партнеры попали в детектор 2 или детектор 3. То есть общая совокупность положений падения сигнальных фотонов на экран будет выглядеть подобно данным на Рис. 7.5а, не показывая даже самого слабого намека на интерференционную картину, что является характеристикой фотонов, которые путешествовали или одним, или другим путем. Но если мы сосредоточимся на подмножестве результирующих точек – например, от тех сигнальных фотонов, чьи вспомогательные фотоны влетели в детектор 2, – тогда это подмножество точек будет заполнять интерференционную картину! Эти сигнальные фотоны – чьи вспомогательные партнеры, так уж случилось, не обеспечили никакой информации выбора пути, – ведут себя, как если бы они путешествовали обоими путями! Если мы подключим оборудование так, что экран покажет красную точку для положения каждого сигнального фотона, чей вспомогательный фотон был обнаружен детектором 2, и зеленую точку для всех остальных, некоторые, у кого нарушено цветовосприятие, не будут видеть интерференционную картину, но остальные, тем не менее, будут видеть, что красные точки упорядочены в виде ярких и темных полос – интерференционной картины. То же самое останется правильным с детектором 3 на месте детектора 2. Но не будет такой интерференционной картины, если мы выделим сигнальные фотоны, чьи вспомогательные фотоны обнаружены детектором 1 или детектором 4, поскольку эти вспомогательные фотоны дают информацию выбора пути относительно своих партнеров.


Эти результаты – которые были подтверждены экспериментом[5] – великолепны: через присоединение понижающих преобразователей, которые потенциально могут обеспечить информацию выбора пути, мы теряем интерференционную картину, как на Рис. 7.5а. А без интерференции мы, естественно, заключали, что каждый фотон летел или вдоль одного пути или вдоль другого. Но теперь мы узнали, что это было опрометчивое заключение. Путем аккуратного удаления потенциальной информации выбора пути, переносимой некоторыми вспомогательными фотонами, мы можем добиться выделения из данных интерференционной картины, что свидетельствует, что некоторые фотоны на самом деле двигаются обоими путями.


Отметим также, возможно, самый яркий результат среди всех: три дополнительных лучевых разветвителя и четыре детектора вспомогательных фотонов могут располагаться на другой стороне лаборатории или даже на другой стороне вселенной, поскольку ничто в нашем обсуждении совершенно не зависело от того, будет ли получен данный вспомогательный фотон до или после того, как его сигнальный партнер попадет на экран. Тогда представим, что все эти приборы удалены на большое расстояние, скажем, на десять световых лет для определенности, и подумаем, что это за собой повлечет. Вы проводите эксперимент Рис. 7.5b сегодня, записывая – одно за другим – места падения гигантского числа сигнальных фотонов, и вы наблюдаете, что они не показывают и признаков интерференции. Если кто-нибудь попросит вас объяснить данные, у вас может возникнуть соблазн сказать, что из-за вспомогательных фотонов информация выбора пути имеет место, а значит каждый сигнальный фотон определенно летел вдоль левого или вдоль правого пути, уничтожая любую возможность интерференции. Но, как было видно выше, это будет опрометчивое заключение о происходящем; это будет совершенно необдуманное описание прошлого.


Вы видите десятью годами позднее, что четыре детектора фотонов получат – один за другим – вспомогательные фотоны. Если вы затем получаете информацию о том, какие вспомогательные фотоны попали, скажем, в детектор 2 (например, первый, седьмой, девятый, двенадцатый ... вспомогательные фотоны прибыли), и если вы тогда вернетесь к данным, которые вы собрали годами ранее и выделите соответствующие положения сигнальных фотонов на экране (например, первого, седьмого, девятого, двенадцатого ... сигнальных фотонов, которые прибыли), вы найдете, что выделенные данные заполняют интерференционную картину, что выявляет, что эти сигнальные фотоны должны описываться как проходившие через оба пути. В качестве альтернативы, если спустя 9 лет и 364 дня после того, как вы собрали данные по сигнальным фотонам, техник саботирует эксперимент путем удаления разветвителей а и b – гарантируя, что когда вспомогательные фотоны прибудут на следующий день, они все пойдут в детектор 1 или детектор 4, что сохранит всю информацию выбора пути, – тогда, когда вы получите эту информацию, вы сделаете заключение, что каждый сигнальный фотон двигался вдоль левого пути или вдоль правого пути, и интерференционная картина не может быть извлечена из данных по сигнальным фотонам. Так что, как убедительно проясняет это обсуждение, история, которую вы рассказываете, чтобы объяснить данные по сигнальным фотонам, существенно зависит от измерений, проведенных на десять лет позже, чем эти данные были собраны.


