Ткань космоса: Пространство, время и структура реальности
| Вид материала | Документы |
- 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.
Обоснование, стоящее за таким заключением, хотя и математически честное, является хитроумным и изобретательным. Здесь приводятся особенности его проведения. Представим, что я хочу телепортировать отдельный фотон, который я называю Фотоном А, из моего дома в Нью-Йорке к моему другу Николасу в Лондон. Для простоты рассмотрим, как я телепортирую точное квантовое состояние спина фотона – это значит, как я обеспечиваю, что Николас получит фотон, чья вероятность определенного значения спина тем или иным образом будет идентична Фотону А.
Я не могу непосредственно измерить спин Фотона А, позвонить Николасу, чтобы он провел манипуляции с фотоном на его стороне, так что его спин соответствовал бы моему наблюдению; результат, который я получаю, будет подвержен влиянию наблюдения, которое я провожу, так что правильное состояние Фотона А перед моим наблюдением не будет отражено. Так что я могу сделать? Ну, согласно Беннету и его коллегам, первый этап заключается в том, чтобы гарантировать, что Николас и я, каждый имеем по одному из двух дополнительных фотонов, назовем их Фотоны В и С, которые запутаны. Как мы станем обладателями этих фотонов, не особенно важно. Только допустим, что Николас и я убеждены, что даже если мы находимся по разные стороны Атлантики, если я измеряю спин Фотона В относительно заданной оси и он делает то же самое для Фотона С, мы найдем в точности одинаковый результат.
Следующий этап, в соответствии с Беннетом и сотрудниками, не связан с прямым измерением Фотона А – фотона, который я надеюсь телепортировать, – поскольку это приведет к слишком резкому вмешательству. Вместо этого я должен измерить общее свойство Фотона А и запутанного Фотона В. Например, квантовая теория позволяет мне измерить, имеют ли Фотоны А и В одинаковый спин относительно вертикальной оси без измерения их индивидуальных спинов. Аналогично, квантовая теория позволяет мне измерить, имеют ли Фотоны А и В одинаковый спин относительно горизонтальной оси без измерения их индивидуальных спинов. В результате такого объединенного измерения я не узнаю спина Фотона А, но я узнаю, как спин Фотона А связан со спином Фотона В. И это важная информация.
Удаленный фотон С запутан с фотоном В, так что если я знаю, как Фотон А связан с Фотоном В, я могу вывести, как Фотон А связан с Фотоном С. Если я теперь сообщу по телефону эту информацию Николасу, передав ему, как состояние спина Фотона А связано с состоянием спина Фотона С, он сможет определить, что надо сделать с Фотоном С, чтобы его квантовое состояние стало соответствовать состоянию Фотона А. Как только он проведет необходимые манипуляции, квантовое состояние фотона, находящегося в его владении, будет идентичным состоянию Фотона А, а это все, что нам необходимо, чтобы объявить, что Фотон А был успешно телепортирован. В простейшем случае, например, если мое измерение обнаруживает, что спин Фотона В идентичен спину Фотона А, мы придем к заключению, что спин Фотона С также идентичен спину Фотона А и без дальнейших хлопот телепортация будет завершена. Фотон С будет в том же самом квантовом состоянии, как и Фотон А, как и хотелось.
Ну, почти. Имеется грубая идея, но для объяснения квантовой телепортации в виде управляемых этапов, я до настоящего момента оставлял без внимания абсолютно ключевой элемент истории, который я сейчас восполню. Когда я провожу совместное измерение Фотонов А и В, я на самом деле узнаю, как спин Фотона А связан со спином Фотона В. Но, как и во всех наблюдениях, само измерение влияет на фотоны. Следовательно, я не узнаю, как спин Фотона А был связан со спином Фотона В до измерения. Вместо этого я узнаю, как они связаны после того, как состояния обоих фотонов были нарушены актом измерения. Так что, с первого взгляда, мы, кажется, стоим перед лицом той же самой квантовой преграды для копирования Фотона А, которую я описал выше: перед неизбежным нарушением состояния, вызванным процессом измерения. Именно здесь Фотон С приходит на помощь. Поскольку Фотоны В и С запутаны, нарушение, которое я вызвал у Фотона В в Нью-Йорке, будет также отражено в состоянии Фотона С в Лондоне. Это удивительная природа квантового запутывания, как мы детально обдумывали в Главе 4. Фактически, Беннет и его соратники показали математически, что через запутывание с Фотоном В нарушение, вызванное моим измерением, отпечатывается на удаленном Фотоне С.
