Тайны квантового мира: О парадоксальности пространства и времени

СЛОЖНОСТИ НОВОЙ ФИЗИКИ

Давайте вспомним принцип неопределенности Гейзенберга и задумаемся над тем, как можно было бы попытаться обойти его в одном из мысленных экспериментов. Допустим, две одинаковые частицы образовались в результате распада третьей частицы. В этом случае, по закону сохранения импульса, их суммарный импульс должен быть равен исходному импульсу третьей частицы, то есть импульсы двух частиц должны быть связаны. Это дает нам возможность измерить импульс одной частицы и по закону сохранения импульса рассчитать импульс второй, не внося в ее движение никаких возмущений. Поэтому, измерив координату второй частицы, мы сумеем получить для этой частицы значения двух неизмеримых одновременно величин, что по законам квантовой механики невозможно. Таким образом, получается, что соотношение неопределенностей не является абсолютным, а законы квантовой механики являются неполными и могут быть в будущем уточнены.

Однако теоретически существует возможность, при которой законы квантовой механики останутся абсолютными. Для этого нужно предположить, что две взаимодействовавшие частицы остаются каким-то образом связанными между собой. Тогда возмущения, вносимые измерением в состояние первой частицы, мгновенно перенесутся на состояние второй. Связанные таким образом частицы называются в квантовой механике запутанными и описываются единой волновой функцией, на каком бы расстоянии они ни находились. Передаваемое возмущение соответствует коллапсионной редукции волновой функции. Подобное мгновенное изменение описания квантового состояния микрообъекта, происходящее в процессе физических измерений, было детально описано в двадцатых годах прошлого века одним из создателей математического аппарата квантовой теории Джоном фон Нейманом.

Квантовая запутанность возникает в системе, состоящей из двух и более взаимодействующих подсистем (например, нескольких элементарных частиц), и представляет собой наложение друг на друга нескольких квантовых состояний. В этом случае изменение одной части системы в тот же момент времени сказывается на остальных ее частях. Здесь еще очень много неясного и все еще не хватает экспериментальных данных. Однако удивительные свойства запутанных состояний подтверждены многими физическими экспериментами, и именно эти «сверхъестественные» возможности лежат в основе работы принципиально новых электронно-вычислительных устройств — квантовых компьютеров.

В зависимости от величины квантовой запутанности (она изменяется от нуля до единицы) система может состоять из отделимых локальных частей, которые слабо связаны друг с другом. В этом случае мера запутанности близка к нулю. Если же система составляет единое неразделимое целое, то мера запутанности равна единице. Разделить на строго независимые части можно систему, части которой находятся в сепарабельном (незапутанном) состоянии (мера запутанности равна нулю). Это можно сделать только в случае системы, части которой никогда не взаимодействовали друг с другом.

Легко предположить, что величина запутанности зависит от интенсивности взаимодействия. Так, управляя взаимодействием с окружением, можно манипулировать мерой квантовой запутанности между составными частями системы. Например, замкнутая система может находиться в максимально запутанном состоянии и не будет иметь внутри себя локальных (классических) составных частей (подсистем). Но если она начинает взаимодействовать с окружением, то мера запутанности между ее подсистемами постепенно уменьшается, и они «проявляются» в виде локальных объектов. При наличии взаимодействия с окружением суперпозиция разрушается и проявляется то или иное классическое состояние в зависимости от типа взаимодействий. Именно этот физический процесс и называется декогерентизацией. Другой стороной этого процесса является возрастание меры запутанности системы с окружением. Оно будто «растаскивает» в разные стороны части того, что раньше было единым целым, придает им определенную форму, и они становятся видимыми, различимыми с нашей привычной классической точки зрения.

Система запутанных связей между блоками электронного агрегата

Квантовую запутанность часто сравнивают с множеством электронных связей, объединяющих радиоэлектронные элементы в единый прибор, как аналог целостной физической системы. Запутанное состояние — это несепарабельное (неразделимое) состояние составной системы, которую нельзя разбить на отдельные, полностью самостоятельные и независимые части.

