Квантовая физика, время, сознание, реальность

Пространство и время в целостной (замкнутой) системе

Есть интересный аспект вопроса о времени, которым сейчас интенсивно занимаются физики. Можно ли ввести понятие времени для целостной (замкнутой) системы типа нашей Вселенной, или для любой замкнутой системы? Существует ли объективно история? В настоящее время многие физики пришли к выводу, что нет.

Очевидно, понятие времени можно ввести только в том случае, если возможна классификация событий по причинно-следственным связям (событие A предшествовало событию B и может влиять на него, или событие B предшествовало событию A и может влиять на него, или события A и B никак не связаны). Оказывается, что подобную классификацию можно ввести только в случае открытых систем. Напомню, система является открытой, если есть нечто внешнее по отношению к ней, например, наблюдатель. В открытых системах суперпозиция состояний может переходить в смесь.

В целостной системе ситуация совсем другая. В такой системе имеет место суперпозиция состояний. Это значит, что эксперимент, проведённый в точке A, может мгновенно изменить результаты наблюдений в точке B, находящейся на любом расстоянии от точки A. Поэтому любое событие A путём выбора соответствующей системы отсчёта "может быть сделано" как происходящее до события B и способное влиять на него, или как происходящее одновременно с событием B, или как происходящее после события B, при этом событие B способно влиять на событие A. В некотором смысле, всё происходит "одновременно". Понятие времени в этом случае теряет смысл.

Для локального наблюдателя в точке B изменения результатов эксперимента выглядят как чудо — они не имеют причин, поскольку экспериментатор никак не взаимодействовал с объектом наблюдения, и никакого материального носителя взаимодействия не было. Есть следствие, но нет причины.

Утверждение о "нематериальном" и мгновенном влиянии результатов эксперимента в точке A на результаты наблюдений в точке B несколько лет назад было экспериментально доказано. Интересно, что мысленный эксперимент, близкий к экспериментам, проведённым совсем недавно, провёл ещё Альберт Эйнштейн, пытаясь опровергнуть квантовую механику. Но мир оказался гораздо фантастичнее, чем это представлялось величайшему из физиков.

Чтобы сказанное выше стало понятнее, рассмотрим эксперимент, проведённый в Рочестерском университете Ричардом Манделом с коллегами в середине 90х годов прошлого столетия. Подобные опыты, направленные на проверку т. н. неравенств Белла и исследование квантовой нелокальности, начались в 1981 году с исторического эксперимента группы Алена Аспекта. В настоящее время проведено около сотни подобных экспериментов, и они говорят в пользу нелокальности окружающего нас мира.

Схема эксперимента показана на рис. 4.

Лазерный луч с помощью полупрозрачного зеркала расщеплялся на два пучка, а затем каждый из пучков направлялся на так называемый нелинейный кристалл, т. е. преобразователь частоты, способный расщеплять квант света (фотон) на два дочерних кванта. Закон сохранения энергии при этом, конечно же, выполняется: энергия каждого из дочерних квантов вдвое меньше энергии материнского кванта. Например, если падает лазера с длиной волны 405 нм (зелёного цвета), то на выходе из кристалла будут два луча с длиной волны 810 нм (красного цвета), энергия каждого кванта которых вдвое меньше энергии кванта в исходном луче. Затем, с помощью системы зеркал, делалось так, что каждая из этих двух пар фотонов интерферировала между собой, примерно так, как интерферировали компоненты суперпозиции в нашем опыте с рассеянием электронов на двух щелях. Результаты наблюдения интерференционной картины фиксировались детекторами Д1-Д2 для первой пары фотонов, и детекторами Д3-Д4 — для второй пары.