И это фантастически интересно. Через мое измерение мы можем узнать, как спин Фотона А связан со спином Фотона В, но с раздражающей проблемой, что состояния обоих фотонов нарушились моим вмешательством. Через запутывание, однако, Фотон С связывается с моим измерением, – даже если он удален на тысячи миль, – и это позволяет нам обособить влияние нарушения и отсюда получить доступ к информации, обычно теряющейся в процессе измерения. Если я теперь позвоню Николасу с результатом моего измерения, он будет знать, как спины Фотонов А и В связаны после нарушения, и через Фотон С он получит доступ к влиянию самого нарушения. Это позволяет Николасу использовать Фотон С, чтобы, грубо говоря, вычесть нарушение, вызванное моим измерением, и таким образом, обойти препятствие к дублированию Фотона А. Фактически, как детально показали Беннет и сотрудники, через, по большей части, простые манипуляции со спином Фотона С (основанные на моем телефонном звонке, информирующем Николаса, каково состояние спина Фотона А относительно состояния спина Фотона В), Николас обеспечит, что Фотон С, каким бы ни был его спин, в точности скопирует квантовое состояние Фотона А перед моим измерением. Более того, хотя спин только одна из характеристик фотона, другие свойства квантового состояния Фотона А (такие как вероятность, что он имеет ту или иную энергию) могут быть воспроизведены аналогично. Таким образом, используя эту процедуру, мы можем телепортировать Фотон А из Нью-Йорка в Лондон.[3]
Как вы можете видеть, квантовая телепортация содержит два этапа, каждый из которых передает решающую и взаимно дополняющую информацию. Первый, мы предпринимаем совместное измерение на фотоне, который мы хотим телепортировать, вместе с одним из членов запутанной пары фотонов. Нарушение, связанное с измерением, отпечатывается на удаленном партнере из запутанной пары через причуды квантовой нелокальности. Этим заканчивается Этап 1, очевидно, квантовая часть процесса телепортации. На Этапе 2 результат самого измерения передается в удаленное место приема более стандартным способом (телефон, факс, электронная почта ...), что может быть названо классической частью процесса телепортации. В комбинации Этап 1 и Этап 2 позволяют воспроизвести точное квантовое состояние фотона, который мы хотим телепортировать, путем прямой операции (такой как поворот на определенный угол относительно особой оси) на удаленном члене запутанной пары.
Отметим также пару ключевых свойств квантовой телепортации. Поскольку оригинальное квантовое состояние Фотона А было нарушено моим измерением, Фотон С в Лондоне теперь является единственным в этом оригинальном состоянии. Нет двух копий оригинального Фотона А, так что вместо того, чтобы называть это квантовым факсом, на самом деле более точно называть это квантовой телепортацией.[4] Более того, даже если мы телепортируем фотон А из Нью-Йорка в Лондон, – даже если фотон в Лондоне станет неотличим от исходного фотона, который мы имели в Нью-Йорке, – мы не узнаем квантового состояния Фотона А. Фотон в Лондоне имеет точно такую же вероятность ориентации спина в том или ином направлении, какую Фотон А имел перед моим вмешательством, но мы не знаем, что это была за вероятность. Фактически, в этом фокус, лежащий в основе квантовой телепортации. Нарушение, вызванное измерением, не дает нам определить квантовое состояние Фотона А, но в описанном подходе мы не нуждаемся в знании точного квантового состояния фотона, чтобы телепортировать его. Мы нуждаемся в знании только одного аспекта его квантового состояния – что мы и узнали из совместного измерения с Фотоном В.
Квантовое запутывание с удаленным Фотоном С дополняет остальное.
Осуществление этой стратегии квантовой телепортации было немалым подвигом. В ранние 1990е создание запутанной пары фотонов было стандартной процедурой, но проведение совместного измерения двух фотонов (совместного измерения на Фотонах А и В, описанное выше, технически называющееся измерением состояния Белла) никогда не удавалось. Достижение обеих групп Зейлингера и Де Мартини было в изобретении хитроумной экспериментальной техники для совместного измерения и в осуществлении его в лаборатории.[5] К 1997 они достигли этой цели, став первыми группами, добившимися телепортации отдельной частицы.
