Чтение онлайн

Мультивселенная. Это понятие также относится к квантовой физике. Идея мультивселенной предполагает, что существует бесконечное множество вселенных, каждая из которых может развиваться по своему пути, в зависимости от сделанного выбора. Поскольку в каждой вселенной могут происходить разные вещи, их существование решает «парадокс убитого дедушки», классическое опровержение возможности путешествий во времени. Парадокс дедушки состоит в следующем: если бы вы отправились в прошлое и убили дедушку до рождения вашего отца, вы бы сами не родились и не смогли его убить. Теория мультивселенной разрешает этот парадокс: вы можете убить копию дедушки в альтернативной вселенной и, следовательно, родиться в вашей вселенной (здесь мы не рассматриваем вопрос перемещения между вселенными).

Квантовая запутанность. Явление, при котором частицы оказываются запутаны между собой и ведут себя как взаимосвязанные, даже если разделены гигантскими расстояниями. Это значит, что частицы могут двигаться быстро – фактически быстрее скорости света. Если частицы могут двигаться быстрее скорости света, то они, по-видимому, могут перемещаться во времени, что делает путешествия во времени возможными.

За исключением червоточин, все эти теории бросают вызов ходу времени и опираются на раздел физики, называемый квантовой физикой. Квантовая физика объясняет поведение мельчайших известных науке частиц – атомов и субатомных частиц. Из-за микроскопических размеров мира квантовой физики для предсказания поведения «квантов» – мельчайших пакетов электромагнитной энергии – используют математику. В квантовом мире энергия и материя не подчиняются тем же законам, что и вещи, которые можно увидеть, почувствовать и потрогать. И это подводит нас к восприятию времени, которое лучше всего объясняется принципами квантовой физики.

Сотни лет назад, еще до того, как открыли квантовый мир, физики-классики, такие как Галилей и Ньютон, изучали природу энергии во времени и пространстве. Они хотели создать законы, которые с высокой точностью смогут предсказать, что произойдет в мире вещей, которые можно увидеть, почувствовать и потрогать. Уже позже, около века назад, когда появилось более мощное оборудование, физики начали изучать невидимые человеческому глазу субатомные частицы – так появилась «квантовая физика». В то же время астрофизики изучали крупные космические тела, такие как галактики и даже скопления галактик, их движение и гравитационные поля, а также их взаимодействие с другими окружающими их крупными телами. В некотором смысле и астрофизики, и квантовые физики изучают частицы, просто одни частицы намного больше других.

Так что есть частица? Этот термин широко используется в науке для описания различных объектов, обладающих массой. Но правда в том, что ученые на самом деле не знают, что такое «частица». В микроскопическом квантовом мире частицы – это точечные объекты, необходимые для существования материи. К сожалению ученых, эти фундаментальные точечные объекты, из которых состоит материя, ведут себя не так, как крупные видимые объекты окружающего мира, включая планеты и солнце. По еще непонятным причинам мельчайшие атомные и субатомные частицы ведут себя странно по сравнению с более крупными объектами классической физики. Например, кажется, что эти микроскопические частицы не подчиняются законам причины и следствия, которые работают в повседневной жизни. Эти частицы могут в одно мгновение находиться в одном месте, а через мгновение оказаться в другом – без всякой видимой причины. На самом деле ученые обнаружили, что в квантовом мире нет никакой определенности. В этой главе я резюмирую некоторые ключевые принципы квантовой физики, влияющие на наше понимание времени, но, если вы хотите узнать больше об исследованиях, лежащих в основе этих концепций, см. «Приложение A: Наука».

Вот пример того, насколько удивителен квантовый мир. В привычном нам мире, если вы стреляете в пруд, пуля попадает в воду. Когда пуля попадет в воду, она сгенерирует колебания, которые будут расходиться концентрическими кругами во все стороны и в конечном итоге разойдутся по всей поверхности воды. Если вы выстрелите над прудом, пуля пролетит в воздухе и приземлится в стороне от пруда. В обоих случаях пуля перемещается из одного места в другое. Но пуля, летящая над прудом, не будет создавать заметных колебаний в отличие от пули, выпущенной в воду; вторая пуля вонзится в землю и останется там. Теперь представьте, что этот же сценарий применим к субатомным частицам – фотонам (частицам света). Фотон можно сравнить с пулей, за исключением того, что он существует в виде крошечного пакета энергии. Иногда фотон ведет себя как пуля, которую выпустили в пруд, и создает колебания, а иногда – как пуля, которую выпустили над прудом, и не создает их.

В прошлом, до появления квантовой физики, ученые считали, что свойства света можно объяснить только в том случае, если он представляет собой волну. Но Альберт Эйнштейн доказал, что определенные частоты света также существуют в виде «дискретных пакетов энергии», которые подобны частицам. Вскоре после этого эксперименты показали, что свет в одних случаях может вести себя как волна, а в других – как частица. Оказалось, что поведение фотонов зависит от того, наблюдают ли за ними ученые и проводят ли измерения. Также выяснилось, что при наблюдении фотоны не могут быть и волнами, и частицами одновременно.

Когда ученые наблюдали за фотонами, происходило нечто, приводящее к изменению поведения фотонов. Как во время наблюдения частица может вести себя как частица, а вне наблюдения – как волна? В отличие от видимого глазу объекта, например, пули, фотон загадочен, ведь в зависимости от присутствия наблюдателя он может вести себя как волна или как частица.

Возможно, это одно из самых удивительных заключений в квантовой теории. Фотон есть фотон; он не должен волшебным образом превращаться из частицы в волну. Не должно иметь никакого значения, наблюдает за ним ученый или нет. Тем не менее, согласно экспериментам, наблюдение вызывает «коллапс волновой функции» в частицу. И хотя мы начали с фотонов, важно отметить, что речь идет не только о них. Подобные эксперименты – самый известный из которых двухщелевой опыт (см. «Приложение А. Наука») – проводились с нейтронами, атомами и даже более крупными молекулами. Корпускулярно-волновой дуализм – явление, при котором наблюдение приводит к коллапсу волны в частицу, – по-видимому, регулирует поведение всех элементарных частиц, встречающихся в природе. На самом деле все фундаментальные частицы, включая частицы, из которых состоит материя, могут вести себя и как частицы, и как волны.

В результате человек был включен в квантовый мир как один из факторов, влияющих на физические измерения. Это явление назвали «эффектом наблюдателя». Это один из фундаментальных принципов квантовой физики, который предполагает, что наблюдение – другими словами фокусирование – играет роль в формировании реальности. Хотя данное открытие противоречит нашему восприятию окружающего мира и нарушает законы классической физики, его невозможно игнорировать. Столетие спустя очевидно, что это не просто домыслы. Со временем появляется все больше авторитетных свидетельств того, что происходящее в микроскопическом, квантовом мире, происходит и в привычном нам макроскопическом мире. Некоторые ученые считают, что причина эффекта наблюдателя – сознание, поэтому фраза «сознание вызывает коллапс» в некоторых кругах стала синонимом эффекта наблюдателя. Макс Планк, основатель квантовой теории, говорил: «Я считаю, что сознание лежит в основе всего. Что материя – производная сознания. Мы не можем игнорировать сознание. Основой всего, о чем мы говорим, что, как мы полагаем, существует, является сознание».

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.

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.