Как известно, любая частица, обладающая ненулевым спином, в том числе фотон, характеризуется поляризацией, т. е. проекцией спина на направление движения. Фотоны могут обладать двумя состояниями поляризации, отвечающими двум возможным проекциям спина — вдоль и против направления движения. Вид поляризации света определяет плоскость колебаний электрического поля электромагнитных волн, и существуют так называемые анализаторы (специальные кристаллы), способные пропускать кванты только с определённой поляризацией. Поскольку различные состояния поляризации находятся в состоянии суперпозиции, то с помощью такого кристалла можно выделять те или иные её компоненты. Если подобный кристалл поставить по ходу одного из лучей, и вращать его относительно оси луча, то интерференционная картина будет меняться из-за изменения соотношения между компонентами суперпозиции. Итак, Ричард Мандел пространственно разнёс два пучка на достаточно большое расстояние, и начал менять помощью анализатора соотношение между компонентами суперпозиции на одном из них (нижнем на рис. 4). В силу его манипуляций с анализатором интерференционная картина на этом пучке менялась. Второй пучок он вообще не трогал! Но интерференционная картина, наблюдаемая на этом втором пучке, точь-в-точь повторяла интерференционную картину на пучке, с которым экспериментировал Мандел. И картина эта менялась мгновенно, в то же самое время, когда менялась картина на первом пучке. И это притом, что никаких "объективных" причин для изменения картины на первом пучке просто не было! Ведь человек в этом случае никак не взаимодействовал с объектом наблюдения, и никакого материального носителя взаимодействия между пучками не было!

Выходит, квантовый объект каким-то невероятным образом узнавал, что происходит с другим объектом, удалённым от него на значительное расстояние (сейчас проведены эксперименты с расстоянием между парами фотонов 10 км). Это явление обычно называют квантовыми корреляциями. Квантовые корреляции — неотъемлемое свойство сцеплённых (перепутанных) состояний. Напомним, что сцеплённые состояния частиц означают наличие связи каких-то характеристик этих частиц после их взаимодействия, и эта связь куда более жёсткая, чем следует из классических представлений. Если частицы когда-то провзаимодействовали, то в замкнутых системах связь между ними будет сохраняться всегда, и она будет мгновенной, на каком бы расстоянии друг от друга они не находились. Если с помощью анализатора или другого устройства мы определяем состояние (напр., поляризацию) одной частицы из пары, то состояние второй частицы тоже становится определённым! И вести себя эта частица будет теперь иначе, чем до измерения, проведённого с первой частицей! Это утверждение справедливо всегда для замкнутых систем, а в случае открытых систем связь между частицами будет сохраняться до тех пор, пока суперпозиция состояний не превратится под влиянием окружения в смесь.

Это похоже на то, как если бы сталкивались два шара, чёрный и белый, при этом область их столкновения не наблюдаема, и мы не знаем, какой куда полетит. Для квантовых частиц не будет так, как подсказывает здравый смысл: каждый шар изначально белый или чёрный, мы только не знаем его цвет. Вылетевшие шары будут вести себя как "серые", т. е. в каждом из них будет присутствовать суперпозиция белого и чёрного, и это проявляется в эксперименте. Но так будет происходить только до тех пор, пока мы не определим цвет одного из шаров. Если мы определили его цвет как чёрный, то другой немедленно перестаёт вести себя как серый, и начинает проявлять себя в эксперименте как белый, на каком бы расстоянии он не находился!

Теперь представим, что возле одного из пучков находится Вася, который проводит эксперименты, а возле другого — Петя, который не знает о существовании Васи. Для Пети изменение результатов эксперимента на его пучке выглядит как чудо, чудо в самом мракобесном понимании! Ведь Петя ничего не делает со своим пучком, все условия эксперимента остаются постоянными, а интерференционная картина по совершенно непонятным причинам меняется! То он видит "белые" шары, то "серые", то "чёрные". А никаких причин для изменения картины Петя не найдёт, как бы он не старался. Для него это выглядит так, как будто есть следствие, но нет причины.

