Квантовая суперпозиция
Если во время наблюдения мельчайшие частицы материи существуют в нескольких вариантах, ученые сделали предположение, что до тех пор, пока ее наблюдают, она может находиться одновременно в нескольких местах. В 1935 году австрийский физик Эрвин Шредингер придумал, как проиллюстрировать эту идею, используя нечто большее, чем фотон – кота. Не волнуйтесь, это был теоретический, «мысленный» эксперимент – при его проведении ни один живой кот не пострадал. Представьте, что вы сажаете кота в коробку с устройством, которое по вашему желанию может выпустить ядовитый газ. Если выпустите газ, кот умрет. Предположим, вы подбрасываете монетку, чтобы решить, выпускать газ или нет. В данном случае математическая вероятность того, что газ будет выпущен, равна вероятности выпадения орла или решки – 50 %. Далее, открыв коробку, вы обнаружите кошку живой или мертвой.
Если бы кот был квантовой частицей, на то, жив он или мертв, мог бы повлиять наблюдатель. Подобно фотону, который в отсутствие наблюдения может быть и волной, и частицей, кот может быть одновременно и живым, и мертвым, пока вы не откроете коробку и не посмотрите на него. Вывод Шредингера состоял в том, что, если бы в данном эксперименте работали квантовые законы, кот находился бы в состоянии, которое называется квантовой суперпозицией, то есть кот был бы и живой, и мертвый одновременно. Этот вывод сильно обеспокоил ученых, поскольку он идет вразрез с законами причины и следствия, которые, по их предположениям, управляют Вселенной. В обычной ситуации ядовитый газ выпущен или нет; кот в коробке жив или мертв, независимо от наблюдателя. Этот знаменитый мысленный эксперимент приводят повсеместно, чтобы пролить свет на таинственный мир квантовой механики и проиллюстрировать, насколько законы квантового мира отличаются от законов, которые, как считается, управляют видимым миром.
Квантовая запутанность
Что еще более странно, квантовая физика также предсказывает, что частицы могут каким-то образом мгновенно взаимодействовать друг с другом, находясь в разных концах комнаты или даже в разных концах Вселенной. Частицы, связанные таким образом, называются запутанными. Вот как это работает. Допустим, у вас с другом есть две необычные колоды карт. Их особенность заключается в следующем: каждый раз, когда друг одновременно с вами переворачивает карту, он видит ту же карту, что и вы. Если вы перевернете карту и увидите пикового туза, ваш друг тоже увидит пикового туза. Подобно этим необычным картам, ученые могут запутать два фотона и отправить один из них в другое место. Если один ученый проводит измерение какого-либо свойства фотона, например, поляризации, ученый в другом месте при измерении получит те же результаты. Обратите внимание, что запутанность была открыта не только для фотонов, но и для других частиц. Здесь также можно говорить об эффекте наблюдателя, поскольку до наблюдения свойства частиц неизвестны. Ученые показали, что при нахождении двух фотонов на большом расстоянии друг от друга происходящее с одним фотоном может моментально повлиять на другой, как если бы они посылали друг другу мгновенные сигналы.
Как и многие другие аспекты квантовой физики, это открытие является огромной проблемой. Если запутанные частицы могут мгновенно посылать друг другу сигналы, то они должны перемещаться быстрее скорости света, что, согласно научной теории, невозможно. Бесстрашные ученые продолжают исследовать квантовую запутанность на все больших расстояниях, все сильнее подвергая сомнениям наши представления о физическом мире. Пока нет объяснения, как частицы запутываются и что вызывает сверхсветовую корреляцию. Но эксперименты не оставили и тени сомнений – нечто вызывает этот феномен. И хотя Эйнштейн недоверчиво называл его «призрачным действием на расстоянии», он вполне реален.
