Эксперимент по намерению. Запустите сценарий счастливой жизни

Глава 1 Непостоянная материя

Немногие части галактики так же холодны, как пространство внутри холодильной установки в лаборатории Тома Розенбаума. Температура в установке – круглом аппарате размером с комнату, оснащенном цилиндрами, – может опускаться до отметки лишь на несколько тысячных градуса выше абсолютного нуля. Это почти -459 градусов по Фаренгейту – в три тысячи раз холоднее, чем в самых отдаленных глубинах космоса. В течение двух дней жидкий азот и гелий циркулируют в холодильной установке, а затем три помпы, постоянно выдувающие газообразный гелий, опускают температуру до возможного предела. В отсутствие какого бы то ни было тепла атомы материи замедляют свое движение. При такой низкой температуре Вселенная бы остановилась. Такая установка – искусственный вариант ледяного ада.

Абсолютный нуль – наиболее «предпочтительная» температура для таких физиков, как Том Розенбаум. В свои 47 лет, будучи выдающимся профессором физики в Чикагском университете, а в прошлом главой института Джеймса Франка, Розенбаум входил в группу ведущих специалистов, занимавшихся исследованием пределов неупорядоченности в физике конденсированного состояния вещества – науке о внутренних процессах в жидкостях и твердых веществах, возникающих при нарушении их структуры [26]. В физике, если вы хотите узнать, как нечто себя ведет, проще всего поместить это нечто в неподходящие условия и посмотреть, что из этого получится. Нарушение структуры обычно достигается с помощью нагревания или воздействия магнитным полем, что позволяет увидеть, как интересующая нас субстанция будет реагировать, а также определить, какое направление вращения, или магнитной ориентации, выберут атомы.

Большинство коллег Розенбаума в сфере физики конденсированного состояния вещества занимаются симметричными системами, такими как кристаллические твердые вещества. Атомы таких веществ расположены в определенном порядке, как яйца в коробке. Но Розенбаума интересовали странные системы, изначально неупорядоченные – о них квантовые физики более традиционных взглядов презрительно отзывались как о «грязи». Розенбаум был убежден, что в «грязи» сокрыты тайны квантовой вселенной, неисследованной территории, по которой он увлеченно прокладывал курс. Ему нравилось раскрывать секреты спинового стекла – странных гибридов кристаллов, обладающих магнитными свойствами и технически относящихся к медленно движущимся жидкостям. В отличие от кристалла, чьи атомы движутся в одном направлении, атомы спинового стекла непредсказуемы и застывают в беспорядке.

Использование крайне низких температур позволило Розенбауму настолько замедлить атомы этих странных субстанций, что стало возможным детальное наблюдение и выявление их квантово-механической сущности. При температуре, близкой к абсолютному нулю, когда атомы практически неподвижны, вещества начинают приобретать новые общие свойства. Розенбаум пришел в восторг от недавнего открытия, что неупорядоченные при комнатной температуре системы демонстрируют постоянство, подвергшись охлаждению. Разрозненные атомы неожиданно начинают действовать согласованно.

Исследования группового взаимодействия молекул в различных обстоятельствах позволяют многое узнать о внутренней природе материи. Лаборатория Розенбаума показалась мне самым подходящим местом для начала моего собственного путешествия к открытиям. Там, при самых низких температурах, где все происходит в замедленном темпе, может открыться истинная природа базовых составляющих вселенной. Меня интересовало, как компоненты нашей физической вселенной, которые мы считаем абсолютно стабильными, могут подвергаться фундаментальным изменениям. Я также хотела узнать, возможно ли показать, что квантовые явления, такие как эффект наблюдателя, имеют место за пределами субатомного мира, в мире повседневном. Открытия Розенбаума, сделанные им с помощью холодильной установки, могли многое прояснить в отношении того, как всякий объект или организм в физическом мире, который считается в классической физике неизменным и окончательным, подверженным только воздействиям грубых ньютоновских сил, может быть изменен энергией мысли.