Практическая телепортация
Поскольку вы, и я, и ДеЛорен и все другое состоит из многих частиц, естественный следующий шаг заключается в том, чтобы представить применение квантовой телепортации к таким большим коллективам частиц, позволив нам "излучить" макроскопический объект из одного места в другое. Но прыжок от телепортации одной частицы к телепортации макроскопического собрания частиц ставит в тупик и находится чрезвычайно далеко за пределами того, что исследователи могут сегодня совершить и что многие лидеры в этой области представляют достижимым даже в отдаленном будущем. Но на потеху, как фантастически мечтает Зейлингер, мы можем представить, как однажды достичь этого.
Представим, что я хочу телепортировать ДеЛорен из Нью-Йорка в Лондон. Вместо того, чтобы обеспечить Николаса и меня, каждого одним участником запутанной пары фотонов (что нам было нужно для телепортации отдельного фотона), каждый из нас должен иметь камеру с частицами, содержащую достаточно фотонов, нейтронов, электронов и так далее, чтобы построить ДеЛорен, причем все частицы в моей камере должны быть квантово запутаны со всеми ими в камере Николаса (см. Рис. 15.1). Мне также нужен прибор, который измеряет совместные свойства всех частиц, составляющих мой ДеЛорен, с теми частицами, которые собраны в моей камере (аналог измерения совместных свойств Фотонов А и В). Через запутывание частиц в моей камере влияние совместных измерений, которые я провожу в Нью-Йорке, будет отпечатано на частицах камеры Николаса в Лондоне (аналоге состояния Фотона С, отражающего совместное измерение А и В). Если я звоню Николасу и сообщаю результаты моих измерений (это будет дорогостоящий звонок, так как я передам Николасу около 1030 результатов), эти данные будут инструктировать его о том, как манипулировать частицами в его камере (почти как мой более ранний телефонный звонок проинструктировал его, как манипулировать Фотоном С). Когда он закончит, каждая частица в его камере будет в точности в том квантовом состоянии, как и каждая соответствующая частица в ДеЛорене (до того, как он подвергся любым измерениям), так что, как и в нашем предыдущем обсуждении, Николас теперь будет иметь ДеЛорен.* Его телепортация из Нью-Йорка в Лондон будет завершена.
(*) "Для коллектива частиц – в отличие от индивидуальной частицы – квантовое состояние также кодирует взаимоотношения каждой частицы в коллективе с каждой другой. Так что для точно воспроизведенного квантового состояния частиц, составляющих ДеЛорен, мы подразумеваем, что все они находятся в том же отношении к каждой другой, как и в оригинале; единственное отличие, которое они проявляют, это что их общее положение будет сдвинуто из Нью-Йорка в Лондон."
Рис 15.1 Фантастический подход к телепортации воображает наличие двух удаленных друг от друга камер с квантово запутанными частицами и предполагает проведение подходящих совместных измерений частиц, составляющих объект, который должен быть телепортирован, с частицами в одной из камер. Результат этого измерения должен затем обеспечить необходимую информацию, чтобы произвести действия с частицами во второй камере для воспроизведения объекта и завершения телепортации.
Заметим, однако, что на сегодняшний день каждый этап в этой макроскопической версии квантовой телепортации фантастичен. Объект, подобный ДеЛорену, имеет в избытке миллиарды миллиардов миллиардов частиц. Хотя экспериментаторы развлекаются с оборудованием, запутывающим более одной пары частиц, они экстремально далеки от достижения количества, соответствующего макроскопическим сущностям.[6] Установка двух камер запутанных частиц, таким образом, находится до смешного далеко за пределами сегодняшней досягаемости. Более того, совместное измерение двух фотонов было само по себе тяжелым и впечатляющим подвигом. Распространение его на совместное измерение миллиардов и миллиардов частиц является на сегодняшний день невообразимым.
С нашей сегодняшней точки зрения, непредвзятая оценка должна привести к заключению, что телепортация макроскопического объекта, по крайней мере способом, на сегодняшний день примененным для отдельной частицы, удалена от нас на эпохи – если не на вечность.
