Нереальная реальность-2

Он заключается в том, что в эту самую секунду вы движетесь со скоростью света. Кажется, что это совершенно невозможно, но это так, и прямо следует из специальной теории относительности: общая скорость движения через пространство и движения через время всегда равна скорости света.

Только вообразите себе: прямо сейчас вы несётесь со скоростью 300 000 км/с и даже не замечаете этого.

Несмотря на то, что со скоростью света может двигаться только свет, это верно лишь для движения через пространство. Ситуация меняется, когда речь идет о тесно переплетённом пространстве-времени, об объединённом движении через этот континуум. Движение через пространство и движение через время всегда взаимно дополнительны. Когда объект движется в пространстве, часть его движения во времени отвлекается. Чуть выше я рассматривал эту ситуацию, когда рассказывал о движении поезда. Но такой же подход применим к любому материальному объекту, в том числе к человеческому телу.

Удивительно, но время и пространство во Вселенной непосредственно зависят в том числе от вас, точнее от того, как вы двигаетесь именно сейчас. Это не трюк и не розыгрыш. Так реально устроено Мироздание.

Глава 5. Кот Шрёдингера

Свой знаменитый мысленный эксперимент Эрвин Шрёдингер предложил в 1935 году. Он демонстрирует как макро- и микромир взаимодействуют между собой.

Представьте себе, что в изолированный закрытый ящик помещён воображаемый кот, механизм с радиоактивным атомным ядром, а также колба с ядовитым газом. По условиям эксперимента ядро может распасться в течение часа с вероятностью 50/50. Если ядро распадётся, то смертельный механизм будет приведён в действие, колба с ядом разобьётся, и кот погибнет. Если ядро не распадётся, кот останется жив. Задача заключается в том, чтобы во время эксперимента, не открывая ящика, определить – жив кот или мёртв.

Несмотря на то, что этот мысленный опыт похож на злую шутку, а «несчастный» кот постоянно становится субъектом околонаучных спекуляций, отношение учёных к проблеме, поднятой Шрёдингером, более чем серьёзное. Дело в том, что от решения предложенной задачи ни много ни мало зависит ответ на вопрос о полноте понимания наукой современной физики.

Если экспериментатор откроет ящик, он обязательно увидит только одно из двух конкретных состояний – «ядро распалось, кот мёртв», или «ядро не распалось, кот жив». Но как определить статус кота, не открывая ящика?

Пока он закрыт, система «ядро-кот» находится в состоянии «ядро распалось, кот мёртв» с вероятностью 50%, и в состоянии «ядро не распалось, кот жив» с точно такой же вероятностью 50%. Выходит, что кот, сидящий в закрытом ящике, одновременно и жив, и мёртв.

Но ведь мы точно знаем, что это невозможно. Просто не существует состояния, промежуточного между жизнью и смертью.

Хуже того, поскольку вероятность обоих исходов равнозначна, получается, что судьба кота становится ясной лишь тогда, когда ящик открывается. То есть, результат эксперимента зависит от поведения экспериментатора, точнее от момента времени наблюдения кота.

Следовательно, невозможно объективно установить, когда кот перестаёт находиться в неопределённом состоянии и оказывается либо живым, либо мёртвым. Получается, что физический процесс зависит в прямом смысле этого слова от взгляда наблюдателя.

Для учёных во времена Шрёдингера такой вывод был равнозначен краху всей науки. В классическом мире субъективные действия экспериментатора не могут влиять на объективные законы природы. В чём же дело?

Ответ дала квантовая физика.

Глава 6. Квантовая физика

Всю энергию во Вселенной мы наблюдаем в виде пучков, которые называются квантами. Самый известный из них – квант света – фотон.

В привычном нам макромире энергия переносится двумя способами. Во-первых, материальными частицами при движении. Во-вторых, волнами. Таким образом, все носители энергии могут быть либо корпускулярными (состоящими из частиц), либо волновыми.