Похожую схему установки можно использовать и для "мгновенной" передачи информации между Васей и Петей, для этого лишь необходимо, чтобы они согласовали свои действия. Собственно говоря, никакой "передачи" информации не происходит, информация просто распределена между подсистемами, а Вася и Петя в ходе подобного эксперимента имеют доступ к единому нелокальному объекту. Само собой, для мгновенного обмена информацией необходимо сначала где-то создать запутанные пары фотонов, и как-то переслать им. На сегодняшний день, использование оптоволоконных технологий позволяет сохранить запутанность фотонов на расстояниях до нескольких сотен километров, это пока создаёт предел для реализации устройств мгновенной квантовой связи. Но это чисто технический вопрос, рано или поздно он будет решён, и уже сейчас интенсивно обсуждаются вопросы создания глобальных систем квантовой связи. Можно помечтать и о создании "квантовых консервов" — устройств, в которых когерентность состояний тех или иных объектов не разрушается достаточно долго, и которые можно будет просто брать с собой.

Часто спрашивают: не противоречит ли возможность мгновенной передачи информации теории относительности? Нет, не противоречит. Теория относительности говорит о пределе в виде скорости света на скорость движения материальных объектов, и скорость передачи взаимодействия между ними. Это совершенно справедливо для локальных (классических) объектов. В случае же пар фотонов в запутанном состоянии нет никакого взаимодействия между ними, нет никакой передачи информации между ними, они просто остаются единым объектом, как бы далеко друг от друга не находились. Это грань реальности, которая выходит за рамки теории относительности.

Давайте теперь вообразим, что Вася находится возле нас, а Петя, вместе со своей установкой — возле звезды, расстояние до которой миллион световых лет. То есть Петя поставил свои эксперименты миллион лет назад, а до Васи только сейчас долетел свет из расщеплённого пучка, и он начал свои эксперименты с ним. Что же будет? Будет то же самое: эксперименты Пети изменят результаты экспериментов Васи, который, может быть, уже давным-давно умер, и даже успел опубликовать их результаты. Ведь определение Петей состояния фотонов определяет свойства Васиных фотонов, и результаты у того меняются, вне зависимости от расстояния между ними.

А что происходит, когда мы наблюдаем свет далёких звёзд? Или наблюдаем температурные неоднородности и поляризацию реликтового излучения, которое возникло задолго до возникновения первых звёзд и галактик? Совершенно верно, мы меняем состояние далёкого прошлого Вселенной, а стало быть, меняем историю! Получается парадоксальный вывод: история — это то, что создаётся проводимыми сейчас наблюдениями! И не только человека, но и любого объекта (об этом позже). Истории, как объективной реальности, независимой от наблюдателя, не существует.

Если кто хочет ближе ознакомится с этой темой, ищите ссылки на сильный и слабый антропный принцип, теорему Белла, квантовые корреляции. Думаю, что в журнале Scientific American должны быть обзоры по этим вопросам.

Замечу, что опыты по исследованию квантовых корреляций во многом оказались возможными потому, что физики научились приготавливать сцепленные состояния с известными характеристиками. Сцеплённые состояния образуются всегда, но найти метод приготовления того типа связи, который необходим для эксперимента, было очень непросто, этому научились не так давно. Этим и объясняется, почему опыты, задуманные ещё Эйнштейном, удалось провести только сейчас.

Рассмотрим теперь подробнее, как сказывается наличие квантовых корреляций на вопросе о наличии времени в замкнутых системах. Как я уже говорил, понятие времени можно ввести только в том случае, если возможна классификация событий по причинно-следственным связям (событие B предшествовало событию B и может влиять на него, или событие B предшествовало событию A и может влиять на него, или события A и B никак не связаны). Схематично такая классификация событий показана на левой половине рис. 5. На этом рисунке по оси абсцисс отложена пространственная координата события в лабораторной системе отсчёта (ЛСО), а по оси ординат — время в этой системе. Если объект в ЛСО покоится, то он будет описываться вертикальной линией, отвечающей движению во времени. Если же объект движется с постоянной скоростью, то он будет описываться наклонной линией, величина наклона которой зависит от скорости движения объекта.