Но, поскольку единственной неизменной вещью в науке и технологии является превосходство голосов "против" от массы предсказателей над голосами "за" энтузиастов, я просто отмечу очевидное: телепортация макроскопических тел выглядит маловероятно. Хотя, кто знает? Сорок лет назад компьютер Энтерпрайза тоже выглядел достаточно маловероятным.[7]
Загадки путешествия во времени
Не отрицается, что жизнь была бы другой, если телепортация макроскопических объектов была бы столь же легкой, как вызов FedEx (крупнейшего мирового перевозчика разнообразных грузов) или запрыгивание в вагон метро. Несбыточные или невозможные путешествия стали бы достижимыми, а концепция путешествия через пространство была бы революционизирована до такой степени, при которой скачок в удобстве и практичности ознаменовал бы фундаментальный сдвиг в мировоззрении.
Даже при этих условиях влияние телепортации на наше восприятие вселенной бледнеет в сравнении с потрясением, которое могло бы быть произведено достижением путешествий через время по желанию. Каждый знает, что при достаточном усилии и желании мы можем, по крайней мере, в принципе, переместиться отсюда туда. Хотя имеются технологические ограничения на наши путешествия через пространство, внутри них границы наших путешествий регулируется нашим выбором и прихотью. Но перемещаться от сейчас в тогда? Наши ощущения подавляюще свидетельствуют, что это возможно, по большей части, одним путем: мы должны дожидаться этого – секунда должна следовать за секундой, когда тик за тиком "сейчас" методично движется к "тогда". И это предполагает, что "тогда" это позже, чем "сейчас". Если "тогда" предшествует "сейчас", ощущения диктуют, что такого пути нет совсем; путешествие в прошлое кажется невозможной альтернативой. В отличие от путешествий через пространство, путешествия через время кажутся чем угодно, кроме вопроса выбора и прихоти. Когда речь идет о времени, нас тащит вдоль одного направления, нравится нам это или нет.
Если бы мы были в состоянии плавать во времени так же легко, как мы плаваем в пространстве, наше мировоззрение не только изменилось бы, оно подверглось бы самому драматическому сдвигу в истории нашего вида. В свете такого несомненного потрясения, я часто поражался тому, как несколько людей осознали, что теоретические основы для одного вида путешествий во времени – путешествия во времени в будущее – имели место с ранних годов последнего столетия.
Когда Эйнштейн открыл природу пространства-времени СТО, он оформил программу для быстрого продвижения в будущее. Если вы хотите увидеть, что случится с планетой Земля через 1 000 или 10 000 или 10 миллионов лет в будущем, законы эйнштейновской физики говорят вам, как этого достичь. Вы строите транспортное средство, чья скорость может достичь, скажем 99,9999999996 процента от скорости света. На полной мощности вы направляетесь наружу в глубокое пространство на день, или десять дней, или на немногим более двадцати семи лет в соответствии с часами на вашем корабле, затем резко поворачиваете назад и направляетесь к Земле, опять на полной мощности. К вашему возвращению по земному времени истечет 1 000, или 10 000, или 10 миллионов лет. Это является необсуждаемым и экспериментально проверенным предсказанием СТО; это пример замедления времени при повышении скорости, описанный в Главе 3.[8] Конечно, поскольку корабли с такой скоростью находятся за пределами того, что мы можем построить, никто не проверил это предсказание буквально. Но, как мы обсуждали ранее, исследователи подтвердили предсказанное замедление времени на коммерческом авиалайнере, путешествующем с малой долей скорости света, точно так же, как на элементарных частицах вроде мюонов, носящихся через ускорители с очень близкой к световой скоростью (стационарный мюон рападается на другие частицы примерно в течение двух миллионных долей секунды, но чем быстрее он движется, тем медленее тикают его внутренние часы, и тем дольше мюон остается целым). Имеются все основания быть уверенным и нет никаких оснований не верить, что СТО точна и ее стратегия достижения будущего будет работать, как предсказано. Технология, а не физика, удерживает каждого из нас привязанным к этой эпохе.*
(*)"Хрупкость человеческого тела является другим практическим ограничением: ускорение, требуемое для достижения таких высоких скоростей в разумный промежуток времени находится далеко за пределами того, что тело может выдержать. Отметим также, что замедление времени дает, в принципе, стратегию, для достижения удаленных мест в пространстве. Если ракета покидает Землю и направляется к галактике Андромеды, двигаясь со скоростью в 99,999999999999999999 процентов от скорости света, нам придется ждать около 6 миллионов лет до ее возвращения. Но при такой скорости время на ракете замедлится относительно земного времени столь драматично, что при возвращении астронавт будет старше только на восемь часов (оставляя в стороне тот факт, что он или она не сможет пережить ускорения, чтобы достичь такой скорости, развернуться и, наконец, остановиться)."
