Ткань космоса: Пространство, время и структура реальности

Вид материала

Документы

Содержание Путешествие сквозь пространство и время

Подобный материал:

• Тема 2 Социальное пространство и социальная структура. Понятие социального пространства, 586.13kb.
• Программа вступительного экзамена по специальности в магистратуру физического факультета, 209.43kb.
• Название работы, 371.8kb.
• Политическое сознание. (Ольшанский) Структура сознания в русле методологии деятельностного, 37.54kb.
• Реферат по дисциплине: Философия на тему: Время и пространство в философии, 382.06kb.
• Схемы, пространство-время и мышление в контексте проблемы освоения интеллектуальных, 160.25kb.
• Социальное пространство компьютерно-опосредованной реальности: опыт феноменологической, 295.3kb.
• Романтика космоса, 1113.61kb.
• «Химия космоса», 282.27kb.
• Цикл семинаров «новые парадигмы для человечества. Структура реальности. Природа человека», 90.37kb.

Эксперименты по микроволновому фону и здесь играют важную роль. Размер пятен на Рис. 14.4 – где, еще раз, каждое пятно есть область однородной температуры, – освещает общую форму пространственной ткани. Если пространство имеет форму вроде сферы, как на Рис 8.6а, раздувание вовне будет приводить к тому, что пятна будут несколько больше, чем они есть на Рис.14.4b; если пространство имеет форму вроде седла, как на Рис.8.6с, сжатие вовнутрь будет приводит пятна к небольшому уменьшению; и если пространство плоское, как на Рис. 8.6b, размер пятен будет промежуточным. Точные измерения, начатые COBE и с тех пор улучшенные WMAP, жестко подтверждают предположение, что пространство плоское. Эта вещь не только является теоретическим ожиданием, следующим из инфляционных моделей, но оно также абсолютно согласуется с результатами исследования сверхновых. Как мы видели, пространственно плоская вселенная требует полной плотности массы/энергии, равной критической плотности. С обычной и темной материей, дающими вклад около 30 процентов, и темной энергией, дающей вклад около 70 процентов, все впечатляюще сходится вместе.


Более прямое подтверждение результатов по сверхновым является целью Зонда Сверхновых/Ускорения (SuperNova/Acceleration Probe – SNAP). Предложенный учеными из Лоуренсовской Лаборатории в Беркли, SNAP должен быть спутниковым орбитальным телескопом со способностью измерять в двадцать раз больше сверхновых, изучаемых путем наблюдений с земной поверхности. SNAP не только должен быть в состоянии подтвердить более ранние результаты, что 70 процентов вселенной есть темная энергия, но он также должен более точно определить природу темной энергии.


Обратите внимание, хотя я описывал темную энергию как версию эйнштейновской космологической постоянной, – постоянной, неизменной энергии, которая подталкивает пространство к расширению, – имеется и тесно связанная альтернативная возможность. Вспомним из нашего обсуждения инфляционной космологии (и прыгающей лягушки), что поле, чья величина возвышается над его низшей энергетической конфигурацией, может вести себя подобно космологической константе, двигая ускоренное расширение пространства, но оно будет действовать только короткое время. Рано или поздно поле займет свое место на дне своей чаши потенциальной энергии, и давление наружу исчезнет. В инфляционной космологии это происходит за мельчайшую долю секунды. Но путем введения нового поля и аккуратного выбора формы его потенциальной энергии физики нашли способ для ускоренного расширения, который будет намного более мягким в своем расталкивающем давлении, но намного более долгим, – для поля, которое должно двигать сравнительно слабо и равномерно ускоряющуюся фазу пространственного расширения, которое длится не долю секунды, а миллиарды лет, пока поле медленно скатывается к величине минимальной энергии. Это открывает возможность, что прямо сейчас мы можем воспринимать экстремально мягкую версию инфляционного взрыва, который, как мы уверены, происходил на протяжении ранних моментов вселенной.


Разница между "обычной" космологической константой и последней возможностью, известной как квинтэссенция, имеет минимальное значение сегодня, но влечет чрезвычайные последствия в удаленном будущем вселенной. Космологическая константа есть константа – она обеспечивает бесконечное ускоренное расширение, так что вселенная будет расширяться все более быстро и становится все более разреженной, разбавленной и пустой. Но квинтэссенция обеспечивает ускоренное расширение, которое в некоторой точке сойдет на нет, подразумевая удаленное будущее менее суровым и пустынным, чем это следует из ускоренного расширения, которое вечно. Через измерения изменений в ускорении пространства за большие промежутки времени (через наблюдение сверхновых на различных расстояниях, а потому в различные моменты времени в прошлом), SNAP может быть в состоянии сделать выбор между двумя возможностями. Через определение, является ли темная энергия по-настоящему космологической константой, SNAP даст возможность проникнуть в удаленную судьбу вселенной.