Теория всего
Теперь те из нас, кто не является физиками, могут задаться справедливым вопросом: как субатомные, микроскопические частицы могут вести себя столь отлично от тех же самых частиц, но сгруппированных в макроскопические, видимые объекты? Квантовая механика, управляющая микроскопическим миром, и общая теория относительности, управляющая макроскопическим миром, – обе теории хорошо доказаны. И хотя в обеих есть странные результаты, казалось бы, идущие вразрез с привычной нам реальностью, при тщательной проверке они всегда подтверждают выводы соответствующих теорий.
Также обе теории утверждают, что четыре фундаментальные силы влияют и на привычный нам макроскопический мир объектов, и на микроскопический мир квантовых частиц. Гравитация – сила, которая удерживает планеты и галактики на месте. Электромагнитная сила связывает электроны и ядра, а также атомы и молекулы. Сильное взаимодействие связывает атомные ядра и кварки друг с другом. А слабое взаимодействие вызывает медленный распад атомных ядер. Но как одни и те же силы могут действовать в двух, казалось бы, совершенно разных мирах?
Ученые пытаются создать теорию, объясняющую все четыре взаимодействия таким образом, чтобы она была применима как к микроскопическому, так и к макроскопическому миру. Ведутся попытки разработать единую теорию, точно описывающую микроскопическое и макроскопическое, которая широко известна как теория всего, или единая теория.
Последние 30 лет жизни Эйнштейн посвятил работе над объединением гравитации, которая работает в макромире общей теории относительности, с электромагнетизмом. С тех пор ученые продолжают эту работу, но пока и им не удается связать три негравитационные силы. Если ученые добьются успеха в этой области исследований, последствия для тех, кто заинтересован в изменении восприятия времени, будут огромными. Это предполагает, что законы квантовой механики оказывают измеримое, заметное влияние на макроскопические группы частиц в видимом мире, играют роль в образовании материи и определении реальности времени. Последние теории, которые связывают гравитацию с тремя другими силами, так амбициозны, что словосочетание «квантовая гравитация» стало синонимом «теории всего». (Подробнее об исследованиях, лежащих в основе теории всего, см. в «Приложении A: Наука».)
Среди них особенно выделяются две теории. Одна из них называется теорией струн, и ее смысл довольно точно отражает название. Теория предполагает, что Вселенная состоит из двух типов крошечных вибрирующих струн: с двумя открытыми концами и с замкнутыми петлями. Принципы растяжения, соединения, вибрации и разделения струн объясняют все явления во Вселенной, включая макроскопический мир общей теории относительности и микроскопический мир квантовой теории. Другая теория, которая называется петлевой квантовой гравитацией, предполагает, что Вселенная состоит из сети «петель», которые ведут себя как квантовые системы, в том числе подвержены квантовой неопределенности.
В дополнение к теориям об устройстве Вселенной ученые также работают над теорией всего, пытаясь продемонстрировать, что управляющие микроскопическим миром квантовые системы действуют и в макроскопическом мире. Например, ученые предполагают, что квантовая запутанность и обнаруженные в космосе червоточины могут быть одним и тем же феноменом. Другие ученые провели мысленный эксперимент, объединяющий гравитацию и квантовую механику, и продемонстрировали, что квантовая суперпозиция – помните кота Шредингера? – может существовать и для очень больших объектов, таких как космические корабли. Десятилетиями ученые работали над доказательством того, что сознание может вызывать коллапс, а эффект наблюдателя воздействует и на привычные нам крупные объекты. Так как наука неустанно прогрессирует, квантовые эксперименты над объектами, по своим размерам превышающими частицы, к которым применима квантовая теория, кажутся неизбежными.
Давайте чуть подробнее остановимся на последствиях того, что мы уже рассмотрели. Если квантовая запутанность реальна, если материя в отсутствие наблюдения существует в состоянии суперпозиции и, если эффект наблюдателя конструирует реальность, – буквально все может произойти, если подождать достаточно долго. Если рассматривать всю совокупность человеческих мыслей, можно сказать, что наши возможности безграничны. Вы можете представить, что на вашем заднем дворе приземляется самолет, а я – как на коленях появляется огурец.
