Мичио Каку Параллельные миры

Эйнштейн, неизменно отважный, дерзкий и в высшей степени красноречивый, предложил ряд «мысленных экспериментов», направленных на разрушение квантовой теории. Бор, беспрерывно бормотавший, после каждой атаки понемногу сдавал свои позиции. Физик Поль Эренфест заметил: «Замечательно, что я был свидетелем диалогов между Бором и Эйнштейном, будто шахматист, сталкивающийся все с новыми и новыми ситуациями. Как некий вечный двигатель, намеренный прорвать завесу неопределенности, Бор все время выискивал в облаке философии средства опровергнуть примеры один за другим. Эйнштейн был каждое утро свеж, будто чертик, выскакивающий из коробочки. О, это было прекрасно. Но я практически безоговорочно за Бора и против Эйнштейна. Сегодня он ведет себя по отношению к Бору точно так же, как чемпионы абсолютной одновременности вели себя по отношению к нему самому».

Наконец Эйнштейн предложил эксперимент, который, по его мнению, должен был нанести завершающий удар по квантовой теории. Представьте, что в коробочке содержатся фотоны в виде газа. Если в коробке есть затвор-диафрагма, то оттуда может вылететь один фотон. Раз можно точно измерить скорость затвора, а также энергию фотона, то таким образом можно определить состояние фотона с бесконечной точностью, что противоречит принципу неопределенности.

Эренфест писал: «Для Бора это оказалось тяжким ударом. На тот момент он не видел решения. Он был очень расстроен весь вечер, ходил от одного к другому, пытаясь убедить всех, что это не может быть правдой, потому что если Эйнштейн прав, то это ознаменовало бы конец физики как таковой. Но он никак не мог придумать опровержение. Я никогда не забуду зрелище, которое являли собой два оппонента, покидая университетский клуб. Эйнштейн, величественная фигура, спокойно шагал с легкой иронической улыбкой, а Бор семенил рядом с ним, чрезвычайно расстроенный».

Когда несколько позже Эренфест встретил Бора, тот был неразговорчив; он только снова и снова повторял одно слово: «Эйнштейн… Эйнштейн… Эйнштейн».

На следующий день, после напряженной бессонной ночи, Бор смог найти крошечный изъян в аргументах Эйнштейна. После испускания фотона коробка становилась чуть легче, поскольку вещество и энергия были эквивалентны. Это означало, что коробка чуть полни» малась под действием силы гравитации, поскольку, согласно теории гравитации самого Эйнштейна, энергия также обладала весом. Если вычислить неопределенность в весе и неопределенность в скорости затвора, то обнаруживалось, что коробка в точности повиновалась принципу неопределенности. По сути, Бор воспользовался теорией гравитации Эйнштейна, чтобы аргументы Эйнштейна же опроверг-, нуть! Бор победил, Эйнштейн потерпел поражение.

Говорят, что, когда позднее Эйнштейн пожаловался, что «Бог не играет в црстн с миром», Бор ему ответил: «Не нам указывать Богу, что Ему делать». В конечном счете Эйнштейн признал, что Бор успешно опроверг его аргументы. Эйнштейн написал: «Я убежден, что в этой теории, несомненно, содержится зерно истины». (Однако Эйнштейн с пренебрежением относился к физикам, которые были не в состоянии оценить тонкие парадоксы, присущие квантовой теории. Однажды он написал: «Конечно, сегодня каждый плут считает, что знает ответ, но он обманывает сам себя».)

После этого спора, а также других споров с квантовыми физиками Эйнштейн в конце концов сдался, но он избрал другой подход. Он признал, что квантовая теория верна, но лишь в определенной области, только в качестве приближенности к истине. Он хотел, чтобы квантовая теория оказалась поглощена более общей и сильной теорией — теорией поля, подобно тому как теория относительности обобщала (но не уничтожала) теорию Ньютона.

(Однако этот спор между Эйнштейном и Шрёдингером с одной стороны и Бором и Гейзенбергом с другой нельзя так просто сбрасывать со счетов, поскольку все эти «мысленные эксперименты» теперь осуществимы в лабораториях. Хотя ученые не могут добиться того, чтобы кот был одновременно жив и мертв, они могут управлять отдельными атомами при помощи нанотехнологий. Недавно эти сложнейшие эксперименты были проведены с наночастицей С60, известной как бакибол (Buckyball), содержащей 60 атомов углерода, а потому воздвигнутая Бором «стена», разделяющая большие объекты и квантовые, стремительно разрушается. Физики-экспериментаторы сейчас размышляют над тем, что потребовалось бы для того, чтобы показать, что вирус, состоящий из тысяч атомов, может находиться в двух местах одновременно.) Бомба

Самым неудачным образом РІСЃРµ рассуждения РїРѕ РїРѕРІРѕРґСѓ этих занимательных парадоксов были прерваны выдвижением Гитлера РІ канцлеры РІ 1933 РіРѕРґСѓ Рё лихорадочной РіРѕРЅРєРѕР№ РїРѕ созданию первой атомной Р±РѕРјР±С‹. Р’ течение РјРЅРѕРіРёС… лет было известно (РёР· знаменитого уравнения Эйнштейна Р• = тс²), что атом является закрытым хранилищем огромных количеств энергии. РќРѕ большинство физиков несерьезно относились Рє мысли РѕР± использовании этой энергии. Даже Р­СЂРЅСЃС‚ Резерфорд, человек, открывший СЏРґСЂРѕ атома, сказал: «Энергия, освобождаемая РїСЂРё разбивании СЏРґСЂР° атома, очень незначительна. Любой, кто рассчитывает найти источник энергии РІ трансформации атомов, несет РІР·РґРѕСЂВ».

В 1939 году Бор предпринял судьбоносную поездку в Соединенные Штаты, приземлившись в Нью-Йорке для встречи со своим учеником Джоном Уилером. Бор вез зловещие новости: Отто Хан и Лиз Майтнер доказали, что атом урана можно разбить надвое; в этом процессе, называемом расщеплением атома, освобождалась энергия. Бор и Уилер начали разрабатывать квантовую динамику ядерного деления. Поскольку все в квантовой теории основано на вероятности и случайности, они вычислили вероятность того, что нейтрон расщепит ядро урана, освободив тем самым два или более нейтронов, которые, в свою очередь, расщепят еще большее количество ядер атомов урана, в результате чего освободится еще больше нейтронов, и так далее, что запустит цепную реакцию, способную разрушить целый город. (В квантовой механике никогда не знаешь, расщепит ли отдельный конкретный нейтрон атом урана, но можно с невероятной точностью вычислить вероятность того, что миллиарды атомов урана расщепятся в бомбе. В этом и состоит сила квантовой механики.)

Р?С… квантовые расчеты показали, что существование атомной Р±РѕРјР±С‹ вполне возможно. Два месяца спустя Бор, Юджин Вигнер, Лео Сцилард Рё Уилер встретились РІ старом кабинете Эйнштейна РІ Принстоне, чтобы обсудить перспективы создания атомной Р±РѕРјР±С‹.

Бор считал, что для создания бомбы понадобятся ресурсы всей на» ции. (Несколько лет спустя Сцилард убедит Эйнштейна написать судьбоносное письмо Президенту Франклину Рузвельту, где настоятельно рекомендовалось сконструировать атомную бомбу)

В том же году нацисты, узнав о том, что огромное количество энергии, испускаемое атомом урана, может дать им непобедимое оружие, велели ученику Бора Гейзенбергу создать атомную бомбу для Гитлера. Неожиданно все разговоры о квантовых вероятностях распада стали в высшей степени серьезными: на карту была поставлена судьба всего человечества. На смену спорам о вероятности обнаружения живых котов пришли споры о вероятности расщепления урана.

Р’ 1941 РіРѕРґСѓ, РєРѕРіРґР° нацисты держали РїРѕРґ контролем большую часть Европы, Гейзенберг тайно навестил своего старого преподавателя Бора РІ Копенгагене. До СЃРёС… РїРѕСЂ завеса тайны покрывает то, РІ каком ключе проходила РёС… беседа; РѕР± этом написаны отмеченные наградами пьесы, Р° историки РґРѕ СЃРёС… РїРѕСЂ СЃРїРѕСЂСЏС‚ Рѕ содержании встречи. Предлагал ли Гейзенберг саботировать создание германской атомной Р±РѕРјР±С‹? Р?ли, наоборот, РѕРЅ пытался завербовать Бора для работы РїРѕ созданию атомной Р±РѕРјР±С‹ для нацистов? Р’ 2002 РіРѕРґСѓ, шесть десятилетий спустя, завеса тайны над намерениями Гейзенберга была частично приподнята, РєРѕРіРґР° родные Бора опубликовали РїРёСЃСЊРјРѕ Бора, написанное Гейзенбергу уже РІ 50-Рµ РіРѕРґС‹, РЅРѕ так Рё РЅРµ отправленное. Р’ РїРёСЃСЊРјРµ Бор вспоминал, что РЅР° той встрече Гейзенберг назвал победу нацистов неизбежной. Поскольку остановить непробиваемую машину нацизма нельзя, то было Р±С‹ только логично, если Р±С‹ Бор работал РЅР° нацистов.