Но Розенбаум полагал, что этот процесс может быть обратимым. Последние открытия, касающиеся неупорядоченных систем, свидетельствуют о том, что определенные материалы при особых обстоятельствах могут не подчиняться законам энтропии и воссоединяться вместо того, чтобы распадаться. Возможно ли движение материи в противоположном направлении – от неупорядоченности к упорядоченности?

На протяжении 10 лет Розенбаум и его студенты из Института Джеймса Франка пытались ответить на этот вопрос с помощью кусочка фтористо-гольмиево-литиевой соли. Внутри холодильной установки Розенбаума лежал розовый кристалл, завернутый в два слоя меди. По размеру он не превышал и кончика карандаша. За много лет работы со спиновым стеклом Розенбаум очень увлекся этими блестящими маленькими структурами, являющимися одними из наиболее мощных магнитов на Земле. Эта характеристика давала отличную возможность для изучения неупорядоченности. Но сначала нужно было изменить до неузнаваемости сам кристалл, превратив его в неупорядоченное вещество.

Розенбаум распорядился, чтобы в лаборатории, где выращивались кристаллы, соединили гольмий, фтор и литий, первый металл в Периодической таблице. Получившаяся фтористо-гольмиево-литиевая соль была податливой и предсказуемой – высоко упорядоченная структура, чьи атомы вели себя подобно морю микроскопических компасов, показывающих на Север. И тогда Розенбаум при содействии своих сотрудников вывернул структуру соли наизнанку: он извлекал один за другим атомы гольмия и заменял их иттрием – серебристым металлом, не обладающим магнитными свойствами – пока в итоге не получился странный гибрид первоначальной структуры соли под названием литиево-гольмиево-иттриевый тетрафторид.

Убрав все магнитные свойства из этой структуры, Розенбаум породил «спиновую анархию» – атомы этого «Франкенштейна» были ориентированы во всех существующих направлениях. Возможность манипулировать основными свойствами элементов, подобных гольмию, с такой легкостью, порождая странные новые структуры, имела привкус безграничной власти над самой материей. Вооруженный новыми спиновыми стеклами, Розенбаум мог изменять свойства вещества по своему желанию: заставить атомы принять одно направление или заморозить их в каком-либо случайном расположении.

Тем не менее его всемогущество имело пределы. Гольмиевые смеси Розенбаума упрямо вели себя по-своему в некоторых отношениях. Он никак не мог заставить их подчиняться законам температуры. Вне зависимости от того, насколько низкой была температура в холодильной установке, атомы противостояли всякой упорядоченности, словно отряд солдат, отказывающихся маршировать в ногу. Если Розенбаум был «Богом» своих спиновых стекол, то кристалл был «Адамом», упрямо не желавшим подчиняться его наиглавнейшему закону.

Интерес Розенбаума к странным свойствам кристаллического вещества разделяла и Саянтани Гош, одна из его многообещающих аспиранток. Сай, как ее зовут друзья, родилась в Индии и, окончив Кембридж с отличием, в 1999 году выбрала для аспирантуры лабораторию Тома. Практически сразу она отличилась тем, что получила награду Грегора Вентцеля, которую Чикагский университет присуждает лучшему аспиранту первого года, ведущему занятия. Худенькая 23-летняя девушка, производившая поначалу впечатление скромницы, словно прятавшей лицо за копной черных волос, вскоре поразила как ровесников, так и преподавателей своей энергичностью и самоуверенностью, столь редко встречающейся среди студентов-естественников, а также способностью переводить сложные идеи на уровень, доступный любому студенту. Сай стала второй женщиной, удостоившейся заветной награды Вентцеля за все 25 лет ее существования.

Согласно законам классической физики, применение магнитного поля должно разрушать магнитную согласованность атомов вещества. Степень повреждений структуры называется «магнитной восприимчивостью». Обычно неупорядоченные вещества реагируют на магнитное поле, а затем успокаиваются, когда температура падает или магнитное поле достигает точки магнитной насыщенности. Атомы больше не могут двигаться в том же направлении, что и магнитное поле, и поэтому начинают замедляться.