Штриховыми линиями на рис. 5 показано движение объекта, двигающегося с максимально возможной скоростью передачи физического взаимодействия — скоростью света. Эти линии, отвечающие распространению света в различных направлениях, образуют конус, внутри которого располагаются события, до которых может дойти физическое взаимодействие из точки A. Таким образом, событие в точке A может повлиять на событие в точке B, поскольку до него может дойти взаимодействие из точки A, и не может повлиять на событие C, поскольку скорость физического взаимодействия для этого недостаточна. Таким образом, событие A предшествует событию B, и может повлиять на него, а события A и C с классической точки зрения никак не связаны.

В случае не связанных между собой событий A и C, можно показать, пользуясь формулами специальной теории относительности, что в некоторых системах отсчёта событие C будет предшествовать событию A, а в некоторых — происходить после него. Качественно это можно проиллюстрировать следующим образом. В ЛСО, как это видно непосредственно из графика, событие A предшествует событию C. Выберем систему отсчёта ракеты, летящей в ЛСО вправо с достаточно большой скоростью. Эта система отсчёта схематично показана синими осями на правой части рис. 5, она как бы "повернулась" относительно лабораторной системы в сторону движения ракеты. Нетрудно видеть, что проекция события C на ось времени (пусть это будет событие D) лежит до события A. То есть в системе отсчёта ракеты событие D предшествует событию A. Имейте, правда, в виду, что аналогия между преобразованием Лоренца и вращением декартовой системы координат, которую мы только что использовали, не всегда корректна: в первом случае мы имеем дело с вращениями в пространстве Минковского, а во втором — с вращениями в евклидовом пространстве. Но для нашего случая эта аналогия вполне годится.

Представим теперь, что события B, C и D являются квантово-коррелированными, как это имело место для пар фотонов в опытах Мандела (пусть событие D квантово-коррелировано с событием C в системе отсчёта ракеты). В этом случае понятие причинно-следственной связи для наших событий ввести нельзя! Ведь если в одной системе отсчёта событие B происходит после события A и может являться его следствием, то событие D — событие, коррелированное с событием B квантовым образом, предшествует событию A и может влиять на него! Два разных наблюдателя видят движение времени в противоположные стороны! И среди этих наблюдателей нет более "правильного", поскольку все инерциальные системы отсчёта абсолютно равноправны. В некотором смысле, всё происходит одновременно, и всё влияет друг на друга, хотя слово "одновременно" не совсем подходит. Скорее, любое событие происходит и раньше любого другого, и позже него. Никакой очерёдности событий нет! Понятие времени в этом случае со всей очевидностью теряет смысл!

Содержание последнего раздела можно выразить короче. Физическим системам нельзя приписать (по крайней мере всегда) характеристики как объективно существующие и независимые от проводимых измерений. Другими словами, характеристики объекта "создаются" наблюдателем, вне акта наблюдения состояние любого объекта во многом является неопределённым. Частицы, образованные когда-то в одном акте, остаются в замкнутой (целостной) системе единым объектом, вне зависимости от того, на каком расстоянии они находятся, и как давно произошло их разделение. Такие объекты находятся в целостной системе везде и нигде. В целостной системе понятия времени и пространства, причины и следствия теряют смысл. Похоже, что система типа нашей Вселенной — и есть такой объект. НАШ МИР НЕЛОКАЛЕН. Парадоксы квантовой механики, корпускулярно-волновой дуализм и т. д. могут быть выведены именно отсюда, из НЕЛОКАЛЬНОСТИ. В чистом запутанном состоянии Вселенной в целом есть всё, что есть, всё, что было, и всё, чего не было. Там есть и то, чего там нет!

Так что получается, что мы с вами, Будда и Эйнштейн находимся одновременно и здесь, и везде, и нигде! Не знаем мы об этом потому, что локализуем себя, неосознанно фиксируя определённое состояние окружающего мира. А фиксируем состояние этого мира мы только из-за того, что для нашего ума вокруг слишком много значимого, слишком много того, к чему он привязан, и в результате в нашем восприятии мира доминируют наиболее энергетически сильные классические корреляции.