Негатив

Квантовая запутанная система чем-то напоминает фотопластинку с непроявленным изображением. Это своеобразное физическое состояние объекта, когда видимая информация может появиться только после проявления фотопластинки (взаимодействия с окружением). Конечно, ситуация с запутанностью выглядит несколько сложнее, и там нет заранее отображенной «негативной» информации. Скорее это напоминает ситуацию, когда великое множество изображений равномерно распределено по фотонегативу и поэтому невидимо.

ГРАНИЦЫ КВАНТОВОГО МИРА

Вообще говоря, стоит отметить, что теория запутанных состояний касается не только главным образом квантовых микросистем, часть ее результатов можно было бы распространить и на произвольные макрообъекты (см. рис. 6 цв. вкл.). Микрочастицы являются лишь наиболее удобными объектами для изучения и манипулирования квантовой запутанностью в физических исследованиях. Для них квантовая запутанность проявляется особенно сильно, и ее уже невозможно игнорировать, как в случае макрообъектов. Ситуация здесь напоминает применение понятия «волновая функция» в микро- и макромире.

Мера квантовой запутанности непосредственно связана с количеством информации, содержащейся в физической системе. Связь между квантовой информацией и запутанностью позволяет описывать физические процессы изменения степени квантовой запутанности между компонентами системы как обмен информацией с ее окружением.

В целом наличие квантовой запутанности в макроскопических системах до сих пор является предметом бурных дискуссий. При этом наиболее интенсивно обсуждается вопрос квантового принципа несепарабельности — если системы взаимодействуют друг с другом, то они квантово-запутаны между собой (связаны нелокальными квантовыми корреляциями). При этом некоторые теоретики даже склоняются к мысли, что все акты взаимодействия в окружающем мире, вне зависимости от их масштабности, являются предпосылками для квантовой запутанности (несепарабельности) взаимодействующих объектов.

Однако следует четко осознавать, что пока еще физикам не удалось построить непротиворечивую общепризнанную схему нашей Вселенной, состоящей из несепарабельных материальных систем и объектов. В еще большей степени сказанное касается количественного описания макроквантовой запутанности в сопоставлении адекватности теоретических моделей с результатами физических экспериментов.

С понятием квантовой запутанности тесно связано явление декогеренции — потери слаженности волновых колебаний отдельных микрообъектов как когерентности квантовых суперпозиций в результате взаимодействия системы с окружающей средой. Декогеренция объясняет, как происходит процесс взаимодействия с окружением и как возникает смесь, эквивалентная распределению квантовых объектов по различным состояниям со своими вероятностями.

Некогерентный оркестр

Если соотнести физическую систему с образом оркестра, то ее декогеренция будет напоминать диссонанс мелодии при запутывании системы с ее окружением, возникающий в процессе взаимодействия звуковой среды концертного зала и уличного шума. Представим себе, что вследствие такого запутанного диссонанса дирижер оркестра в ярости ломает дирижерскую палочку и сбегает со сцены. Тогда музыканты распавшегося оркестра начинают исполнять индивидуальные партитуры, а сама исходная система из запутанного начального состояния переходит в незапутанное смешанное состояние.

КВАНТОВАЯ ТЕОРИЯ «ЗАПУТЫВАЕТСЯ»

Естественно, что у читателя уже давно должен был возникнуть вопрос: как такая «запутанная» квантовая теория согласуется с экспериментальными данными?

Если проводить опыты над полной системой, то отличить суперпозицию от смеси в принципе можно: суперпозиция приводит к некоторым интерференционным эффектам, которые отсутствуют в случае смеси. Это напоминает отбраковку посуды, когда контролер легкой металлической палочкой ударяет по бокалам и тарелкам. Если посуда цела (полная суперпозиция), возникает чистый тон, а если в стакане есть трещина, то слышен дребезжащий звук (смесь состояний).