В первых экспериментах Сай атомы фтористо-гольмиево-литиевой соли начинали «сходить с ума» при воздействии на них магнитного поля. Но затем, когда Сай увеличивала мощность поля, начинало происходить что-то странное. Чем больше она увеличивала частоту, тем быстрее сновали атомы. Более того, все атомы, находившиеся в состоянии неупорядоченности, ориентировались в одном направлении и действовали как единое целое. Затем небольшие группы, примерно из 260 атомов, выстраивались в линию и образовывали осцилляторы [27], вместе поворачиваясь в ту или иную сторону. Вне зависимости от того, насколько интенсивным было магнитное поле, применяемое Сай, атомы упрямо оставались соединенными друг с другом, действуя вместе. Такая самоорганизация сохранялась 10 секунд.

Сначала Сай и Розенбаум думали, что подобное явление может быть связано со странными эффектами сохранившихся атомов гольмия. Это один из немногих известных элементов, обладающих настолько «долгоживущими» внутренними силами, что в некоторых источниках они были описаны как нечто существующее в ином измерении, что получило и математическое выражение [28]. Хотя ученые и не понимали данный феномен, они все же опубликовали свои результаты в журнале «Наука» в 2002 году [29].

Розенбаум решил провести другой эксперимент и попытаться выявить свойство кристалла, позволяющее ему выдерживать настолько сильные внешние воздействия. Он поручил разработку исследования своей молодой талантливой аспирантке, посоветовав ей создать компьютерную трехмерную модель эксперимента, который она намеревалась провести. В исследованиях такого рода физикам приходится полагаться на компьютерные модели для математического подтверждения реакций, которые они наблюдают.

Сай на протяжении нескольких месяцев разрабатывала компьютерный код и создавала свою модель. Она намеревалась выяснить как можно больше о магнитных свойствах соли с помощью воздействия на нее как высокими температурами, так и сильным магнитным полем.

Она подготовила препарат, поместив его на небольшую, 2,5 на 5 см, медную подставку, после чего обернула кристалл двумя кольцами: первое было градиометром для измерения магнитной восприимчивости и направления вращения отдельных атомов, а второе было необходимо, чтобы отделить любые случайные потоки, оказывающие внешнее воздействие на атомы.

Подключив это устройство к компьютеру, она смогла регулировать напряжение, магнитное поле или температуру и записывать любые изменения даже при совсем незначительных отклонениях переменных.

Она начала понижать температуру по доле градуса шкалы Кельвина, а после применила сильное магнитное поле. К ее изумлению, атомы продолжали выстраиваться в линию. Тогда она подняла температуру, но атомы снова упорядочились. Что бы она ни делала, атомы каждый раз игнорировали внешнее воздействие. Хотя они с Томом изъяли большую часть магнитных компонентов вещества, оно продолжало становиться все более сильным магнитом.

Сай решила, что это очень странно. Возможно, следовало собрать больше данных, просто чтобы удостовериться, что они не внесли ничего лишнего в систему.

Она повторяла свой эксперимент на протяжении шести месяцев, и весной 2002 года ее компьютерная модель была наконец завершена. Однажды вечером она изобразила результаты компьютерной модели в виде графика, а затем наложила сверху результаты своего реального эксперимента. Они идеально совпали. На экране компьютера была точная копия графика, составленного на основании практических данных. То, что она наблюдала в маленьком кристалле, не было случайным искажением, это было реальностью, которую ей удалось воспроизвести с помощью компьютера. Она даже обозначила места на графике, где должны были располагаться атомы, если бы они подчинялись обычным законам физики. Но атомы выстраивались в линию – так, как им хотелось.

В тот же вечер она написала Розенбауму защищенное паролем сообщение: «Я хочу показать вам кое-что интересное утром». На следующий день они рассмотрели график. Картина была однозначной, они оба это понимали – атомы игнорировали внешние воздействия, подчиняясь вместо этого соседним атомам. Вне зависимости от того, воздействовала ли Сай на кристалл сильным магнитным полем или повышала температуру, атомы преодолевали внешние воздействия.