Пространство, время и теория


Путешествие к открытию природы пространства и времени было долгим и наполненным многими сюрпризами; нет сомнений, оно все еще находится в своей ранней стадии. Последние несколько веков мы видели, как прорывы один за другим радикально переворачивают наши концепции пространства и времени, и снова их изменяют. Теоретические и экспериментальные предложения, которые мы осветили в этой книге, представляют лепку этих идей нашим поколением, и, вероятно, будут составлять большую часть нашего научного наследия. В Главе 16 мы будем обсуждать некоторые из наиболее свежих и умозрительных достижений в попытке бросить свет на то, какими могут быть следующие этапы путешествия. Но сначала, в Главе 15, мы порассуждаем в другом направлении.


Хотя это не является шаблонной комбинацией для научного открытия, история показывает, что глубокое понимание часто является первым шагом в направлении технологического контроля. Понимание электромагнитной силы в 1800е в конце концов привело к телеграфу, радио и телевидению. С этим знанием, в соединении с последующим пониманием квантовой механики, мы смогли разработать компьютеры, лазеры и электронные приспособления, слишком многочисленные, чтобы упоминать их. Понимание ядерных сил привело к опасному созданию самого мощного оружия, которое когда либо знал мир, и к разработке технологий, которые однажды смогут удовлетворить все энергетические потребности мира с помощью всего лишь бочки соленой воды. Смогут ли наши все углубляющиеся представления о пространстве и времени быть первым шагом к аналогичным примерам открытий и технологических разработок? Будем ли мы однажды хозяевами пространства и времени и будем ли мы делать вещи, которые сейчас являются только частью научной фантастики?


Никто не знает. Но посмотрим, как далеко мы можем зайти и что за этим может последовать.

15 Телепортаторы и машины времени

ПУТЕШЕСТВИЕ СКВОЗЬ ПРОСТРАНСТВО И ВРЕМЯ


Возможно, я просто испытывал недостаток фантазии давно в 1960е, но что на самом деле поразило меня, как невероятное, был компьютер на борту Энтерпрайза из сериала "Звездный путь". Моя восприимчивость времен начальной школы выдавала поэтическое разрешение на деформирующий пространство двигатель и на вселенную, населенную инопланетянами, говорящими на беглом английском. Но машина, которая могла – по запросу – немедленно показать картинку любого исторического персонажа, который когда-либо жил, дать техническую спецификацию для любой части оборудования, когда либо построенного, или обеспечить доступ к любой книге, когда-либо написанной? Это напрягало мои способности до отвергающего недоверия. В поздние 1960е этому ребенку было ясно, что никогда не может быть найден способ собрать, сохранить и подготовить доступ к такому богатству информации. Но, однако, менее чем через полстолетия я могу сидеть здесь на своей кухне с ноутбуком, беспроводным интернет-соединением и вызываемым голосом программным обеспечением и играть роль капитана Кирка, листая обширные хранилища знаний, – от основополагающих до легкомысленных, – не пошевелив и пальцем. Верно, скорость и эффективность компьютеров, изображенных в мире Звездного Пути двадцать третьего столетия, все еще вызывает зависть, но легко предугадать, что когда наступит та эра, наша технология превзойдет представленные ожидания.


Этот пример лишь один из многих, которые сделались штампом способностей научной фантастики предсказывать будущее. Но что может быть более манящим из всей массы приборов, чем те, в которых что-либо помещается в камеру, поворачивается переключатель и оно транспортируется в далекое место или иное время? Возможно ли, что мы однажды будем освобождены от скудного пространственного простора и временной эпохи, к которым мы были так долго привязаны, и узнаем самые удаленные сферы пространства и времени? Или это отличие между научной фантастикой и реальностью останется навсегда? Уже узнав о моей детской неспособности предвидеть информационную революцию, вы можете проверить мою способность предсказать будущие технологические прорывы. Итак, вместо того, чтобы рассуждать о вероятности того, что может быть, в этой главе я буду описывать, как далеко мы на самом деле зашли, как в теории, так и в практике, в направлении осуществления телепортаторов и машин времени, и что надо будет получить, чтобы идти дальше и добиться контроля над пространством и временем.