Даже если некоторая система находится в состоянии, описываемом суперпозицией, но затем это состояние запутывается с состоянием окружения таким образом, что в окружении остается информация, позволяющая различить компоненты суперпозиции, то состояние системы подвергается декогеренции. Это значит, что оно становится смесью (а не суперпозицией) тех же компонент, причем никакими экспериментами, проведенными над системой (но не затрагивающими окружение, вызвавшее декогеренцию), невозможно выяснить, является ли смесь следствием имевшейся до этого суперпозиции, или она порождается неполным знанием о том, какая из компонент реально существует.

Первые эксперименты по проверке теории квантовой запутанности связаны с именем профессора Венского университета Антона Зайлингера. Для своих опытов Зайлингер выбрал обыкновенные фотоны — кванты электромагнитного излучения, — попытавшись «телепортировать» эти элементарные частицы в иную точку пространства. Важным элементом экспериментов Зайлингера была подготовительная фаза, ведь необходимо, чтобы в некоторой точке пространства оказался фотон, изменяющий свои характеристики в ходе телепортации и точь-в-точь такой же, как исходная частица. Опыты Зайлингера были признаны удачными, и ему действительно, по мнению других независимых исследователей, удалось показать, что в экспериментах по квантовой телепортации происходит не перемещение материальных объектов, а своеобразная череда мгновенных превращений их состояний.

Тут можем прибегнуть к следующему сравнению: представим себе, что в точке выхода квантового «портала» находится зеркало. Что бы ни происходило с исходным фотоном, зеркало отражает его образ, чуть переиначив его, поменяв местами «левое» и «правое». Правда, аналогия здесь не полная, поскольку изображение в зеркалах отражается со скоростью света, а скорость квантовой телепортации пока еще считается практически неограниченной. Подчеркнем, что это не противоречит теории относительности, поскольку не происходит перемещение материальных предметов и информацию о свершившемся перемещении сторонние наблюдатели тоже могут получить только по обычным «световым» каналам связи.

Основным объектом телепортационных опытов профессора Зайлингера были пары особым образом приготовленных фотонов с перпендикулярными друг другу плоскостями колебаний. С этого момента предполагалось, что если один из фотонов поляризован по горизонтали, то другой должен колебаться лишь в вертикальной плоскости — и соответственно наоборот. Так получили пары завязанных в «квантовый узел» запутанных микрочастиц. Затем запутанная пара направлялась на полупроницаемое зеркало, так что частицы либо отражались от поверхности зеркала, либо проникали сквозь нее. Возможных вариантов событий было четыре: проходят оба, проходят по одиночке и полностью отражаются. В любом случае оба фотона были теперь связаны друг с другом. Значит, свойства фотонов автоматически передавались друг другу, и они становились точь-в-точь такими же, как свои прототипы, находившиеся на расстоянии в несколько метров. В конечном итоге по показаниям детектора определяли, что телепортация состоялась.

Конечно, по сравнению с телепортационными линиями связи из фантастических романов подобные эксперименты выглядят довольно блекло. Ведь в них не происходит никакого переноса элементарных частиц из одной точки пространства в другую, поскольку в приемном устройстве уже имеется свой фотон и передается лишь информация о его поляризации.

В следующем разделе мы более подробно рассмотрим, что такое квантовая информация и как микрочастицы ее копируют, мгновенно «телепатически чувствуя» происходящие друг у друга изменения состояний. Сейчас же заметим, что после нескольких лет проб и ошибок Зайлингер и его коллеги научились телепортировать до сотни частиц в час. Тем временем французские физики уже начали проводить опыты по телепортации на атомарном уровне.

Фотоны, атомы… Что дальше?

«Я думаю, что в скором времени мы научимся связывать квантовым образом друг с другом даже крупные молекулы», — оптимистично утверждает профессор Зайлингер.

А недавно было показано, что при помощи запутанных состояний микрочастиц можно с невиданной точностью провести синхронизацию удаленных часов. Ученые сумели использовать пары запутанных фотонов для синхронизации с пикосекундной погрешностью (10^-12 с) хронометров, разнесенных на несколько километров. Детектирование одного фотона означает, что другой фотон тоже может быть обнаружен в очень узком интервале времени и такая корреляция между ними может служить для синхронизации часов с очень большой точностью. Синхронизация часов очень часто используется в самых различных физических экспериментах, и повышение точности здесь является довольно старой проблемой. Подобные эксперименты демонстрируют принципиально новый подход и могут иметь множество приложений в фундаментальной и прикладной физике.