Позвольте мне еще раз подчеркнуть, что будущие измерения совершенно не изменяют чего-либо из вещей, которые имели место в вашем сегодняшнем эксперименте; будущие измерения никоим образом не изменяют данные, которые вы собрали сегодня. Но будущие измерения влияют на виды деталей, которые вы можете привлечь, когда в дальнейшем будете описывать то, что произошло сегодня. Перед тем, как вы получите результаты измерений вспомогательных фотонов, вы на самом деле совсем не можете сказать чего-либо об истории выбора пути любого данного сигнального фотона. Однако, раз уж вы получили результаты, вы заключаете, что сигнальные фотоны, чьи вспомогательные партнеры успешно использованы для определения информации выбора пути, могут быть описаны как путешествовавшие – годы назад – либо слева либо справа. Вы также придете к заключению, что сигнальные фотоны, чьи вспомогательные партнеры разрушили их информацию выбора пути, не могут быть описаны как определенно проходившие – годы назад – по одному или по другому пути (заключение, которое вы можете убедительно подтвердить с использованием вновь полученных данных по вспомогательным фотонам, чтобы выявить ранее скрытую интерференционную картину среди этого более позднего класса сигнальных фотонов). Мы, таким образом, видим, что будущее помогает сформировать историю, которую вы рассказываете о прошлом.


Эти эксперименты впечатляюще конфликтуют с нашими обычными представлениями о пространстве и времени. Нечто, что имеет место намного позже и очень далеко от чего-то другого, тем не менее существенно для нашего описания этого чего-то другого. По классическому счету – здравому смыслу – это просто сумасшествие. Конечно, тут важно, что классические оценки являются ложным видом оценок для использования в квантовой вселенной. Мы узнали из обсуждения Эйнштейна-Подольского-Розена, что квантовая физика нелокальна в пространстве. Если вы полностью усвоили этот урок – выдержав его, чтобы согласиться с его внутренней правильностью, – эти эксперименты, которые включают в себя разновидности запутывания через пространство и через время, могут не показаться совсем уж неземными. Но по стандартам повседневного опыта они таковыми определенно являются.


Квантовая механика и опыт


В течение нескольких дней после того, как я впервые узнал об этих экспериментах, я помню свое воодушевление. Я чувствовал, что мне дали мельком увидеть скрытую сторону реальности. Здравый смысл – земная, обыкновенная, повседневная деятельность – внезапно оказался частью классической шарады, скрывающей истинную природу нашего квантового мира. Мир повседневности внезапно оказался ничем иным, как вывернутым наизнанку магическим действием, внушившим своим зрителям веру в обычные, привычные концепции пространства и времени, в то время как удивительная истина квантовой реальности лежит, ускользая от взгляда, тщательно защищенная природой.


В последние годы физики потратили много усилий в попытках объяснить правила природы, – чтобы точно постичь, как фундаментальные законы квантовой физики преобразуются в классические законы, которые столь успешны при объяснении общепринятого опыта, – в сущности, чтобы постичь, как атомное и субатомное сбрасывает свою магическую причудливость, когда оно объединяется, чтобы сформировать макроскопические объекты. Исследования продолжаются, но многое уже изучено. Посмотрим на некоторые аспекты, особенно уместные в связи с вопросом о стреле времени, но теперь с точки зрения квантовой механики.


Классическая механика основывается на уравнениях, которые Ньютон открыл в поздние 1600е годы. Электромагнетизм основывается на уравнениях, которые Максвелл открыл в поздние 1800е годы. СТО основывается на уравнениях, которые открыл Эйнштейн в 1905, а ОТО основывается на уравнениях, которые он открыл в 1915. Что все эти уравнения имеют общего, и что является центральным в дилемме стрелы времени (как объясняется в предыдущей главе), так это их полностью симметричное рассмотрение прошлого и будущего. Нигде в любом из этих уравнений нет чего-либо, что различает время, направленное "вперед", от времени, направленного "назад". Прошлое и будущее рассматриваются на одинаковых основаниях.