Бор был потрясен и шокирован до глубины души. Дрожа от негодования, он отказался отдать свою работу над квантовой теорией в руки нацистов. Поскольку Дания находилась под контролем нацистов, Бор спланировал тайный побег на самолете, во время которого он чуть не задохнулся из-за нехватки кислорода.

А тем временем в Колумбийском университете Энрико Ферми доказал, что ядерная цепная реакция осуществима. Придя к этому выводу, он окинул взглядом Нью-Йорк и осознал, что одна-един-ственная бомба может полностью уничтожить знаменитый город. Когда Уилер увидел, как высоко поднялись ставки, он добровольно оставил Принстон и присоединился к Ферми в лаборатории под университетским стадионом Стэгт-Филд в Чикаго, где они вместе создали первый ядерный реактор, тем самым ознаменовав официальное начало ядерной эпохи.

На протяжении последовавших десяти лет Уилеру выпало стать свидетелем самых важных событий в ходе атомной войны. Во время войны он помогал контролировать строительство исполинского ядерного центра в Хэнфорде (штат Вашингтон), где вырабатывался сырой плутоний, необходимый для создания бомб, которые затем уничтожили Нагасаки. Еще через несколько лет он работал над созданием водородной бомбы и в 1952 году стал свидетелем первого ее взрыва, а также разрушений, вызванных сбросом кусочка Солнца на небольшой островок в Тихом океане. Однако, более десяти лет пробыв на первых страницах истории, в конце концов Уилер все же вернулся к своей первой любви — загадкам квантовой теории. Суммирование по траекториям

Одним из многих учеников Уилера в послевоенные годы был Ричард Фейнман, который нашел, возможно, простейший и в то же время самый глубокий способ суммировать сложности квантовой теории. (Одним из следствий стало присуждение Фейнману Нобелевской премии в 1965 году.) Представим, что вы хотите пройти через комнату. По Ньютону, вы просто-напросто выберете кратчайший путь от точки А к точке Б, называемый классическим. Но по Фейнману, прежде всего вы должны учесть все возможные пути, соединяющие точки А и Б. Это означает, что вы должны принять во внимание пути, которые приведут вас на Марс, Юпитер, к ближайшей звезде, даже те пути, которые ведут назад во времени, к моменту Большого Взрыва. Не имеет значения, насколько сумасшедшими и причудливыми будут эти пути, — вы все равно должны их учитывать. Затем Фейнман приписал каждому пути определенную величину, а также привел свод точных правил, руководствуясь которыми можно было бы эту величину определить. Самым чудесным образом, сложив эти величины всех возможных путей, вы находите вероятность перехода из точки А в точку Б, которая дается обычной квантовой механикой. Это было поистине замечательно.

Фейнман обнаружил, что сумма этих величин, приписываемых причудливым и противоречащим законам Ньютона путям, обычно уравновешивалась и давала небольшое число. Такова была природа квантовых флуктуации — они представляли пути, сумма которых была очень мала. Но Фейнман также обнаружил, что избранный на основе здравого смысла ньютоновский путь не уравновешивался, а обладал максимальной итоговой величиной — это был путь с наибольшей вероятностью. Таким образом, наше представление о физической вселенной, основанное на здравом смысле, является просто-напросто наиболее вероятным состоянием из бесконечного количества возможных. Но мы сосуществуем со всеми возможными состояниями, некоторые из них перенесли бы нас в эпоху динозавров, к ближайшей сверхновой или на окраину Вселенной. (Эти причудливые пути создают мельчайшие отклонения от ньютонианского пути, избранного на основе здравого смысла, но, к счастью, обладают очень малой вероятностью.)

Р?ными словами, как Р±С‹ странно это РЅРё выглядело, каждый раз, как РІС‹ идете через комнату, ваше тело заблаговременно «обнюхивает» РІСЃРµ возможные пути, даже те, что ведут Рє далеким квазарам Рё Большому Взрыву, Р° затем РІСЃРµ РёС… складывает. Р?спользуя мощный математический аппарат, называемый функциональным интегрированием, Фейнман показал, что ньютоновский путь — всего лишь наиболее вероятный, РЅРѕ РЅРµ единственный. Совершив блестящий математический РїРѕРґРІРёРі, Фейнман СЃРјРѕРі доказать, что эта картина, какой Р±С‹ ошеломляющей РѕРЅР° РЅРё казалась, полностью эквивалентна обычной квантовой механике.

Сила фейнмановского «суммирования по траекториям» состоит в том, что сегодня, когда мы формулируем теории ТВО, теорию инфляции и даже струнную теорию, мы пользуемся подходом Фейнмана, основанным на интегралах по траекториям. Этот метод преподается сейчас во всех университетах мира и на сегодняшний день является самым эффективным и удобным способом формулировки квантовой теории.

(Я сам каждый день в своих исследованиях пользуюсь подходом Фейнмана, основанным на обобщении интегралов по траекториям. Каждое уравнение, которое я пишу, выводится на основе суммирования по траекториям. Когда в бытность студентом я впервые узнал о подходе Фейнмана, он изменил все мое ментальное представление о вселенной. Умом я понимал абстрактную математику квантовой теории и общей теории относительности, но изменила мое мировоззрение именно та идея, что, просто проходя по комнате, я каким-то образом исследую пути, которые могут привести меня на Марс или к далеким звездам. Внезапно у меня появилась странная новая мысленная картина — самого себя, живущего в этом квантовом мире. Я начал понимать, что квантовая теория намного более заумна, чем сложнейшие следствия теории относительности.)

РљРѕРіРґР° Фейнман разработал эту причудливую формулировку, Уилер, который тогда был РІ Принстонском университете, бросился РІ Р?нститут передовых исследований Рє Эйнштейну, чтобы попытаться убедить его РІ элегантности Рё мощи этой РЅРѕРІРѕР№ картинки. Уилер взволнованно РѕР±СЉСЏСЃРЅРёР» Эйнштейну РЅРѕРІСѓСЋ теорию Фейнмана РѕР± обобщении интегралов РїРѕ траекториям. РћРЅ РЅРµ осознавал полностью, насколько РґРёРєРѕ эти слова прозвучали для Эйнштейна. Впоследствии Эйнштейн качал головой Рё повторял, что РѕРЅ РІСЃРµ же РЅРµ верит РІ то, что Бог играет РІ кости СЃ РјРёСЂРѕРј. Эйнштейн признался Уилеру, что РјРѕРі Рё ошибаться, РЅРѕ настаивал РЅР° том, что РѕРЅ вполне заработал себе право ошибаться. Друг Вигнера

Большинство физиков пожимают плечами и разводят руками, сталкиваясь с заумными парадоксами квантовой механики. Для большинства практикующих ученых квантовая механика — это набор кулинарных правил, результатом применения которых являются правильные вероятности, определяемые со сверхъестественной точностью. Джон Полкингхорн, физик, ставший священником, сказал: «Средний квантовый механик философичен не в большей мере, чем обычный механик».

Однако некоторые РёР· глубочайшихфизиков-мыслителей боролись СЃ этими вопросами. Например, существует несколько СЃРїРѕСЃРѕР±РѕРІ разрешения шрёдингеровской проблемы кота. Первый был предложен Нобелевским лауреатом Юджином Вигнером Рё РґСЂСѓРіРёРјРё — сознание определяет существование. Вигнер написал, что «невозможно было полностью последовательно сформулировать законы квантовой механики без учета сознания [наблюдателя]… само изучение внешнего РјРёСЂР° вело Рє заключению, что содержание сознания является высшей реальностью». Р?ли, как РєРѕРіРґР°-то написал РїРѕСЌС‚ Джон Ките, «Ничто РЅРµ реально РґРѕ тех РїРѕСЂ, РїРѕРєР° РЅРµ испытано».