Однако проблем вокруг квантовой телепортации еще слишком много. Ведь одним из главных требований «правильного» запутывания является создание «дистиллированно» сверхчистой квантовой среды, а чем сложнее квантовый объект, тем труднее изолировать его от внешнего мира. Если же объект неконтролируемо контактирует с внешним миром, то его неопределенное состояние тотчас преобразуется в «классическую локализацию», и весь процесс квантового запутывания с последующей телепортацией теряет свой смысл.

КВАНТОВАЯ СУТРА

Тут самое время сделать небольшой перерыв и задуматься над причудливой картиной квантовой реальности вместе с известным популяризатором научных знаний Романом Фишманом, утверждающим в своем оригинальном исследовании «Квантовая сутра», что совершенно невозможно представить, как выглядела бы наша цивилизация без классической физики и математики. Понятия абсолютной «объективной реальности, существующей независимо от нашего сознания», трехмерного евклидова пространства и равномерно текущего времени настолько глубоко укоренились в сознании, что мы их даже не замечаем. А главное, отказываемся замечать, что применимы они лишь в некоторых рутинных ситуациях, а для объяснения устройства Вселенной оказываются попросту неверны.

Впрочем, д-р Фишман вполне обоснованно считает, что «хотя нечто подобное уже столетия назад высказывалось восточными философами и мистиками, в западной науке впервые об этом заговорил Эйнштейн. Это была революция, которую наше сознание не приняло. Со снисходительностью мы повторяем: „все относительно“, „время и пространство едины“, — всегда держа в уме, что это допущение, научная абстракция, имеющая мало общего с нашей привычной устойчивой действительностью. На самом же деле как раз наши представления слабо соотносятся с действительностью — удивительной и невероятной.

После того как в общих чертах было открыто строение атома и предложена его „планетарная“ модель, ученые столкнулись с множеством парадоксов, для объяснения которых появился целый раздел физики — квантовая механика. Она быстро развивалась и далеко продвинулась в объяснении Вселенной. Но объяснения эти настолько сложны для восприятия, что до сих пор мало кто может осознать их хотя бы в общих чертах.

Действительно, большинство достижений квантовой механики сопровождаются настолько сложным математическим аппаратом, что он попросту не переводится ни на один из человеческих языков. Математика, как и музыка, предмет крайне абстрактный, и над адекватным выражением смысла, к примеру, свертывания функций или многомерных рядов Фурье ученые бьются до сих пор. Язык математики строг, но мало соотносится с нашим непосредственным восприятием.

Кроме того, Эйнштейн математически показал, что наши понятия времени и пространства иллюзорны. В действительности пространство и время нераздельны и образуют единый четырехмерный континуум. Представить его вряд ли возможно, ведь мы привыкли иметь дело только с тремя измерениями.

До конца XIX века атомы считались неделимыми „элементами“. Открытие радиации позволило Резерфорду проникнуть под „оболочку“ атома и сформулировать планетарную теорию его строения: основная масса атома сосредоточена в ядре. Положительный заряд ядра компенсируется отрицательно заряженными электронами, размеры которых настолько малы, что их массой можно пренебречь.

Электроны вращаются вокруг ядра по орбитам, подобно вращению планет вокруг Солнца. Теория весьма красивая, но возникает ряд противоречий. Во-первых, почему отрицательно заряженные электроны не „падают“ на положительное ядро? Во-вторых, в природе атомы сталкиваются миллионы раз в секунду, что ничуть не вредит им — чем объяснить удивительную прочность всей системы?»