Более тяжелая проблема, однако, возникает, когда мы думаем о другом виде путешествия во времени, путешествии в прошлое. Нет сомнений, вы знакомы с некоторыми из них. Например, имеется стандартный сценарий, в котором вы отправляетесь в прошлое и предотвращаете ваше собственное рождение. Во многих фантастических описаниях это достигается с применением насилия; однако любое менее радикальное, но столь же эффективное воздействие – такое как предотвращение встречи ваших родителей – может быть проделано так же легко. Парадокс ясен: если вы никогда не рождались, как вы могли появиться и, в особенности, как вы могли отправиться в прошлое и предотвратить встречу ваших родителей? Для путешествия в прошлое и удержания ваших родителей в отдалении друг от друга вы должны были родиться; но если вы родились, отправились в прошлое и удержали ваших родителей в отдалении, вы не смогли бы родиться. Мы неосторожно попали в логический тупик.
Сходный парадокс, предложенный философом из Оксфорда Майклом Дамметтом и модифицированный его коллегой Дэвидом Дойчем, дразнил разум слегка отличающимся, возможно, даже более сбивающим с толку образом. Вот одна из версий. Представим, что я построил машину времени и преместился на десять лет в будущее. После короткого ланча в Tofu-4-U (сеть, которая обошла МакДоналдс после того, как великая пандемия коровьего бешенства придавила публичное увлечение чизбургерами) я нашел ближайшее интернет-кафе и смог посмотреть онлайн, какие достижения были сделаны в теории струн. И получил роскошный сюрприз. Я прочитал, что все открытые задачи в теории струн были решены. Теория была полностью разработана и успешно использована для объяснения всех известных свойств частиц. Неопровержимые доказательства для дополнительных размерностей были найдены, и предсказания теории о свойствах суперсимметричных партнеров частиц – их массах, электрических зарядах и так далее – были уже в точности подтверждены Большим Адронным Коллайдером. Больше не осталось никаких сомнений: теория струн является единой теорией вселенной.
Когда я немного глубже посмотрел, кто ответственен за такие великие достижения, я был удивлен куда больше. Прорывную статью написала годом раньше никто иной как Рита Грин. Моя мать. Я был шокирован. Это не означает неуважение: моя мать замечательная личность, но она не ученый, не может понять, почему кое-кто становится ученым и, например, прочитала только несколько страниц Элегантной вселенной перед тем, как закрыть книгу, сказав, что от нее разболелась голова. Так как же она могла написать ключевую статью по теории струн? Ну, я прочитал ее статью онлайн, был поражен простыми, однако глубоко проницательными обоснованиями и увидел в конце, что она благодарит меня за несколько лет интенсивных инструкций по математике и физике после семинара Тони Роббинса*, склонившего ее к преодолению своих опасений и нашедшего внутри нее физика. Черт, думаю я. Она просто записалась на этот семинар, когда я отправился в мое путешествие в будущее. Мне лучше направиться назад в мое собственное время, чтобы начать инструкции.
(*)"Известный в США отец-основатель индустрии "живого кучинга" (оно же нейролингвистическое программирование, оно же мотивационный тренинг) – лекционных курсов, призванных вскрыть внутренний потенциал слушателей, помочь им преодолеть страхи и в итоге добиться успеха вне зависимости от области деятельности. – (прим. перев.)"
Итак, я возвращаюсь во времени, чтобы преподавать моей матери теорию струн. Но дело движется плохо. Проходит год. Затем второй. И хотя она сильно старается, она все еще не постигает теории. Я начинаю волноваться. Мы стоим перед теорией вторую пару лет, но прогресс минимален. Теперь я на самом деле разволновался. Больше не остается времени перед тем, как предполагается, что появится ее статья. Как она может написать ее? Наконец, я принимаю большое решение. Когда я читал ее статью в будущем, она произвела на меня такое впечатление, что я запомнил ее слово в слово. Так что вместо того, чтобы заставить мою мать совершить открытие самостоятельно, – что выгядит все менее и менее вероятным, – я скажу ей, что ей написать, удостоверившись, что она включит в текст в точности все, что я запомнил, читая ее статью. Она опубликует статью, что немедленно вызовет мировой пожар в физике. Все, о чем я прочитал во время моего пребывания в будущем, произойдет.