Квантовая механика основывается на уравнении, которое Эрвин Шредингер открыл в 1926.[6] Вам не нужно знать чего-либо об этом уравнении, кроме того факта, что оно принимает в качестве входных данных форму квантовомеханической вероятностной волны в один момент времени, как на Рис. 4.5, и позволяет определить, как вероятностная волна будет выглядеть в любой другой момент времени, более ранний или более поздний. Если вероятностная волна ассоциируется с частицей, такой как электрон, вы можете использовать ее для предсказания вероятности того, что в любое выделенное время эксперимент найдет электрон в любом выделенном месте. Подобно классическим законам Ньютона, Максвелла и Эйнштейна квантовый закон Шредингера включает в себя равноправное рассмотрение времени-будущего и времени-прошлого. "Фильм", показывающий вероятностную волну стартующей в таком виде и заканчивающей в этаком виде, может быть запущен в обратном направлении, – показывая вероятностную волну, стартующую в этаком виде, а заканчивающую в таком виде, – и нет способа сказать, что одна эволюция правильна, а другая ложна. Обе одинаково являются решениями уравнения Шредингера. Обе одинаково представляют осмысленные пути, по которым вещи могут эволюционировать.[7]


Конечно, "фильм", о котором идет речь полностью отличается от аналогов, использованных при анализе движения теннисного мяча или разбивающегося яйца в последней главе. Вероятностные волны не есть вещи, которые мы можем видеть непосредственно; не существует камеры, которая могла бы зафиксировать вероятностные волны на пленку. Вместо этого, мы можем описать вероятностные волны с использованием математических уравнений, и перед нашим мысленным взором мы можем представить простейшие из них, имеющие форму как на Рис. 4.5 и 4.6. Но единственный доступ, который мы имеем к самим вероятностным волнам, является косвенным, через процесс измерения. Это есть, как было обрисовано в Главе 4 и неоднократно было видно в рассмотренных выше экспериментах, стандартная формулировка квантовой механики, описывающая разворачивание явлений с использованием двух совершенно отличных этапов. На первом этапе вероятностная волна – или, на более точном полевом языке, волновая функция – объекта, такого как электрон, эволюционирует в соответствии с уравнением, открытым Шредингером. Это уравнение гаранирует, что форма волновой функции изменяется гладко и постепенно, почти как водяная волна изменяет свою форму, когда путешествует от одного берега озера к другому.* В стандартном описании второго этапа мы осуществляем контакт с наблюдаемой реальностью путем измерения положения электрона, и когда мы так делаем, форма его волновой функции резко и прерывисто изменяется. Волновая функция электрона больше не похожа на более привычные примеры вроде водяных волн или волн звука: когда мы измеряем положение электрона, его волновая функция вздымается пиком или, как показано на Рис. 4.7, схлопывается, падая до величины 0 везде, где частица не найдена, и возрастая до 100 процентов вероятности в единственном положении, где частица найдена измерением.


Первый этап – эволюция волновой функции в соответствии с уравнением Шредингера – математически строгий, полностью недвусмысленный и полностью принятый физическим сообществом. Второй этап – коллапс волновой функции при измерении – наоборот, является чем-то, что на протяжении последних восьми десятков лет, в лучшем случае, держит физиков в тихом смущении, а в худшем провоцирует проблемы, загадки и потенциальные парадоксы, которые разрушают карьеры. Сложность, как отмечалось в Главе 4, в том, что в соответствии с уравнением Шреднигера волновые функции не коллапсируют. Коллапс волновой функции представляет собой добавление. Оно было введено после открытия Шреднгером своего уравнения в попытке оценить, что же экспериментаторы на самом деле видят. Хотя сырая, несколлапсированная волновая функция воплощает странную идею, что частица находится и тут и там, экспериментаторы никогда не видят этого. Они всегда находят частицу определенно в том или ином положении; они никогда не видят ее частично тут, а частично там; игла в их измерительных приборах никогда не зависает в нерешительности в некоторой призрачной смеси, отмечая и эту величину и также ту величину.


То же самое происходит, конечно, при наших собственных бессистемных наблюдениях окружающего нас мира. Мы никогда не наблюдаем, чтобы кресло было и тут, и там; мы никогда не наблюдаем Луну одновременно в одной части ночного неба, а также и в другой; мы никогда не видим кота, который одновременно и жив, и мертв. Понятие коллапса волновой функции присоединяется к нашему опыту путем постулирования, что акт измерения заставляет волновую функцию отказаться от квантовой неопределенности и ввести одну из множества потенциальных возможностей (частица здесь или частица там) в реальность.