Иначе говоря, тут самое время вспомнить слова одного из «отцов» квантовой механики Гейзенберга: «…никакая планетная система, которая подчиняется законам механики Ньютона, никогда после столкновения с другой подобной системой не возвратится в свое исходное состояние». Кроме того, размеры ядра, в котором собрана практически вся масса, в сравнении с целым атомом чрезвычайно малы. Можно сказать, что атом — пустота, в которой с бешеной скоростью вращаются электроны. При этом такой «пустой» атом предстает как весьма твердая частица. Объяснение этому явлению выходит за рамки классического понимания. На самом деле на субатомном уровне скорость частицы возрастает тем больше, чем больше ограничивается пространство, в котором она движется. Так что чем ближе электрон притягивается к ядру, тем быстрее он движется и тем больше отталкивается от него. Скорость движения настолько велика, что «со стороны» атом «выглядит твердым», как выглядят диском лопасти вращающегося вентилятора.

Данные, плохо укладывающиеся в рамки классического подхода, появились задолго до Эйнштейна. Впервые подобная «дуэль» состоялась между Ньютоном и Гюйгенсом, пытавшимися объяснить свойства света. Ньютон утверждал, что это поток частиц, Гюйгенс считал свет волной. В рамках классической физики примирить их позиции невозможно. Ведь для нее волна — это передающееся возбуждение частиц среды, понятие, применимое лишь для множества объектов. Ни одна из свободных частиц не может перемещаться по волнообразной траектории. Но вот в глубоком вакууме движется электрон, и его перемещения описываются законами движения волн.

И автор «Квантовой сутры» в который раз поднимает вопрос:

«Что здесь возбуждается, если нет никакой среды? Квантовая физика предлагает соломоново решение: свет является одновременно и частицей, и волной.

Постепенно становилось все более ясно: вращение электронов по орбитам вокруг ядра атома совершенно не похоже на вращение планет вокруг звезды. Обладая волновой природой, электроны описываются в терминах вероятности. Мы не можем сказать об электроне, что он находится в такой-то точке пространства, мы можем только описать примерно, в каких областях он может находиться и с какой вероятностью. Вокруг ядра электроны формируют „облака“ таких вероятностей от простейшей шарообразной до весьма причудливых форм, похожих на фотографии привидений.

Но тот, кто хочет окончательно понять устройство атома, должен обратиться к его основе, к строению ядра. Составляющие его крупные элементарные частицы — положительно заряженные протоны и нейтральные нейтроны — также обладают квантовой природой, а значит, движутся тем быстрее, чем в меньший объем они заключены. Поскольку размеры ядра чрезвычайно малы даже в сравнении с атомом, эти элементарные частицы носятся со вполне приличными скоростями, близкими к скорости света. Для окончательного объяснения их строения и поведения нам понадобится „скрестить“ квантовую теорию с теорией относительности. К сожалению, такая теория до сих пор не создана, и нам придется ограничиться несколькими общепринятыми моделями.

Теория относительности показала (а проведенные эксперименты доказали), что масса является лишь одной из форм энергии. Энергия — величина динамическая, связанная с процессами или работой. Поэтому элементарную частицу следует воспринимать как вероятностную динамическую функцию, как взаимодействия, связанные с непрерывным превращением энергии.

Это дает неожиданный ответ на вопрос, насколько элементарны элементарные частицы, можно ли разделить их на „еще более простые“ блоки. Если разогнать две частицы в ускорителе и затем столкнуть, мы получим не две, а три частицы, причем совершенно одинаковые. Третья просто возникнет из энергии их столкновения — таким образом, они и разделятся, и не разделятся одновременно!»

Разумеется — и в этом мы полностью согласны с д-ром Фишманом — в мире, где понятия пустого пространства, изолированной материи теряют смысл, частица описывается только через ее взаимодействия. Для того чтобы сказать что-то о ней, нам придется «вырвать» ее из первоначальных взаимодействий и, подготовив, подвергнуть другому взаимодействию — измерению. Так что же мы меряем в итоге? И насколько правомерны эти измерения вообще, если наше вмешательство меняет взаимодействия, в которых участвует частица, а значит, меняет и ее саму?

В современной физике элементарных частиц все больше нареканий вызывает… сама фигура ученого-наблюдателя. Правомернее было бы называть его «участником».