РќРѕ если СЏ совершаю наблюдение, то что должно определить, РІ каком состоянии нахожусь СЏ? Это означает, что кто-то еще должен наблюдать Р·Р° РјРЅРѕР№, заставляя РјРѕСЋ волновую функцию коллапсиров-вать. Р?РЅРѕРіРґР° этого «кого-то» называют «другом Вигнера». РќРѕ это также означает, что кто-то должен наблюдать Рё Р·Р° РґСЂСѓРіРѕРј Вигнера, Рё Р·Р° РґСЂСѓРіРѕРј РґСЂСѓРіР° Вигнера, Рё так далее. Существует ли космический Разум, определяющий, наблюдая Р·Р° всей Вселенной, полную последовательность «друзей»?

Андрей Линде, один из создателей инфляционной теории, — , представитель тех физиков, которые упорно верят в центральную роль сознания: Я как человеческое существо не вижу ни единого довода, на основании которого я мог бы заявить, что Вселенная находится здесь в отсутствие наблюдателей. Мы вместе — мы и Вселенная. Когда говорят, что Вселенная существует без всякихнаблюдателей, я не вижу в этом никакого смысла. Я не могу представить связную теорию всего, в которой игнорируется сознание. Записывающее устройство не может играть роль наблюдателя, поскольку кто прочтет то, что записано на этом устройстве? Чтобы мы увидели, что что-либо происходит, и сказали друг другу, что что-либо происходит, нужна Вселенная, нужно записывающее устройство, нужны мы… В отсутствие наблюдателей Вселенная мертва…

Согласно философии Линде, окаменелости динозавров не существуют до тех пор, пока на них не взглянешь. Но если на них взглянуть, то они «впрыгивают» в существование, как будто они существовали миллионы лет назад. (Физики, придерживающиеся этой точки зрения, достаточно внимательны, чтобы указывать на то, что эта картина экспериментально соответствует тому миру, в котором окаменело-стям динозавров и вправду миллионы лет.)

(Некоторые люди, не одобряющие введение фактора сознания в физику, заявляют, что камера может совершать наблюдение электрона, а потому волновые функции могут коллапсировать и без участия сознательных существ. Но тогда кто скажет, что камера существует? Нужна еще одна камера, чтобы «наблюдать» за первой камерой и заставить коллапсировать ее волновую функцию. Затем необходима вторая камера, чтобы наблюдать за первой, третья, чтобы наблюдать за второй, и так до бесконечности. Такое введение камер не отвечает на вопрос о том, каким образом коллапсирует волновая функция.) Декогеренция

РЎРїРѕСЃРѕР±РѕРј практического разрешения этих тернистых философских РІРѕРїСЂРѕСЃРѕРІ, завоевывающим РІСЃРµ большую популярность среди физиков, является декогеренция. Впервые это понятие было сформулировано немецким физиком Дитером РќРµ РІ 1970 РіРѕРґСѓ. РћРЅ заметил, что РІ реальном РјРёСЂРµ нельзя отделить кота (РІСЃРµ того же) РѕС‚ окружающей среды. РљРѕС‚ находится РІ постоянном контакте СЃ РІРѕР·РґСѓС…РѕРј, РєРѕСЂРѕР±РєРѕР№ Рё даже космическими лучами, которые пронизывают эксперимент. Р’РЅРµ зависимости РѕС‚ того, насколько малы эти взаимодействия, РѕРЅРё оказывают радикальное влияние РЅР° волновую функцию: если волновая функция нарушена хотя Р±С‹ РІ незначительной степени, то РѕРЅР° распадается РЅР° РґРІРµ волновые функции мертвого кота Рё живого кота, которые более РЅРµ взаимодействуют. Це показал, что столкновения СЃ РѕРґРЅРѕР№-единственной молекулой РІРѕР·РґСѓС…Р° достаточно, чтобы волновая функция коллапсировала, вызвав немедленное разделение волновых функций живого кота Рё мертвого, которые больше РЅРµ взаимодействуют РґСЂСѓРі СЃ РґСЂСѓРіРѕРј. Р?ными словами, еще РґРѕ того, как РІС‹ откроете РєРѕСЂРѕР±РєСѓ, РєРѕС‚ уже вступил РІ контакт СЃ молекулами РІРѕР·РґСѓС…Р° Рё отсюда уже жив или мертв.

Це принадлежит ключевое наблюдение, он заметил то, что было упущено: чтобы кот был одновременно и мертв, и жив, его волновая функция должна вибрировать с практически полной синхронизацией, это состояние называется когеренцией. Но экспериментально это практически невозможно. Создать когерентные объекты, вибрирующие в унисон, в лабораторных условиях чрезвычайно сложно. (В действительности сложно получить больше горсточки когерентно вибрирующих атомов из-за взаимодействия с внешним миром.) В реальном мире объекты взаимодействуют с окружающей средой, и малейшее взаимодействие с внешним миром может нарушить две образевавшиеся волновые функции и они начнут «декогерировать», то: есть рас синхронизируются и разделятся. Це показал, что, как только две волновые функции перестают вибрировать в фазе друг с другом, они более не взаимодействуют между собой. Многие миры

Поначалу понятие декогеренции кажется весьма удовлетворительным: теперь волновая функция коллапсирует РЅРµ через сознание, Р° через беспорядочное взаимодействие СЃ внешним РјРёСЂРѕРј. РќРѕ это РІСЃРµ же РЅРµ решает фундаментального РІРѕРїСЂРѕСЃР°, беспокоившего еще Эйнштейна: как РїСЂРёСЂРѕРґР° «выбирает», РІ какое состояние коллапси-ровать? РљРѕРіРґР° молекула РІРѕР·РґСѓС…Р° ударяет кота, кто или что определяет финальное состояние кота? РџРѕ этому РІРѕРїСЂРѕСЃСѓ теория декогеренции просто утверждает, что РґРІРµ волновые функции разделяются Рё более РЅРµ взаимодействуют между СЃРѕР±РѕР№, РЅРѕ РѕРЅР° РЅРµ отвечает РЅР° первоначальный РІРѕРїСЂРѕСЃ: мертв РєРѕС‚ или жив? Р?ными словами, декогеренция делает присутствие сознания ненужным РІ квантовой механике, РЅРѕ РѕРЅР° РЅРµ решает РІРѕРїСЂРѕСЃ, беспокоивший Эйнштейна: каким образом РїСЂРёСЂРѕРґР° «выбирает» финальное состояние кота? Р’ ответ РЅР° этот РІРѕРїСЂРѕСЃ теория декогеренции просто хранит молчание.

Однако существует естественное расширение декогеренции, которое разрешает данный вопрос; сегодня оно приобретает все более широкое признание среди физиков. Этот подход был предложен еще одним учеником Уилера, Хью Эвереттом III, который оговорил возможность того, что кот может быть одновременно и жив, и мертв в двух различных вселенных. Когда в 1957 году Эверетт закончил свою диссертацию, ее едва заметили. Однако с течением времени интерес к теории «многих миров» начал расти. Сегодня эта теория вызвала прилив обновленного интереса к парадоксам квантовой теории.

Согласно этой совершенно новой интерпретации, кот одновременно и жив, и мертв по той причине, что Вселенная распалась на две. В одной вселенной кот мертв; в другой он жив. В сущности, в каждый момент времени вселенная расщепляется надвое, становясь звеном в бесконечной череде расщепляющихся вселенных. Согласно этому сценарию, все вселенные возможны, каждая из них так же реальна, как и любая другая. Люди, живущие в каждой вселенной, могут яростно утверждать, что именно их вселенная реальна, а все остальные лишь воображаемые или ненастоящие. Эти параллельные вселенные — не эфемерно существующие призрачные миры; в каждой вселенной мы видим столь же реальные и объективные твердые предметы и столь же реальные и объективные конкретные события, как и в любой другой.

Преимуществом этой интерпретации является тот факт, что мы можем опустить условие номер три — коллапс волновой функции. Волновые функции никогда не коллапсируют, они продолжают развиваться, вечно распадаясь на новые и новые волновые функции в бесконечном древе распада, каждая ветвь которого представляет целую вселенную. Большим преимуществом теории многих миров является то, что она проще, чем Копенгагенская интерпретация: здесь не нужен коллапс волновой функции. Но цена, которую мы платим за это, та, что теперь у нас есть вселенные, все время распадающиеся на миллионы ветвей. (Некоторым сложно понять, каким образом вести учет всех этих множащихся вселенных. Однако волновое уравнение Шрёдингера решает это автоматически. Отслеживая развитие волнового уравнения, мы сразу находим все многочисленные ветви волны.)