Общепринятая точка зрения заключается в том, что классическая физика описывает мир в макроскопическом масштабе, а квантовая механика начинает работать только на уровне мельчайших частиц. Но чем больше мы познаём реальность, тем больше появляется аргументов в пользу того, что наш мир в целом квантовый. Это заставляет пересмотреть многие традиционные взгляды на Вселенную.

Границу между макромиром, в котором действуют классические законы физики, и микромиром, в котором действуют законы квантовой механики, определяет постоянная Планка[4 - Планк Макс Карл Эрнст Людвиг – выдающийся немецкий физик-теоретик, основоположник квантовой физики.]. Постоянная Планка используется во всех главных уравнениях квантовой механики. Она устанавливает минимальный предел пространства, после которого начинают сказываться неопределённые законы квантового мира.

Значение постоянной Планка выражается числом 0.0000000000000000000000000000006626 Дж/с. Длина Планка = 0.00000000000000000000000000000000001 сантиметра.

На меньшем расстоянии понятие пространства становится бессмысленным.

Чтобы понять, насколько это маленькая величина, приведу такое сравнение: если размер атома увеличить до размера видимой Вселенной, то длина Планка будет равна длине обыкновенной трости.

Время Планка примерно =10

 секунды. Это временной интервал, необходимый свету, чтобы преодолеть длину Планка. Ниже него общепринятое понятие времени также бессмысленно.

Планковские значения характеризуются тем, что на их границах квантовые флуктуации пространства-времени становятся определяющими и чрезвычайно сильными. На этих масштабах привычные нам законы физики перестают работать.

Первый квантовый эксперимент был проведён ещё в 1801 году Томасом Юнгом[5 - Юнг Томас – британский физик, один из основоположников волновой теории света.]. Это очень известный опыт с двумя щелями при котором через экран с двумя маленькими отверстиями проходит свет. Когда Юнг разместил позади этого экрана другой, сплошной и тёмный, то, к своему удивлению, обнаружил на нём не две точки света, а волновой узор. В те годы это было совершенно необъяснимо.

Сейчас мы точно знаем, что столь поразительный результат эксперимента может означать лишь одно – квант одновременно является и частицей, и волной.

Это сложно сразу осознать.

В привычном мире мы имеем дело либо с частицами (условно говоря – «шарик»), либо с волной (условно говоря – «рябь» на поверхности). В повседневной жизни мы представляем свет как волну. Но на самом деле в квантовом мире он может быть частицей – фотоном. Напротив, электрон и другие частицы могут вести себя как волны. Это свойство называется дуальностью или двойственностью квантового мира. В котором, как выяснилось, наши представления о «нормальном» поведении материи неприменимы.

По-настоящему поразительные результаты были получены в XX веке, когда появилась техническая возможность проверить опыт Юнга на современной аппаратуре. Учёным удалось пропустить через экран с двумя щелями единственный фотон.

«Здравый смысл» подсказывал экспериментаторам, что один квант уж точно не может быть волной. Следовательно, он способен пройти только через одну щель, а не через обе одновременно.

Тем не менее, при испускании отдельного фотона на заднем тёмном экране вновь образовались полосы волновой интерференции, словно фотон прошёл через обе щели.

Аналогичные результаты были получены и для космологических расстояний, когда с целью пропуска сквозь щели улавливались фотоны, испущенные миллиарды лет назад квазарами, чрезвычайно отдалёнными от нас космическими объектами.

Неоднократно продублированные эксперименты убедительно доказали, что частицы из одного источника всегда интерферируют друг с другом. И тогда, когда интервал их испускания составляет доли секунды, и тогда, когда он равен миллиардам лет.

Причём, неважно где это происходит – в земной лаборатории или на краю Вселенной.

Дальнейшие исследования дали настолько неправдоподобную картину реальности, что Альберт Эйнштейн или Нильс Бор[6 - Бор Нильс – выдающийся датский физик-теоретик, один из основателей квантовой механики, создатель первой квантовой теории атома.], наверное, поставили бы на кон свою научную репутацию против подобного «шарлатанства».