Наблюдатель-участник необходим не только для измерения свойств субатомной частицы, но и для того, чтобы определить эти самые свойства, ведь и о них можно говорить лишь в контексте взаимодействия с наблюдателем. Стоит ему выбрать способ, каким он будет проводить измерения, и в зависимости от этого реализуются возможные свойства частицы. Стоит сменить наблюдающую систему, и свойства наблюдаемого объекта также изменятся.

Вот каким образом автор «Квантовой сутры» раскрывает глубинное единство всех вещей и явлений:

«Сами частицы, непрерывно переходя одна в другую и в иные формы энергии, не имеют постоянных или точных характеристик — эти характеристики зависят от способа, каким мы решили их видеть. Если понадобится измерить одно свойство частицы, другое непременно изменится. Такое ограничение не связано с несовершенством приборов или другими вполне исправимыми вещами. Это характеристика действительности. Попробуйте точно измерить положение частицы, и вы ничего не сможете сказать о направлении и скорости ее движения — просто потому, что у нее их не будет. Опишите точно движение частицы — вы не найдете ее в пространстве. Так современная физика ставит перед нами проблемы уже совершенно метафизического свойства.

Мы уже говорили, что разговор о субатомных частицах нельзя вести в привычных нам точных терминах, в квантовом мире нам остается лишь вероятность. Это, конечно, не та вероятность, о которой говорят, делая ставки на скачках, а фундаментальное свойство элементарных частиц. Они не то чтобы существуют, но скорее — могут существовать. Они не то чтобы обладают характеристиками, а скорее — могут ими обладать. Научно выражаясь, частица является динамической вероятностной схемой, и все ее свойства находятся в постоянном подвижном равновесии, балансируют, как Инь и Ян на древнем китайском символе тайцзи. Недаром нобелевский лауреат Нильс Бор, возведенный в дворянское звание, для своего герба выбрал именно этот знак и девиз: „Противоположности дополняют друг друга“. Математически распределение вероятности представляет собой неравномерные волновые колебания. Чем больше амплитуда волны в определенном месте, тем выше вероятность существования частицы в нем. При этом длина ее непостоянна — расстояния между соседними гребнями неодинаковы, и чем выше амплитуда волны, тем сильнее разница между ними. В то время как амплитуда соответствует положению частицы в пространстве, длина волны связана с импульсом частицы, то есть с направлением и скоростью ее движения. Чем больше амплитуда (чем точнее можно локализовать частицу в пространстве), тем более неопределенной становится длина волны (тем меньше можно сказать об импульсе частицы). Если мы сможем установить положение частицы с предельной точностью, у нее вообще не будет никакого определенного импульса.

Это фундаментальное свойство математически выводится из свойств волны и называется принципом неопределенности. Принцип касается и других характеристик элементарных частиц. Еще одна такая взаимосвязанная пара — это энергия и время протекания квантовых процессов. Чем быстрее проходит процесс, тем более неопределенно количество энергии, задействованной в нем, и наоборот — точно охарактеризовать энергию можно только для процесса достаточной продолжительности».

Итак, вместе с Романом Фишманом мы наконец-то поняли: о частице нельзя сказать ничего определенного. Она движется туда или не туда, а верней, ни туда и ни сюда. Ее характеристики такие или сякие, а точнее — и не такие, и не сякие. Она находится здесь, но может быть и там, а может и не быть нигде. Тут уж в самую пору вообще задать вопрос: а существует ли она вообще?

Конечно, подвергать объективность материального квантового мира сомнению, как это одиозно попытался сделать метафизик Фритьоф Капра в своей нашумевшей книге «Дао физики», у нас нет никакого желания. Более того, если задуматься, то квантовая сущность постоянно меняющихся и «перетекающих» друг в друга микрообъектов лишь в очередной раз блестяще подтверждает правильность диалектико-материалистического метода исследования природы. И здесь ни мистические благоглупости Капры, ни идеалистические выкрутасы некоторых отечественных «исследователей», связывающих реальность квантового мира с сознанием наблюдателя, не имеют абсолютно никакого значения.