Единственным объяснением было то, что атомы в таком кристалле были внутренне организованы и вели себя так, как будто они были единым гигантским атомом. Ученые внезапно осознали: все атомы должны быть взаимосвязаны.

Одним из наиболее странных аспектов квантовой физики является феномен нелокальности, которую также образно называют «квантовой запутанностью» или сцепленностью. Датский физик Нильс Бор открыл, что после контакта электронов и протонов эти субатомные частицы навсегда сохраняют «знание» друг о друге и оказывают моментальное взаимное влияние, какое бы расстояние их ни разделяло, несмотря на отсутствие того, что физики считают ответственным за всякое воздействие – взаимообмена силой или энергией. Когда частицы сцеплены, любое состояние одной из них, например магнитная ориентация, всегда будет влиять на состояние другой, вне зависимости от того, насколько далеко они находятся друг от друга. Эрвин Шрёдингер, еще один разработчик квантовой теории, был убежден, что открытие нелокальности является определяющим моментом квантовой теории, ее ключевым свойством и предпосылкой.

Активность сцепленных частиц аналогична поведению близнецов, разделенных при рождении, но навсегда сохраняющих одинаковые интересы и телепатическую связь. Один из близнецов живет в Колорадо, другой – в Лондоне. Хотя они никогда больше не встретятся, оба предпочитают синий цвет, оба работают инженерами, оба любят кататься на лыжах; более того, когда один из них падает и ломает правую ногу на горнолыжном курорте в Колорадо, второй в тот же самый момент также ломает правую ногу, хотя находится на расстоянии шести с половиной тысяч километров и попивает латте в «Старбаксе» [30]. Альберт Эйнштейн отказывался признавать нелокальность, презрительно называя ее Spukhafte Fernwirkungen («жуткое дальнодействие»). Он говорил, что для такой мгновенной связи необходимо, чтобы информация перемещалась быстрее скорости света, следуя известному мысленному эксперименту. Это нарушает положения его собственной теории относительности [31], так как в теории Эйнштейна скорость света (300 000 километров в секунду) применялась для вычисления абсолютного предельного фактора скорости, с которой один объект может влиять на другой. Объекты не должны быть в состоянии влиять на другие объекты быстрее, чем один объект мог бы достичь другого со скоростью света.

Тем не менее современные физики, такие как Алан Аспект и его коллеги в Париже, убедительно продемонстрировали, что скорость света не является абсолютным внешним пределом субатомного мира. Эксперимент Аспекта по вычленению двух протонов из одного атома показал: измерения одного протона мгновенно воздействовали на позицию другого [32], так что тот принимал ту же или, как выразился ЭВМ-физик Чарльз Н. Беннет, «противоположную судьбу» [33] – то есть направление вращения или позицию.

Большая часть квантовых экспериментов включает в себя неравенство Белла. Известный в квантовой физике эксперимент был проведен Джоном Беллом, ирландским физиком, разработавшим практический инструментарий для исследования того, как на самом деле ведут себя квантовые частицы [35]. В этом простом тесте необходимо найти две квантовые частицы, которые когда-то контактировали между собой, затем разъединить их и провести измерения. Это можно уподобить человеческой паре, скажем, Дафне и Теду, которые были вместе, а потом разошлись. Дафна может пойти в любом из двух возможных направлений, так же как и Тед. Здравый смысл говорит нам, что выбор Дафны никак не будет зависеть от Теда.

Когда Белл проводил свой эксперимент, он ожидал обнаружить, что данные измерений каждой частицы будут отличаться, и это продемонстрирует их «неравенство». Однако при сравнении результаты оказались одинаковыми, а неравенство – нарушенным. Какая-то невидимая нить связывала частицы в пространстве и заставляла их следовать друг за другом. С тех пор физики поняли: когда происходит нарушение неравенства Белла, это значит, что частицы сцеплены.