Телепортация в квантовом мире


В общепринятых описаниях научной фантастики телепортатор (или на сленге Звездного Пути, транспортер) сканирует объект, чтобы определить его детальное строение, и посылает информацию в удаленное место, где объект воссоздается. "Дематериализуется" ли сам объект, а его атомы и молекулы посылаются вдаль с шаблоном для обратной сборки их вместе, или используются атомы и молекулы, расположенные в точке приема, для выстраивания точной копии объекта, варьируется от одного фантастического воплощения к другому. Как мы увидим, научный подход к телепортации, разработанный в последнее десятилетие, ближе по духу к последней категории, и это вызывает два существенных вопроса. Первый является стандартной, но тяжелой философской головоломкой: Когда, если вообще когда-либо, точная копия должна быть идентифицирована, названа, рассмотрена или воспринята, как если бы она была оригиналом? Второй вопрос, является ли возможным, хотя бы в принципе, проверить объект и определить его строение с полной точностью, так, чтобы мы могли составить совершенный шаблон, по которому объект будет восстановлен?


Во вселенной, управляемой законами классической физики, ответ на второй вопрос должен быть – да. В принципе, атрибуты каждой частицы, составляющей объект, – идентичность, положение, скорость каждой частицы и так далее, – могут быть измерены с полной точностью, переданы в удаленное место и использованы как инструктивное руководство для воссоздания объекта. Сделать это для объекта, состоящего более чем из просто горстки элементарных частиц, должно быть до смешного за пределами досягаемости, но в классической вселенной преградой будет сложность, но не физика.


Во вселенной, управляемой законами квантовой физики – нашей вселенной – ситуация намного более тонкая. Мы узнали, что акт измерения выделяет один из мириадов потенциальных атрибутов объекта, чтобы избавиться от квантового тумана и получить определенную величину. Когда мы наблюдаем частицу, например, определенные свойства, которые мы видим, не отражают в общем случае туманную квантовую смесь атрибутов, которую она имеет в момент перед тем, как мы бросили взгляд.[1] Таким образом, если мы хотим скопировать объект, мы встанем перед лицом квантовой ловушки. Чтобы скопировать, мы должны произвести наблюдение, так мы узнаем, что копировать. Но акт наблюдения вызывает изменения, так что, если мы копируем то, что мы видим, мы не копируем то, что было перед тем, как мы посмотрели. Это наводит на мысль, что телепортация в квантовой вселенной недостижима не просто вследствие практических ограничений, возникающих из сложности, а вследствие фундаментальных ограничений, присущих квантовой физике. Тем не менее, как мы увидим в следующей секции, в начале 1990х международная ко физиков нашла оригинальный способ обойти это заключение.


Что касается первого вопроса, безотносительно к взаимоотношениям между копией и оригиналом, квантовая физика дает ответ, который и точный, и ободряющий. В соответствии с квантовой механикой каждый электрон во вселенной идентичен любому другому, так как все они имеют точно одинаковую массу, точно одинаковый электрический заряд, точно одинаковые свойства слабого и сильного ядерных взаимодействий и точно одинаковый полный спин. Более того, наше хорошо проверенное квантовомеханическое описание говорит, что этим исчерпываются атрибуты, которые электрон может иметь; электроны все одинаковы по отношению к своим свойствам, и больше не имеется свойств для рассмотрения. В том же смысле каждый up-кварк такой же, как и любой другой up-кварк, каждый down-кварк такой же, как и любой другой down-кварк, каждый фотон такой же, как и любой другой фотон, и так далее для всех других видов частиц. Как было обнаружено квантовыми практиками много десятилетий назад, частицы могут рассматриваться как самые мелкие из возможных пакетов поля (например, фотоны являются мельчайшими пакетами электромагнитного поля), и квантовые физики показали, что такие мельчайшие составляющие одного и того же поля всегда идентичны. (Или, в схеме теории струн, частицы одного вида имеют одинаковые свойства, поскольку они являются одинаковыми колебаниями единственного вида струн).