Если эта интерпретация верна, то в этот самый момент ваше тело сосуществует с волновыми функциями динозавров, сцепившихся в смертельной схватке. Вместе с вами в комнате сосуществует волновая функция того мира, в котором немцы выиграли Вторую мировую войну, в котором бродят инопланетные пришельцы, в котором вы никогда так и не родились. Среди вселенных, существующих в вашей гостиной, находятся и миры «Человека в высоком замке» и «Сумеречной зоны». Загвоздка в том, что мы не можем с ними больше взаимодействовать, поскольку они от нас декогерировали.

Как сказал Алан Гут, «существует вселенная, где Элвис все еще жив». Физик Франц Вильчек написал: «Нас преследует сознание того, что бесконечное количество чуть-чуть отличающихся от нас копий нас самих живет своими параллельными жизнями, а также того, что в каждый момент еще больше двойников начинают свое существование, занимая место в одном из наших возможных вариантов будущего». Он замечает, что история греческой цивилизации, а отсюда и всего западного мира, могла быть иной, если бы Елена Троянская была не такой пленительной красавицей, а имела уродливую бородавку на носу. «Что же, бородавки могут возникнуть как результат мутаций в отдельных клетках, часто вызванных пребыванием под лучами солнца, несущими ультрафиолет». Он продолжает: «Вывод; существует много, много миров, в которых у Елены Троянской была бородавка на кончике носа».

РњРЅРµ вспоминается отрывок РёР· классического научно-фантастического произведения Олафа Стэплдона «Создатель звезд»: «Каждый раз, РєРѕРіРґР° существо встречалось СЃ несколькими возможными путями действия, РѕРЅРѕ избирало РёС… РІСЃРµ, таким образом создавая много… самостоятельных историй РєРѕСЃРјРѕСЃР°. Р?Р±Рѕ РІ каждом процессе эволюционного развития РІ космическом пространстве существовало РјРЅРѕРіРѕ созданий, Рё каждое РёР· РЅРёС… постоянно сталкивалось СЃ выбором РёР· РјРЅРѕРіРёС… возможных путей, Рё комбинации всех этих путей были бесчисленны, представляя СЃРѕР±РѕР№ бесконечность отдельных вселенных, отслаивающихся РІ каждый момент каждого отрезка времени».

Голова идет кругом, когда мы понимаем, что, согласно этой интер-: претации квантовой механики, все возможные миры сосуществуют вместе с нами. Хотя для того, чтобы достичь иных миров, может понадобиться портал-червоточина, эти квантовые реальности существуют в той самой комнате, где мы живем. Они сосуществуют с нами, куда бы мы ни пошли. Ключевой вопрос вот в чем: если это правда, то почему мы не видим эти иные вселенные, наполняющие нашу гостиную? А вот здесь вступает в дело декогеренция: наша волновая функция декогерировала с этими иными мирами (то есть эти волны больше не находятся в фазе друг с другом). У нас больше нет контакта с ними. Это означает, что даже малейшее взаимодействие с окружающей средой исключит взаимодействие различных волновых функций друг с другом. (В главе 11 я привожу возможное исключение из этого правила, с помощью которого разумным существам может удаться путешествие между квантовыми реальностями.)

Не кажется ли это слишком странным, чтобы быть возможным? Нобелевский лауреат Стивен Вайнберг проводит параллель между этой теорией многих вселенных с радио. Вокруг вас сотни различных радиоволн, передаваемых далекими станциями. В любой заданный момент ваш офис, машина или гостиная заполняется этими радиоволнами. Однако если вы включите приемник, то сможете слушать радиоволны только на одной частоте в данный момент; остальные частоты декогерировали и больше не находятся в фазе друг с другом. Каждая станция обладает различной энергией, различной частотой. В результате ваш приемник в данный момент времени может принимать вещание только на одной частоте.

Подобным образом в нашей вселенной и мы «настроены» на частоту, которая соответствует физической реальности. Но есть бесконечное количество параллельных реальностей, сосуществующих в одной комнате вместе с нами, хотя мы не можем «настроиться на них». Эти миры очень похожи друг на друга, но в каждом из них атомы обладают различной энергией. А поскольку каждый мир состоит из триллионов и триллионов атомов, это означает, что различие в энергии может быть довольно велико. Поскольку частота этих волн пропорциональна их энергии (по закону Планка), то это означает, что волны каждого мира вибрируют с различной частотой и больше не могут взаимодействовать. Фактически волны этих различных миров не взаимодействуют друг с другом и не влияют друг на друга.

Что удивительно, принимая эту странную точку зрения, ученые РјРѕРіСѓС‚ прийти ктем же результатам, что Рё СЃ помощью Копенгагенского РїРѕРґС…РѕРґР°, без РІСЃСЏРєРѕР№ нужды РІ коллапсе волновой функции. Р?ными словами, эксперименты, проведенные как РІ соответствии СЃ Копенгагенской интерпретацией, так Рё РІ соответствии СЃ интерпретацией теории РјРЅРѕРіРёС… РјРёСЂРѕРІ, принесут РІ точности совпадающие результаты. Коллапс волновой функции Бора РІ математическом отношении эквивалентен действию окружающей среды. Р?ными словами, РєРѕС‚ Шрёдингера может быть мертв или жив одновременно, если РјС‹ каким-либо образом изолируем кота РѕС‚ возможного воздействия каждого атома или космического луча. Конечно, РЅР° практике это неосуществимо. Как только РєРѕС‚ вступит РІ контакт СЃ космическим лучом, волновая функция живого кота Рё волновая функция мертвого кота декогерируются Рё будет казаться, что волновая функция коллап-сировала. Вещество РёР· информации

В обстановке возродившегося интереса к проблеме измерения в квантовой теории Уилер стал большим авторитетом в области квантовой физики. Он стал появляться на многочисленных конференциях, организованных в его честь. Сторонники движения Нью Эйдж (Новая Эра), которых вдохновляла идея фактора сознания в физике, даже провозгласили Уилера своим гуру. (Однако он не всегда был рад таким ассоциациям. Однажды он сильно расстроился, обнаружив, что находится в списке приглашенных вместе с тремя парапсихологами. Он не замедлил высказать свое мнение по этому поводу, и в его речи прозвучала фраза «Нет дыма без дыма».)

После 70 лет массовых размышлений над парадоксами квантовой теории Уилер первым признал, что он не знает ответов на все вопросы. Он продолжает подвергать сомнению собственные предположения. Когда его спросили о проблеме измерения в квантовой механике, он ответил: «Меня просто сводит с ума этот вопрос. Я признаю, что иногда я на сто процентов серьезно воспринимаю идею о том, что мир — это плод воображения, но в другие моменты мне кажется, что мир существует вне всякой зависимости от нас. Однако я от всей души готов подписаться под словами Лейбница:_; "Этот мир может быть иллюзией, а существование — не более чем сном, но этот сон или иллюзия для меня достаточно реальны при условии, что мы не будем введены ими в заблуждение, правильно используя разум"».

Сегодня теория РјРЅРѕРіРёС… РјРёСЂРѕРІ, или теория декогеренции, завоевывает РІСЃРµ большую популярность среди физиков. РќРѕ Уилер обеспокоен тем, что для нее требуется «слишком РјРЅРѕРіРѕ лишнего багажа». РћРЅ играет СЃ еще РѕРґРЅРёРј объяснением проблемы кота Шрёдингера. РћРЅ называет СЃРІРѕСЋ теорию «Вещество РёР· информации» (В«It from BitВ»). Это нетрадиционная теория, которая основывается РЅР° предположении Рѕ том, что информация находится Сѓ истоков всего бытия. РљРѕРіРґР° РјС‹ смотрим РЅР° Луну, галактику или атом, РёС… сущностью, согласно Уилеру, является заключенная РІ РЅРёС… информация. РќРѕ эта информация начала СЃРІРѕРµ существование, РєРѕРіРґР° вселенная обратила СЃРІРѕР№ РІР·РѕСЂ РЅР° саму себя. Уилер рисует РєСЂСѓРіРѕРІСѓСЋ диаграмму, иллюстрирующую теорию вселенной. Существование вселенной началось РІ тот момент, РєРѕРіРґР° РѕРЅР° стала объектом наблюдения. Это означает, что «оно» (вещество вселенной) возникло РІ тот момент, РєРѕРіРґР° информация («бит») вселенной была замечена. РћРЅ называет эту теорию моделью «вселенной-участницы». Р?дея заключается РІ том, что вселенная приспосабливается Рє нам таким же образом, как Рё РјС‹ приспосабливаемся Рє ней; РІ том, что само наше присутствие обусловливает возможность существования вселенной. (РџРѕРєР° РЅРµ достигнут консенсус РїРѕ РїРѕРІРѕРґСѓ проблемы измерения РІ квантовой механике, РІ отношении теории «Вещество РёР· информации» большинство физиков занимает позицию «поживем — СѓРІРёРґРёРјВ».) Квантовые компьютеры Рё телепортация

Такие философские дискуссии могут показаться безнадежной софистикой, без малейшей возможности практического применения в нашем мире. Только вместо того, чтобы спорить о том, сколько ангелов может танцевать на кончике иглы, квантовые физики, кажется, обсуждают то, в скольких местах одновременно может находиться электрон.

