Michio kaku parallel worlds
| Вид материала | Документы |
| Параллельные квантовыевселенные Дуглас Адаме Сумеречная зона Исполинский ум: Джон Уилер Детерминизм или неопределенность? |
- Карл Густав Юнг, 4472.47kb.
- Карл Густав Юнг, 5832.65kb.
- Информация для прессы intel® Parallel Studio xe 2011, 151.06kb.
- ru/computers/classes html, 11.94kb.
- Ata [править] Материал из Википедии — свободной энциклопедии, 453.7kb.
- Ata [править] Материал из Википедии — свободной энциклопедии, 336.97kb.
- Impacted Parallel Computing; Now, Let's go after Science! David B. Kirk (nvidia), 47.41kb.
Параллельные квантовые
вселенные
Думаю, не ошибусь, если скажу, что никто не понимает квантовую механику.
Ричард Фейнман
Любой, кто не поражен квантовой теорией, просто ее не понимает.
НильсБор
Двигатель, основанный на принципе Бесконечной Невероятности, - это прекрасный новый способ пересечения огромных межзвездных расстояний за доли секунды без нудного болтания по гиперпространству.
Дуглас Адаме
В
сверхпопулярном эксцентричном научно-фантастическом ро-
мане Дугласа Адамса «Автостопом по галактике» герой находит
оригинальный способ путешествия к звездам. Вместо использования
червоточин, гипердорог или порталов в другие измерения для путе-
шествия в иные галактики, он решает овладеть принципом неопреде-
ленности, чтобы молниеносно преодолевать широты межгалактиче-
ского 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 мо-
жете управлять квантовыми вероятностями по своему усмотрению,
даже невозможное может стать делом привычным.
Квантовая теория основана на том, что существует вероятность,
что все возможные события могут произойти вне зависимости от
того, насколько они фантастичны или глупы. Это, в свою очередь, ле-
жит в основе инфляционной теории — в момент Большого Взрыва
произошел квантовый переход в новое состояние, находясь в кото-
ром Вселенная внезапно невероятно расширилась. Видимо, вся наша
Вселенная могла зародиться в результате маловероятного квантово-
го скачка. Хотя Адаме 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 на-
стоящее время изменение вероятностей происхождения событий
находится далеко за пределами возможностей нашей технологии.
Иногда я даю аспирантам нашего университета задания попроще,
например вычислить вероятность того, что они внезапно дематери-
ализуются и снова возникнут с другой стороны кирпичной стены.
Согласно квантовой теории, существует малая, но исчисляемая
вероятность того, что такое может произойти. Или, коли на то по-
шло, вероятность того, что мы дематериализуемся у себя в гостиной
и попадем на Марс. Согласно квантовой теории, в принципе можно
внезапно рематериализоваться на красной планете. Конечно же, эта
вероятность настолько мала, что нам пришлось бы ждать дольше
жизни Вселенной. В результате в нашей повседневной жизни мы от-
брасываем вероятность таких событий. Но на субатомном уровне
такие вероятности жизненно необходимы для функционирования
электроники, компьютеров и лазеров.
По сути, электроны регулярно дематериализуются и рематериа-
лизуются на другой стороне стенки в запчастях ваших компьютеров
и компакт-дисков. В принципе, вся современная цивилизация потер-
пела бы крушение, если бы электроны не могли находиться в двух ме-
стах 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 разбро-
санных планет и астероидов. Подобным образом, если бы атомы
действовали в соответствии с законами Ньютона, они бы распада-
лись 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 со-
стояниях, паря на грани существования и небытия, то почему не
может то же самое происходить и со Вселенной? В конце концов,
в какой-то момент Вселенная была меньше, чем электрон. Признав
возможность применения квантового принципа ко Вселенной, мы
вынуждены принять во внимание существование параллельных
вселенных.
Именно эта возможность рассматривается в волнующем научно-
фантастическом романе Филиппа Дика «Человек в высоком замке».
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 прези-
дента 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 опра-
вившись после потери всего флота, Соединенные Штаты в 1947 году
вынуждены подчиниться немцам и японцам. В конце концов США
разделили на три части: германский рейх контролировал восточ-
ное побережье, японцы — западное побережье, между которыми
находилась тревожная граница — штаты Скалистых Гор. В этой
параллельной вселенной загадочный человек пишет книгу под на-
званием «Саранча садится тучей», 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 правда другая вселенная, где царят свобода и демократия, а не ти-
рания и расизм.