Что может отличаться у двух частиц одного вида, так это вероятности, что они находятся в различных положениях, вероятности, что их спины направлены в особых направлениях, и вероятности, что они имеют особые скорости и энергии. Или, как более лаконично говорят физики, две частицы могут иметь различные квантовые состояния. Но если две частицы одного вида находятся в одинаковом квантовом состоянии, – исключая, возможно, то, что одна частица имеет высокую вероятность быть здесь, а другая частица имеет высокую вероятность быть вон там, – законы квантовой механики гарантируют, что они неразличимы, не только на практике, но и в принципе. Они совершенные близнецы. Если кто-то поменяет положения частиц (более точно, поменяет вероятности того, что две частицы находятся в любом данном положении), то не будет никакого способа отличить это.


Таким образом, если мы представим, что в начале частица находится здесь,* и как-то поместим другую частицу того же вида в точно таком же квантовом состоянии (с той же вероятностью ориентации спина, энергией и так далее) в некоторое удаленное место, итоговая частица будет неотличима от оригинальной, и процесс будет в точности тем, что называется квантовой телепортацией. Конечно, если оригинальная частица сохраняется в процессе нетронутой, вы можете захотеть назвать процесс квантовым клонированием или, возможно, квантовым факсимильным копированием. Но, как мы увидим, научная реализация этих идей не защищает оригинальную частицу, – она неизбежно модифицируется во время процесса телепортации, – так что мы не столкнемся с этой таксономической дилеммой.


(*) "Поскольку телепортация начинается с чего-то, находящегося здесь, и пытается сделать так, чтобы оно появилось в удаленном месте, в этой секции я часто буду говорить, как если бы частицы имели определенные положения. Чтобы быть более точным, я всегда должен говорить "начиная с частицы, которая имеет высокую вероятность находиться здесь" или "начиная с частицы, которая имеет 99 процентов шансов находиться здесь" с аналогичным языком, используемым, когда частица телепортирована, но для целей краткости я использую неточный язык."


Более настоятельная вещь, и одна из тех, которые философы пристально рассматривали в различных формах, заключается в том, будет ли то, что верно для индивидуальной частицы, верным для агломерата частиц. Если вы можете телепортировать из одного положения в другое каждую отдельную частицу, которая составляет ваш ДеЛорен (марка суперавтомобиля, известного, в частности, по фильму "Назад в будущее"), обеспечив, что квантовое состояние каждой, включая взаимоотношения со всеми другими, будет воспроизведено со 100% правильностью, будете ли вы успешны в телепортации автомобиля? Хотя мы не имеем эмпирических доказательств, которые могли бы направлять нас, теоретические доводы в поддержку того, что автомобиль телепортируется, сильны. Атомное и молекулярное расположение определяет, как объект выглядит и ощущается, звучит и пахнет, и даже каков на вкус, так что результирующий автомобиль должен быть идентичен оригинальному ДеЛорену – выпуклости, щели, скрипучая левая дверь-крыло, запах плесени от семейной собаки, все целиком – и автомобиль должен резко брать с места и реагировать на ножную педаль газа в точности так же, как это делал оригинал. Вопрос о том, является ли автомобиль на самом деле оригиналом или, вместо этого, точным дубликатом, не беспокоит. Если вы попросите Соединенные Квантовые Транспортные Линии погрузить ваш автомобиль на корабль и отправить из Нью-Йорка в Лондон, но они без вашего ведома телепортируют его описанные способом, вы никогда не узнаете отличия, – даже в принципе.


Но что если транспортная компания сделает то же самое с вашим котом или, пресытившись самолетной гастрономией, что если вы решитесь на телепортацию для вашего собственного трансатлантического путешествия? Будет ли кот или персона, которая вышла из приемной камеры, той же самой, которая вступила в телепортатор? Что касается меня, я так и думаю. Еще раз, поскольку мы не имеем существенных данных, лучшее, что я или кто-либо может сделать, это рассуждать. Но, по моему образу мыслей, живое существо, чьи составляющие атомы и молекулы находятся точно в том же квантовом состоянии, как и мои, есть я. Даже если "оригинал" меня все еще существует после того, как было сделано "копирование", я (мы) буду говорить без колебаний, что каждый есть я. Мы имели бы одинаковое мнение – буквально – в утверждении, что никто не будет иметь приоритета перед другим. Мысли, воспоминания, эмоции и рассудительность имеют физическую основу в свойствах атомов и молекул человеческого тела; идентичные квантовые состояния этих элементарных составляющих влекут за собой идентичное самосознание. Со временем наши жизненные опыты приведут нас к дифференциации, но я действительно верю, что впредь будет два меня, а не оригинал, который был бы как-то "настоящим" мной, и копия, которая как-то не была бы.