Однако это не праздные измышления ученых в башне из слоновой кости. Когда-нибудь эти идеи могут найти самое что ни на есть практическое применение — стать двигателем мировой экономики. Когда-нибудь богатство всех наций может оказаться зависимым от тонкостей проблемы кота Шрёдингера. К тому времени, возможно, наши компьютеры уже будут производить расчеты в параллельных вселенных. Сегодня почти вся компьютерная инфраструктура базируется на силиконовых транзисторах. Закон Мура, который гласит, что компьютерная мощность удваивается каждые полтора года, на данный момент верен потому, что мы можем всаживать в силиконовые чипы все меньшие и меньшие транзисторы при помощи ультрафиолетовых лучей. Хотя закон Мура продолжает потрясать технологический пейзаж, его действие не может длиться вечно. В самом современном чипе Пентиум используется слой в 20 атомов. В течение 15–20 лет ученые смогут задействовать слои, возможно, в 5 атомов. На таких неимоверно малых расстояниях нам придется уйти от Ньютона и руководствоваться принципами квантовой механики, где вступает в силу принцип неопределенности Гейзенберга.

В результате мы больше не будем знать, где находится электрон. Это означает, что будут происходить короткие замыкания в тот момент, когда электроны будут выскакивать из непроводников и полупроводников, вместо того чтобы оставаться внутри них.

РљРѕРіРґР°-РЅРёР±СѓРґСЊ возможности электроники, основанной РЅР° кремнии, исчерпаются. Р? это возвестит РїСЂРёС…РѕРґ квантовой СЌСЂС‹. Силиконовая долина может прийти РІ упадок. РљРѕРіРґР°-РЅРёР±СѓРґСЊ нам, возможно, придется считать РЅР° самих атомах, что приведет Рє полному изменению архитектуры компьютера. Сегодня компьютеры основаны РЅР° двоичной системе исчисления — любое число представляется нулями Рё единицами. РЈ атомов же СЃРїРёРЅ может быть направлен вверх, РІРЅРёР· или РІ стороны одновременно. РќР° смену компьютерным битам (нулям Рё единицам) РјРѕРіСѓС‚ прийти «кубиты» (любое число между единицей Рё нулем), что сделает вычисления СЃ помощью квантовых компьютеров намного более продуктивными, чем РїСЂРё помощи обычных компьютеров.

Для примера, квантовый компьютер мог бы потрясти самое основание международной безопасности. Сегодня большие банки, транснациональные корпорации и индустриальные страны кодируют свои секретные данные при помощи сложных компьютерных алгоритмов. Многие секретные коды построены на разложении на множители огромных чисел. Современному компьютеру понадобились бы века для того, чтобы разложить на множители, скажем, стозначное число. Но для квантового компьютера такие вычисления не представляют никакой сложности, а потому при помощи квантового компьютера можно с легкостью взломать любые секретные коды в мире.

Чтобы представить себе, каким образом функционирует квантовый компьютер, давайте скажем, что РјС‹ выстроим РІ СЂСЏРґ несколько атомов, СЃРїРёРЅС‹ которых однонаправлены РІ магнитном поле. Затем РјС‹ просвечиваем ихлазером таким образом, что РјРЅРѕРіРёРµ РёР· СЃРїРёРЅРѕРІ перевернутся РІ момент, РєРѕРіРґР° лазерный луч отразится РѕС‚ атомов. Р?змерив отраженный свет лазера, РјС‹ записываем сложную математическую операцию — рассеивание света атомами. Если РјС‹ рассчитаем этот процесс, используя квантовую теорию, вслед Р·Р° Фейнманом РјС‹ должны сложить РІСЃРµ возможные положения атомов, вращающихся РІРѕ всех возможных направлениях. Даже простой квантовый подсчет, для которого потребовались Р±С‹ доли секунды, РЅР° обычном компьютере выполнить практически невозможно, РІРЅРµ зависимости РѕС‚ того, сколько времени для этого будет отведено.

В принципе, как подчеркнул Дэвид Дойч из Оксфорда, это означает, что, когда мы начнем пользоваться квантовыми компьютерами, нам придется складывать все возможные параллельные вселенные. Хотя мы не можем вступить в прямой контакт с этими другими вселенными, атомный компьютер мог бы их вычислить при помощи положений спинов в параллельных вселенных. (Хотя мы не когерентны с другими вселенными в нашей гостиной, атомы квантового компьютера по своей конструкции когерентно вибрируют в унисон.)

Хотя потенциал квантовых компьютеров поистине ошеломляет, на практике масштабы возникающих проблем столь же велики. В настоящий момент мировой рекорд по числу атомов, использующихся в квантовом компьютере, равен семи. В лучшем случае на этом квантовом компьютере мы можем умножить три на пять и получить пятнадцать, что вряд ли произведет большое впечатление. Чтобы квантовый компьютер стал сравним по мощности со стандартным современным лэптопом, необходимы сотни, а возможно, и миллионы атомов, вибрирующих когерентно. Поскольку столкновение даже с одной-единственной молекулой воздуха может стать причиной того, что атомы компьютера декогерируют, необходимы чрезвычайно стерильные условия для изоляции атомов от воздействия окружающей среды. (Чтобы сконструировать квантовый компьютер, по скорости превосходящий современные компьютеры, понадобятся тысячи, а то и миллионы атомов, а потому от реальных квантовых компьютеров нас отделяют, по меньшей мере, десятилетия.) Квантовая телепортация

В конечном итоге может быть найдено практическое применение, на первый взгляд, бессмысленном} обсуждению физиками параллельных квантовых вселенных: квантовая телепортация. «Транспортер», использовавшийся для перевозки людей и оборудования в «Стар Треке» и других научно-фантастических программах, кажется чудесным средством, позволяющим преодолеть огромные расстояния. Но как ни маняще звучит эта идея телепортации, физиков она приводит в замешательство, поскольку, кажется, противоречит принципу неопределенности. Проводя измерение атома, вы нарушаете его состояние, а потому точная копия создана быть не может.

Но ученые обнаружили брешь в этом аргументе в 1993 году с помощью так называемой квантовой сцепленности. Она основана на старом эксперименте, предложенном в 1935 году Эйнштейном и его коллегами Борисом Подольским и Натаном Розеном (так называемый парадокс Эйнштейна — Подольского — Розена, или ЭПР-парадокс) для того, чтобы продемонстрировать, насколько в действительности безумна квантовая теория. Допустим, произошел взрыв и два электрона разлетаются в противоположных направлениях с околосветовой скоростью. Поскольку электрон может крутиться как волчок, допустим, что их спины связаны — то есть если ось спина одного электрона направлена вверх, то ось спина второго направлена вниз (таким образом, что общий спин равен нулю). Однако до того, как мы совершаем измерение, мы еще не знаем, в каком направлении вертится каждый электрон.

Теперь подождем несколько лет. К этому времени два электрона будут находиться на расстоянии многих световых лет друг от друга. Если теперь мы измерим спин одного электрона и обнаружим, что его ось направлена вверх, мы тут же поймем, что ось спина второго направлена вниз (и наоборот). В сущности, тот факт, что один электрон вращается вверх, заставляет второй электрон вращаться вниз. Это означает, что теперь мы узнаем нечто об электроне, находящемся на расстоянии многих световых лет, мгновенно. (Полное впечатление, что информация путешествовала со скоростью, превышающей скорость света, а это явное нарушение специальной теории относительности Эйнштейна.) При помощи тщательно построенного доказательства Эйнштейну удалось показать, что, совершая последовательные измерения одной пары электронов, можно нарушить принцип неопределенности. Что более важно, он показал, что квантовая механика еще более причудлива, чем кто-либо мог до этого себе представить.