Сумеречная зона
Мир «Человека в высоком замке» и наш разделены крошечным не-
счастным случаем, одной-единственной пулей, вылетевшей из ружья
убийцы-наемника. Однако возможно также, что параллельный мир
может отделять от нашего ничтожное возможное событие: одно-
единственное квантовое событие, воздействие космического луча.
В одном из эпизодов сериала «Сумеречная зона» человек просы-
пается и обнаруживает, что жена не узнает его. Она с криком выгоня-
ет 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; 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 со своей 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 она перенес-
ла 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 эм-
бриона и стать причиной мутации, которая в конце концов вызовет
выкидыш. В таком случае одно-единственное квантовое событие мо-
жет разделить два мира — тот, где вы живете и являетесь нормальным
полезным гражданином, и еще один, абсолютно идентичный перво-
му, где вы так и не были рождены.
Перемещение между этими мирами находится в соответствии с
законами физики. Но оно чрезвычайно маловероятно; вероятность
того, что это случится, астрономически мала. Однако, как вы видите,
квантовая теория дает нам картину намного более странной вселен-
ной, чем та, которую подарил нам Эйнштейн. В теории относитель-
ности 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 своих написанных заранее ролей. Но в «квантовой» пьесе
актеры внезапно выбрасывают свои сценарии и начинают играть
по своей собственной воле. Марионетки обрывают свои нитки.
Устанавливается царство свободной воли. Актеры могут исчезать
и снова появляться на сцене. Что еще более странно, они могут об-
наружить, что появляются в двух местах одновременно. Произнося
свои реплики, актер никогда не может быть уверен, что партнер вне-
запно 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 кванто-
вой 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 кон-
струирования 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 и 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 исследова-
ний им. Годдарда, NASA, после открытия первых пульсаров.
Уилер родился в 1911 году в Джексонвилле (штат Флорида). Его
отец был библиотекарем, но инженерия были в крови у членов семьи.
Три его дяди были горными инженерами и в своей работе часто ис-
пользовали взрывчатые вещества. Сама идея использования дина-
мита 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 фа-
лангу другого. По случайному совпадению, когда Эйнштейн учился в
школе, с ним произошел подобный случай: из-за его неосторожности
взрыв произошел прямо у него в руке, и потребовалось наложить не-
сколько 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, — кван-
товой механике. Прямо на его глазах новая теория переживала свое
становление в Европе, ее разработкой занимались Нильс Бор, Вернер
Гейзенберг и Эрвин Шрёдингер, внезапно раскрьшший секреты ато-
ма. Всего лишь несколько лет назад последователи философа Эрнста
Маха поднимали на смех саму идею существования атомов, утверж-
дая, 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, утверж-
дали 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 годы, было раскрыто мно-
жество секретов атомов. Современная история не знала случаев, что-
бы прорывы такого масштаба были совершены за столь краткий про-
межуток 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. Подобно Дж. Роберту Оппенгеймеру до него, Уилер уехал
из Соединенных Штатов и отправился в Копенгаген, чтобы учиться
у самого Маэстро — Нильса Бора.
Эксперименты по изучению электронов показали, что электро-
ны 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 австрий-
ский физик Эрвин Шрёдингер предложил уравнение (знаменитое
уравнение Шрёдингера), которое в точности описывало движение
волны, сопровождающей электрон. Эта волна, обозначаемая гре-
ческой буквой ψ, с ошеломительной точностью прогнозировала
поведение атомов, что стало первой искрой, от которой вспыхнул
пожар революции в физике. Внезапно, основываясь на самом эле-
ментарном 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 фи-
зики скоро сведут всю химию к простой инженерии. Он заявил:
«Основополагающие физические законы, составляющие математи-
ческую базу большей части физики и всей химической науки, уже из-
вестны. Единственная трудность состоит в том, что применение этих
законов приводит к получению слишком сложных и не поддающихся
решению уравнений». 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 элек-
трона в любой заданной точке. Иными словами, вы никогда не могли
быть точно уверены, где находится электрон; максимум того, что вы
могли сделать, — это вычислить его волновую функцию, которая
давала вероятность его нахождения именно «там». Итак, если атом-
ная физика могла быть сведена к волнам вероятности нахождения
электрона «там» или «тут» и если электрон, по-видимому, мог на-
ходиться 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 находит-
ся 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 кос-
мос, а это значит, что существует малая вероятность того, что человек
окажется на Луне. (По сути, волновая функция человека распростра-
няется по всей Вселенной.)