Фактически, я сознательно немного неточен. Наше физическое строение все время проходит через огромное количество трансформаций – некоторых незначительных, некоторых радикальных, – но мы остаемся той же самой персоной. От американского производителя мороженого Haagen-Dazs, который наводнил кровоток жиром и сахаром, до технологии магниторезонансного сканирования (MRI), которая для составления трехмерных карт опухолей и метастазов переворачивает спиновые оси различных атомных ядер в мозгу, до сердечных трансплантантов и липосакции, до триллионов атомов в среднем человеческом теле, которые заменяются каждую миллионную долю секунды, мы подвержены постоянным изменениям, однако наша персональная идентичность остается не затронутой. Так что, даже если телепортируемый не будет обладать моим физическим состоянием с совершенной точностью, он все равно будет полностью неотличим от меня. В моей книге он все равно будет мной.


Конечно, если вы верите, что в жизни, и, особенно, в сознательной жизни, имеется что-то большее, чем ее физическое строение, ваши стандарты для успешной телепортации будут более строгими, чем мои. Эта сложная проблема – до какой степени наша персональная идентичность связана с нашей физической? – дебатируется годы в различных видах и остается без ответа, который бы удовлетворил каждого. В то время как я верю, что идентичность целиком находится в физической области, другие не согласны, и никто не может предъявить окончательный ответ.


Но, безотносительно к вашей точке зрения на гипотетический вопрос о телепортации живого, ученые сейчас установили, что благодаря чудесам квантовой механики индивидуальные частицы могут быть – и были – телепортированы.


Посмотрим, каким образом.


Квантовое запутывание и квантовая телепортация


В 1997 группа физиков под руководством Антона Зейлингера, тогда работавшего в Университете Инсбрука, и другая группа под руководством А. Франческо Де Мартини из Университета Рима, каждая в отдельности[2] провели первую успешную телепортацию отдельного фотона. В обоих экспериментах начальный фотон в особом квантовом состоянии был телепортирован на короткую дистанцию через лабораторию, но имеются все основания ожидать, что процедура будет аналогично работать на любой дистанции. Каждая группа использовала технику, основанную на теоретическом результате, сообщенном в 1993 командой физиков – Чарльзом Беннетом из Ватсоновского Исследовательского Центра IBM; Жилем Брассаром, Клодом Крепо и Ричардом Джозой из Университета Монреаля; израильским физиком Ашером Пересом и Вильямом Вуттерсом из Вильямсовского Колледжа, – которые полагались на квантовое запутывание (Глава 4).


Вспомним, что две запутанные частицы, скажем два фотона, имеют странное и тесное взаимодействие. В то время как каждая имеет только определенную вероятность крутиться (иметь определенный спин) тем или иным образом, и в то время как каждая, будучи измеренной, кажется "выбирает" хаотически между различными возможностями, какой бы "выбор" ни сделала одна, другая немедленно делает то же самое, безотносительно к их пространственному разделению. В Главе 4 мы объясняли, что не имеется способа, чтобы использовать запутанные частицы для передачи сообщения от одного места к другому быстрее скорости света. Если непрерывный ряд запутанных фотонов будет измерен в каждом из сильно удаленных мест, данные, собранные в обоих детекторах будут хаотической последовательностью результатов (с общей частотой появления того или иного направления спина, соответствующей вероятностной волне частиц). Запутывание становится очевидным только при сравнении двух списков результатов, и оказывается, как ни удивительно, что они идентичны. Но это сравнение требует некоторого вида ординарной, более медленной, чем скорость света, коммуникации. А поскольку до сравнения не может быть обнаружено никаких следов запутывания, не может быть послан сигнал, более быстрый, чем скорость света.


Тем не менее, даже если запутывание не может быть использовано для сверхсветовых коммуникаций, кое-что может помочь почувствовать, что дальнодействующие корреляции между частицами являются столь причудливыми, что они применимы для кое-чего экстраординарного. В 1993 Беннет и его соратники открыли одну такую возможность. Они показали, что квантовое запутывание может быть использовано для квантовой телепортации. Вы не можете послать сообщение со скоростью больше световой, но если вы будете устраивать более медленную, чем свет, телепортацию частицы отсюда туда, запутывание будет билетом.