Вплоть до того самого момента физики считали, что Вселенная была локальной, что возмущения в одной части Вселенной распространялись от источника лишь локально. Эйнштейн показал, что квантовая механика по своей сути нелокальна — возмущения из одного источника могут мгновенно влиять на далекие уголки

Вселенной. Эйнштейн назвал это «призрачным действием на расстоянии», которое посчитал абсурдным. Таким образом, Эйнштейн уверял, что квантовая теория неверна.

(Критики квантовой механики считали, что парадокс Эйнштейна — Подольского — Розена разрешим при таком допущении: если бы наши инструменты были достаточно чувствительны, то они действительно смогли бы определить, в каком направлении вращаются электроны. Значит, кажущаяся неопределенность в спине и положении электрона — просто фикция, результат того, что наши инструменты слишком грубы. Они ввели концепцию скрытых переменных, — то есть должна существовать скрытая субквантовая теория, в которой неопределенности не существует вообще, и в основе этой теории лежат новые, так называемые скрытые переменные.)

Ставки неимоверно возросли РІ 1964 РіРѕРґСѓ, РєРѕРіРґР° физик Джон Белл подверг Р­РџР -парадокс Рё скрытые переменные СЃСѓСЂРѕРІРѕРјСѓ испытанию. РћРЅ показал, что РїСЂРё проведении эксперимента Р­РџР  должно существовать численное соответствие между спинами РґРІСѓС… электронов, зависящее РѕС‚ того, какая теория использовалась. Если теория скрытых переменных была верна, то СЃРїРёРЅС‹ должны были иметь РѕРґРЅРѕ соотношение. Если была правильна квантовая механика, то соотношение СЃРїРёРЅРѕРІ должно было быть иным. Р?ными словами, СЃСѓРґСЊР±Р° всей квантовой механики (РѕСЃРЅРѕРІС‹ всей современной атомной физики) зависела Р±С‹ РѕС‚ РѕРґРЅРѕРіРѕ-единственного эксперимента.

Но эксперименты окончательно доказали, что Эйнштейн ошибался. В начале 1980-х годов Алан Эспект и его коллеги во Франции поставили эксперимент ЭПР. В эксперименте использовались два детектора, расположенные на расстоянии 13 метров, которые измеряли спины фотонов, испускаемых атомами кальция. В 1997 году эксперимент ЭПР был поставлен с детекторами, расположенными на расстоянии в 11 километров. В обоих случаях победила квантовая теория. Определенная форма знания действительно перемещается быстрее света. (Хотя Эйнштейн ошибался насчет эксперимента ЭПР, он был прав в вопросе более существенного масштаба — о сообщении, проходящем быстрее света. Хоть эксперимент ЭПР и позволяет узнать что-либо о другой стороне галактики, он не позволяет таким способом посылать сообщения. К примеру, вы не можете таким образом отсылать азбуку Морзе. В сущности, «передатчик ЭПР» отсылап бы только беспорядочные сигналы, поскольку измеряемые спины будут другими каждый раз, как вы их измеряете. Эксперимент ЭПР позволяет вам получить информацию о другой стороне галактики, но он не позволяет вам передавать полезную, не беспорядочную информацию.)

Белл для описания этого эффекта приводил пример математика по имени Бертельсман. У того была необычная привычка каждый день надевать на одну ногу синий носок, а на другую — зеленый, в случайном порядке. Если вы замечаете, что на левой ноге у него синий носок, то вы сразу же, быстрее света, получаете информацию о том, что другой его носок — зеленый. Но это знание отнюдь не позволяет вам таким же образом сообщать информацию. Обнаружение информации отличается от ее пересылки. Эксперимент ЭПР не означает, что мы можем сообщать информацию путем телепатии, путешествий быстрее света или путешествий во времени. Но он все же означает, что для нас невозможно полностью отрешиться от единства вселенной.

Эксперимент заставляет нас принять другую картину нашей Вселенной. Существует космическое «сцепление» (entanglement) между каждым атомом нашего тела и атомами, которые находятся на расстоянии световых лет от нас. Поскольку все вещество произошло из одного источника — Большого Взрыва, — то в каком-то смысле все атомы нашего тела связаны с атомами на другом конце Вселенной при помощи космической квантовой паутины. Сцепленные частицы чем-то похожи на близнецов, все еще связанных между собой пуповиной (волновой функцией), которая может быть длиной во много световых лет. Происходящее с одним близнецом автоматически воздействует и на другого, а отсюда знание об одной частице может незамедлительно предоставить информацию о ее двойнике. Сцепленные частицы ведут себя так, как если бы они представляли собой единый объект, хотя они и могут быть разделены неимоверными расстояниями. (Если выразиться точнее, то можно сказать, что, поскольку волновые функции частиц в Большом Взрыве были когда-то связаны и когерентны, то эти волновые функции все еще могут быть частично соединены миллиарды лет спустя, после Большого Взрыва таким образом, что возмущения в одной части волновой функции могут воздействовать на другую часть той же волновой функции.)

В 1993 году ученые предложили использовать концепцию ЭПР-сцепленности для создания устройства, с помощью которого можно совершать квантовую телепортацию. В 1997 и 1998 годах ученые из Калифорнийского технологического института, Университета Аарус в Дании и Университета Уэльса совершили первую экспериментальную демонстрацию квантовой телепортации. В ходе эксперимента отдельный фотон был телепортирован через стол. Сэмюэл Браунштайн, принимавший участие в организации эксперимента, сравнил сцепленные пары слюбовниками, «которые знают друг друга настолько хорошо, что могут ответить за свою вторую половину, даже если их разделяют огромные расстояния».

(Для экспериментов в области квантовой телепортации необходимы три объекта — А, В и С. Пусть В и С — сцепленные близнецы. Хоть они и могут находиться на огромном расстоянии друг от друга, они все же остаются сцепленными. Пусть теперь В вступит в контакт с А, который собственно является объектом телепортации. В «сканирует» А, и информация, содержащаяся в А, переносится в В. Затем эта информация автоматически передается близнецу С. Таким образом, С превращается в точную копию А.)

В области исследований квантовой телепортации наблюдается большой прогресс. В 2003 году ученым Женевского университета в Швейцарии удалось телепортировать фотоны на расстояние в 2 км через оптоволоконный кабель. Фотоны света (при длине волны 1,3 мм) в одной лаборатории были телепортированы в другие фотоны с другой длиной волны (1,55 мм) в другую лабораторию, связанную с первой оптоволоконным кабелем. Николас Гизин, физик, принимавший участие в этом проекте, сказал: «Возможно, объекты больших размеров, такие, как молекула, и будут телепортированы до моей смерти, но по-настоящему большие объекты не поддаются телепортации при использовании обозримых технологий».

Еще РѕРґРёРЅ важный прорыв был совершен РІ 2004 РіРѕРґСѓ, РєРѕРіРґР° ученые РёР· Национального института стандартов Рё технологий (NIST) телепортировали РЅРµ просто квант света, Р° целый атом. Р?С… основным достижением стало то, что РѕРЅРё успешно запутали 3 атома бериллия Рё смогли перенести характеристики РѕРґРЅРѕРіРѕ атома РІ РґСЂСѓРіРѕР№.

Область практического применения квантовой телепортации потенциально невероятно велика. Однако необходимо отметить, что существует несколько проблем практического характера, препятствующих ее применению. Во-первых, объект-оригинал уничтожается в ходе телепортации, а потому нельзя создать много точных копий телепортируемого объекта. Возможно создание только одной копии. Во-вторых, телепортировать объект быстрее света нельзя. Теория относительности действует даже для квантовой телепортации. (Чтобы телепортировать объект А в объект С, для их соединения все же необходим объект-посредник В, а его скорость меньше скорости света.) В-третьих, возможно, наиболее важным ограничением для квантовой телепортации выступает тот же фактор, который служит препятствием для создания квантовых компьютеров: рассматриваемые объекты должны быть когерентны. Любое соприкосновение с окружающей средой прервет процесс телепортации. Но вполне вероятно, что в течение XXI века удастся телепортировать первый вирус.