Это также означает, что волновая функция дерева может сооб-
щить вам информацию о вероятности того, стоит ли оно или падает,
но она не может определенно ответить вам на вопрос, в каком же со-
стоянии оно действительно находится. Но 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 того, и другого одно-
временно.
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 волшеб-
ным образом «коллапсирует» и электрон впадает в определенное
состояние — то есть, посмотрев на дерево, мы видим, что оно дей-
ствительно 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 нахо-
дится в определенном состоянии и больше нет нужды в волновых
функциях.
Итак, постулаты копенгагенской школы Бора можно суммиро-
вать приблизительно в следующем виде:
- 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 глю-
он, а квант гравитации называется гравитоном, который нам
еще предстоит увидеть в лабораториях.)
- Вещество представлено точечными частицами, но вероят-
ность обнаружения этой частицы определяется волной. Сама
волна, в свою очередь, подчиняется определенному волновому
уравнению (такому, как волновое уравнение Шрёдингера).
- Перед наблюдением объект существует во всех возможных
состояниях одновременно. Чтобы определить, в каком состоя-
нии находится объект, нам необходимо провести наблюдение,
в результате которого волновая функция «коллапсирует» и
объект входит в определенное состояние. Сам акт наблюдения
уничтожает волновую функцию, и объект приобретает реаль-
ную определенность. Волновая функция служит своей цели:
она дает нам точную вероятность обнаружения данного объ-
екта 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 деся-
тилетий экспериментов с ускорителями частиц. Некоторые части
этой теории были проверены с точностью до миллиардных долей.
Если включить сюда массу нейтрино, то Стандартная модель соот-
ветствует всем экспериментам с субатомными частицами без ис-
ключения.
Но независимо от того, насколько успешна квантовая теория,
экспериментально она основана на постулатах, вызвавших целую
бурю философских и теологических споров на протяжении по-
следних 80 лет. В частности, второй постулат вызвал гнев церкви,
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 ожидающих нас судьбах. В шекспировском «Макбете» Банко,
отчаявшись приподнять завесу, скрывающую будущее, произносит
памятные строки:
Когда ваш взор, в посев времен проникнув,
Грядущих всходов зерна различит.
Скажите мне!
(Акт 1, Сцена 3*)
* Перев. С. М. Соловьева.
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 предска-
зать 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, пред-
стало бы перед нашими глазами». Когда Лаплас подарил Наполеону
экземпляр своего шедевра, «Небесной механики», император за-
метил: «Вы написали эту огромную работу о небесах и ни разу не
упомянули Бога». Лаплас отвечал: «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 реальности, где конкретные объекты, до которых мы можем
дотронуться, реальны и существуют в определенных состояниях,
Эйнштейн назвал «объективной реальностью». Он в высшей степе-
ни ясно изложил свою позицию в нижеследующем отрывке:
Я детерминист, вынужденный действовать таким образом,
будто свободная воля существует, поскольку если я хочу жить в
цивилизованном обществе, то мне необходимо действовать соот-
ветственно. Я знаю, что с философской точки зрения на убийце не
лежит ответственность за его преступления, но я бы не стал рас-
пивать 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... сила-
ми, над которыми мы не властны... в равной степени для насекомо-
го и для звезды. Человеческие существа, овощи или космическая
пыль — все мы танцуем под загадочное время, модулируемое где-
то невидимым исполнителем.
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 также всезнающ (ему из-
вестно все, даже будущее). В некоторых религиях это означает, что
Богу известно, отправимся мы в ад или в рай, еще до нашего рожде-
ния. По сути, где-то на небесах существует «книга судеб», где пере-
числены 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 ча-
стично способствовал расколу католической церкви в 1517 году,
когда Мартин Лютер приколол 95 тезисов на дверях церкви в Виттен-
берге. 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 нель-
зя убедить поменять свое решение, сделав щедрое пожертвование на
нужды церкви.)
Но для физиков, принимающих концепцию неопределен-
ности, 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 суще-
ствуют два типа физики: одна для причудливого субатомного мира,
где электроны, видимо, могут находиться в двух местах одновремен-
но, 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 сами ее соз-
датели, нравилось суммировать взгляды представителей этих двух
школ. Он приводит пример трех судей на бейсбольном матче, ко-
торые обсуждают тончайшие правила игры. Вынося решение, трое
судей говорят:
Первый: Я называю их так, как вижу.