Обнаружилось, что, двигаясь через экран, частицы перемещаются не по прямой и не по кривой. Они вообще не прибегают к какому-то обходному маневру. Частицы предпочитают самое «рациональное» решение – они проходят одновременно по всем возможным путям.

Я не ошибся и это не опечатка в тексте книги. Частицы пробегают именно по всем возможным путям, даже тем, которые могут лишь теоретически возникнуть в воображении.

Например, в одном из способов они обязательно достигнут щели строго сквозь ваш старый дырявый ботинок. Совершенно неясно, как относится к этому факту – с чувством обречённости или с чувством юмора. Я предпочитаю второе.

Самое смешное, но фантастика здесь только начинается. Проходя по всем возможным траекториям, частицы начинают грубо нарушать базовые физические законы. Они перемещаются быстрее света, меняют массу, возникают ниоткуда и пропадают в никуда. Происходят «невозможные» в нашем понимании события. Как это объяснить?

На самом деле ответ прост и парадоксален одновременно. Аномальное поведение частиц – это не невозможные, а просто крайне маловероятные события. Но, маловероятные для нашего классического макромира. А в квантовом мире они случаются постоянно, поэтому их необходимо учитывать при любых расчётах.

Вероятность глубоко встроена в саму структуру реальности. Очень важно зафиксировать этот вывод, иначе невозможно понять самую суть квантовой физики, которая кардинально отличается от классической. Осознать квантовый мир возможно лишь отказавшись от «очевидных» законов, действие которых каждый из нас ежедневно наблюдает в окружающем макромире.

Приведу такой пример. В классической науке, имея качественную аппаратуру, вы очень точно можете измерить положение трёх планет в космическом пространстве. Более того, опираясь на дополнительные данные, вы можете с помощью мощного компьютера рассчитать местоположение каждой из планет на её орбите в какой угодно момент времени, как в прошлом, так и в будущем. Например, совсем не сложно определить космические координаты Земли, Марса или Венеры на тысячу лет вперёд и назад. И это будут окончательные, неизменные результаты. Планеты никогда не будут произвольно перескакивать с одной орбиты на другую, ведя себя непредсказуемым образом. Даже если произойдёт какой-то глобальный катаклизм, например, погибнет Солнце, всё равно можно предсказать как изменятся орбиты планет, какие из них погибнут в огне звёздного коллапса, а какие будут выброшены в межзвёздное пространство. Весь вопрос лишь в мощности вычислительного оборудования для столь сложных расчётов.

Квантовая физика совсем другая. Если вы проведёте эксперименты с участием трёх частиц, вы никогда не получите одинаковые результаты измерения. На первый взгляд, они вообще будут казаться случайными. Но многократно повторив опыт, вы обнаружите важные закономерности. Каждая из трёх частиц, а также их группы будут с определённой, просчитываемой, вероятностью оказываться в конкретном месте.

Современные учёные умеют производить такие вычисления. Вероятностные предсказания квантовой механики всегда соответствуют экспериментальным данным. Поэтому никто из физиков не сомневается в правильности её законов. Некоторые части квантовой теории проверены с точностью до миллиардных долей. Её базовые принципы не просто экспериментально подтверждены, а лежат в основе работы огромного количества реальных приборов и устройств.

Люди привыкли к тому, что все вещи всегда находятся в определённом состоянии. Основной постулат квантовой механики состоит в том, что даже если произвести очень точные измерения, то, в самом лучшем случае, можно лишь предсказать вероятность того или иного события.

Вероятность главенствует в мире.

Максимум, что можно предсказать, это вероятность того, что та или иная составная часть природы будет найдена здесь или там. Квантовая механика описывает мир, в котором всё находится в неопределённости.

Для упрощения восприятия темы я приводил пример с тремя планетами. Однако, если быть точным, то классическая физика утверждает, что когда мы знаем информацию о текущем состоянии каждой частицы в космосе, то используя физические законы, можно рассчитать, как Вселенная выглядела бесконечно далеко в прошлом и какой она будет в бесконечно далёком будущем.