При телепортации человеческого существа мы можем столкнуться с другими проблемами. Браунштайн замечает: «На данный момент ключевым является исключительно количество вовлеченной информации. Даже если мы будем использовать самые лучшие каналы связи, какие только можем себе представить, для передачи всей этой информации нам понадобится время, сравнимое с возрастом нашей Вселенной». Волновая функция Вселенной

Но, возможно, полное осознание квантовой теории произойдет, если мы применим квантовую механику не к отдельному фотону, а к целой Вселенной. Стивен Хокинг даже пошутил, что каждый раз, как он слышит о проблеме кота, он тянется за ружьем. Он предложил свое решение проблемы — существование волновой функции Вселенной. Если вся Вселенная является частью волновой функции, то отпадает надобность в существовании наблюдателя (который должен находиться за пределами Вселенной).

В квантовой теории каждая частица связана с волной. Эта волна, в свою очередь, дает информацию о вероятности обнаружения частицы в любой точке. Однако, когда Вселенная была еще очень молода, она была меньше субатомной частицы. Тогда, возможно у самой Вселенной тоже есть волновая функция. Поскольку электрон может существовать во многих состояниях одновременно и поскольку Вселенная была по размерам меньше электрона, то, возможно, Вселенная также существовала одновременно во многих состояниях, что и описывала сверхволновая функция.

Это вариация теории многих миров: не нужно вводить космического наблюдателя, который может мгновенно охватить взглядом всю Вселенную. Но волновая функция Хокинга значительно отличается от волновой функции Шрёдингера. В волновой функции Шрёдингера в каждой точке пространства-времени существует волновая функция. Вместо \(/-функции Шрёдингера, которая описывает все возможные состояния электрона, Хокинг вводит такую у-функ-цию, которая представляет все возможные состояния Вселенной. В обычной квантовой механике электрон существует в обычном пространстве. Однако в волновой функции Вселенной эта волновая функция существует в «сверхпространстве», пространстве всех возможных вселенных, введенном Уилером.

Эта главная волновая функция (родительница всех волновых функций) подчиняется не уравнению Шрёдингера (которое работает только для одиночных электронов), а уравнению Уилера — де Витта, которое применимо для всех возможных вселенных. В начале 1990-х годов Хокинг написал, что он смог частично разрешить волновую функцию Вселенной и показать, что наиболее вероятной вселенной была та, где космологическая константа стремилась к нулю. Эта работа вызвала некоторые споры, поскольку она опиралась на суммирование всех возможных вселенных. Хокинг представил эту сумму, включив в нее червоточины-порталы, соединяющие нашу Вселенную со всеми возможными вселенными. (Представьте себе бесконечный океан мыльных пузырей, парящих в воздухе и соединенных тонкими нитями или порталами-червоточинами, а потом сложите их все вместе.)

В конечном счете возникли сомнения по поводу претенциозного метода Хокинга. Было замечено, что сумма всех возможных вселенных математически недостоверна, во всяком случае до тех пор, пока у нас нет «теории всего», которой мы могли бы руководствоваться.

Критики считают, что до тех пор, пока не создана теория всего, нельзя полагаться ни на какие вычисления, касающиеся машин времени, червоточин-порталов, момента Большого Взрыва и волновых функций Вселенной.

Однако сегодня множество физиков верит в то, что мы наконец нашли теорию всего, хотя она еще не обрела своей конечной формы: это теория суперструн, или М-теория. Даст ли она нам возможность «узреть замысел Господень», как считал Эйнштейн?

ГЛАВА 7

М-теория: мать всех струн

Тому, кто смог бы охватить Вселенную единым взором, все творение показалось бы уникальной истиной и необходимостью.

Ж. Д'Аламбер

Я чувствую, что мы настолько близко подобрались к теории струн, что — в моменты оптимистического подъема — я вижу, что в любой день окончательная форма этой теории может свалиться с неба прямо на колени кому-нибудь. Но если подходить с более реалистичной точки зрения, то я чувствую, что мы находимся в процессе создания намного более глубокой теории, чем все, с чем мы когда-либо имели дело, и уже в глубинах XXI века, когда я буду слишком стар, чтобы у меня появлялись какие-либо полезные соображения по этому предмету, более молодым физикам придется решать, в самом ли деле мы нашли окончательную теорию.

Эдвард Виттен

Классический роман Герберта Уэллса «Человек-невидимка», написанный в 1897 году, начинается со странной истории. В холодный зимний день из тьмы выступает причудливо одетый незнакомец. Его лица не видно; на нем очки с темно-синими стеклами, а лицо полностью закрыто белой повязкой.

Поначалу обитатели деревни испытывали жалость к новоприбывшему, думая, что он пострадал в результате ужасного несчастного случая. Но затем в деревне начали происходить странные вещи. В один прекрасный день хозяйка гостиницы, в которой остановился незнакомец, зашла в его пустую комнату и закричала при виде одежды, которая двигалась по комнате сама по себе. Шляпы кружились по комнате, постельное белье подпрыгивало в воздухе, стулья двигались, а «мебель сошла с ума», в ужасе вспоминала хозяйка.

Вскоре уже вся деревня полнится слухами об этих необычных явлениях. В конце концов собирается группа сельских жителей и встречается с таинственным незнакомцем лицом к лицу. К их великому изумлению, он начинает медленно разворачивать свою повязку. Толпа в ужасе. Когда человек снимает повязку, оказывается, что у него нет лица. В сущности, он невидим. Люди кричат и визжат, воцаряется хаос. Обитатели деревни пытаются поймать человека-невидимку, который с легкостью отражает их нападение.

Совершив ряд незначительных преступлений, человек-невидимка разыскивает своего старого знакомого, чтобы поведать ему свою удивительную историю. Его настоящее имя — мистер Гриффин из Университетского Колледжа. Он начал изучать медицину и случайно обнаружил совершенно новый способ изменить свойства преломления и отражения плоти. Его секрет — четвертое измерение. Он восклицает, обращаясь к доктору Кемпу: «Я нашел основной принцип… формулу, геометрическое выражение, в котором задействованы все четыре измерения».

К сожалению, вместо того, чтобы обратить свое великое открытие на пользу человечеству, все свои мысли мистер Гриффин обратил к грабежу и личной выгоде. Он предлагает своему другу стать его сообщником, заявляя, что вместе они смогут разграбить мир. Но друг повергнут в ужас; он раскрывает местонахождение Гриффина полиции. За этим следует финальная охота на человека, в ходе которой человек-невидимка получает смертельные раны.

Как и все научно-фантастические романы, история Герберта Уэллса не лишена научного зерна. Любой, кто сможет пробраться в четвертое пространственное измерение (или то, что сегодня называют пятым измерением, поскольку время является четвертым), действительно способен стать невидимым и даже обрести силы, обычно приписываемые призракам и божествам. Представьте на секунду, что двумерная поверхность стола может быть населена расой мифических существ, как в романе 1884 года Эдвина Эббота «Плоская страна» («Флатляндия»). Они занимаются своими делами и даже не подозревают о том, что их окружает целая Вселенная, третье измерение.

Но если бы ученый Плоской страны мог поставить эксперимент, который позволил бы ему зависнуть в нескольких сантиметрах над поверхностью стола, то он бы стал невидимым, поскольку свет проходил бы под ним, как если бы он не существовал вовсе. Паря над Плоской страной, он мог бы наблюдать, как внизу под ним разворачиваются события на крышке стола. В парении в гиперпространстве есть решительные преимущества, поскольку любой, кто взирал бы на наш мир из гиперпространства, обрел бы божественную силу.

РќРµ только свет РїСЂРѕС…РѕРґРёР» Р±С‹ РїРѕРґ РЅРёРј, делая его невидимым. РћРЅ также РјРѕРі Р±С‹ перескакивать через предметы. Р?ными словами, РѕРЅ РјРѕРі Р±С‹ исчезать РїРѕ собственному желанию Рё проходить СЃРєРІРѕР·СЊ стены. Выскочив РІ третье измерение, РѕРЅ РјРѕРі Р±С‹ просто раствориться, исчезнуть РёР· двумерной Вселенной. Рђ если Р±С‹ РѕРЅ прыгнул обратно РЅР° крышку стола, то рематериализовался Р±С‹ ниоткуда. Р’ его силах было Р±С‹ убежать РёР· любой темницы. РўСЋСЂСЊРјР° РІ Плоской стране была Р±С‹ РєСЂСѓРіРѕРј, нарисованным РІРѕРєСЂСѓРі заключенного, так что было Р±С‹ несложно просто выпрыгнуть РІ третье измерение Рё выйти РЅР° СЃРІРѕР±РѕРґСѓ.

Скрыть что-либо от такого гиперсущества было бы невозможно. Золото, спрятанное в тайнике, из точки наблюдения в третьем измерении найти было бы легче легкого, поскольку сам тайник был бы всего лишь открытым прямоугольником. Было бы детской забавой проникнуть внутрь прямоугольника и забрать золото, даже не вламываясь в тайник. Стало бы возможным совершать хирургические операции, в ходе которых не было бы нужды даже разрезать кожу.

Так Герберт Уэллс хотел донести до читателя идею о том, что в четырехмерном мире мы — обитатели Плоской страны. Мы не знаем о том факте, что над нами раскрываются более высокие планы бытия. Мы верим, что наш мир состоит из всего, что мы видим; нам и невдомек, что прямо у нас перед носом могут существовать целые вселенные. Хотя другая вселенная могла бы парить в четвертом измерении всего лишь в нескольких сантиметрах над нами, она была бы невидимой.

Поскольку гиперсущество обладало Р±С‹ сверхчеловеческими способностями, обычно приписываемыми призракам Рё духам, РІ РґСЂСѓРіРѕРј научно-фантастическом произведении Герберт Уэллс задался РІРѕРїСЂРѕСЃРѕРј Рѕ том, РјРѕРіСѓС‚ ли сверхъестественные существа обитать РІ дополнительных измерениях. РћРЅ РїРѕРґРЅСЏР» ключевой РІРѕРїСЂРѕСЃ Рѕ том, что РЅР° сегодняшний день является предметом активных исследований Рё размышлений: РјРѕРіСѓС‚ ли существовать РІ этих дополнительных измерениях новые законы физики? Р’ его романе 1895 РіРѕРґР° РїРѕРґ названием «Чудесное посещение» викарий ненароком попадает РёР· ружья РІ ангела, случайно пролетающего через наше измерение. РџРѕ какой-то космической причине наше измерение Рё параллельная вселенная РЅР° время столкнулись, что позволило ангелу свалиться РІ наш РјРёСЂ. Р’ этом рассказе Уэллс пишет: «Бок Рѕ Р±РѕРє может существовать неограниченное количество трехмерных Вселенных». Викарий задает РІРѕРїСЂРѕСЃС‹ раненому ангелу. Большим потрясением становятся для него слова пришельца Рѕ том, что наши законы РїСЂРёСЂРѕРґС‹ РІ РјРёСЂРµ ангела РЅРµ действуют. Например, РІ РґСЂСѓРіРѕР№ вселенной нет плоскостей, Р° есть скорее цилиндры — настолько искривлено пространство. (Р—Р° целых двадцать лет РґРѕ того, как Эйнштейн создал общую теорию относительности, Уэллс забавлялся мыслями Рѕ вселенных, существующих РЅР° искривленных поверхностях.) Как РіРѕРІРѕСЂРёС‚ викарий: В«Р?С… геометрия отличается РѕС‚ нашей, поскольку РёС… пространство имеет РєСЂРёРІРёР·РЅСѓ, так что РІСЃРµ РёС… плоскости представляют СЃРѕР±РѕР№ цилиндры; РёС… закон тяготения РЅРµ согласуется СЃ законом обратных квадратов, Р° основных цветов Сѓ РЅРёС… РЅРµ три, Р° двадцать четыре». Прошло более века СЃ тех РїРѕСЂ, как Уэллс написал эту историю, Рё сегодня физики понимают, что РІ параллельных вселенных Рё вправду РјРѕРіСѓС‚ существовать новые законы физики СЃ разным набором субатомных частиц, атомов Рё химических взаимодействий. (Как РјС‹ СѓРІРёРґРёРј РІ главе 9, сейчас РїСЂРѕС…РѕРґРёС‚ несколько экспериментов, цель которых — уловить присутствие параллельных вселенных, которые, возможно, парят РїСЂСЏРјРѕ над нашей Вселенной.)

Концепция гиперпространства интриговала художников, музыкантов, мистиков, теологов Рё философов; особенно сильно это проявилось РІ начале XX века. РџРѕ словам искусствоведа Линды Далримпл, интерес Пабло Пикассо Рє четвертому измерению повлиял РЅР° создание РєСѓР±РёР·РјР°. (Глаза нарисованных РёРј женщин смотрят РїСЂСЏРјРѕ РЅР° нас, несмотря РЅР° то что РЅРѕСЃС‹ женщин направлены РІ стороны, что позволяет нам видеть этих женщин полностью. Подобным образом гиперсущество, взирающее РЅР° нас сверху, СѓРІРёРґРёС‚ нас РІРѕ всей полноте: спереди, сзади Рё СЃ Р±РѕРєРѕРІ одновременно.) РќР° своей известной картине В«Christus HypercubusВ» Сальвадор Дали изобразил Р?РёСЃСѓСЃР° Христа распятым РЅР° фоне развернутого четырехмерного гиперкуба, или тессеракта. РќР° картине «Постоянство памяти» Дали попытался передать идею времени как четвертого измерения СЃ помощью изображения РјСЏРіРєРёС…, растаявших часов. РќР° картине Марселя Дюшана «Обнаженная, спускающаяся РїРѕ лестнице (в„–В 2)В» РјС‹ РІРёРґРёРј обнаженную фигуру РІ замедленном движении, спускающуюся РїРѕ лестнице. РќР° этом полотне представлена еще РѕРґРЅР° попытка поймать четвертое измерение — время — СЃ помощью двумерной плоскости. Рњ-теория

Сегодня загадки Рё верования, окружающие четвертое измерение, воскресли РїРѕ причине совершенно РёРЅРѕРіРѕ характера — развития теории струн Рё ее последнего воплощения — Рњ-теории. Р?сторически сложилось так, что физики СѓРїРѕСЂРЅРѕ РЅРµ принимали концепцию гиперпространства; РѕРЅРё смеялись, РіРѕРІРѕСЂСЏ, что дополнительные измерения — это специализация мистиков Рё шарлатанов. Ученые, всерьез предполагавшие существование невидимых РјРёСЂРѕРІ, подвергались насмешкам.

РЎ РїСЂРёС…РѕРґРѕРј Рњ-теории РІСЃРµ изменилось. Высшие измерения призывают Рє революции РІ физике, поскольку физики вынуждены бороться СЃ величайшей проблемой, стоящей сегодня перед РёС… наукой, — пропастью, разделяющей теорию относительности Рё квантовую механику. Что замечательно, РѕР±Рµ эти теории вобрали РІ себя РІСЃРµ фундаментальные физические знания Рѕ Вселенной. Р’ настоящее время только Рњ-теория СЃРїРѕСЃРѕР±РЅР° объединить эти РґРІРµ великие, РЅР° РІРёРґ противоречивые теории Вселенной РІ СЃРІСЏР·РЅРѕРµ целое; только Рњ-теория СЃРїРѕСЃРѕР±РЅР° создать «теорию всего». Р?Р· всех предложенных РІ прошедшем веке теорий единственным кандидатом, способным «узреть Божий замысел», как сказал Эйнштейн, является Рњ-теория.

Только в десяти — и одиннадцатимерном гиперпространстве у нас «достаточно места», чтобы объединить все природные взаимодействия в единую изящную теорию. Такая удивительная теория сможет ответить на извечные вопросы: «Что произошло еще до начала? Можно ли обратить время вспять? Могут ли порталы в другие измерения перенести нас через Вселенную?» (Хотя критики совершенно справедливо указывают на то, что проверка этой теории находится; за пределами наших экспериментальных возможностей, в настоящее время планируется ряд экспериментов, которые могут изменить эту ситуацию, — о них мы поговорим в главе 9.)

В течение последних пятидесяти лет все попытки создания действительно единого описания Вселенной заканчивались позорным провалом. На концептуальном уровне это понять несложно. Общая теория относительности и квантовая теория диаметрально противоположны друг другу практически во всех отношениях. Общая: теория относительности — это теория очень большого: черных дыр, Больших Взрывов, квазаров и расширяющейся Вселенной. Она основана на математике гладких поверхностей, таких, как простыни и батуты. Квантовая теория в точности противоположна — она описывает мир всего крошечного: атомов, протонов с нейтронами и кварков. В основе ее лежит теория отдельных пучков энергии, называемых квантами. В отличие от теории относительности, квантовая теория утверждает, что вычислить можно только вероятность событий, так что мы никогда точно не узнаем, где находится электрон. В этих двух теориях все различно — математические подходы, допущения, физические принципы и области применения. Не удивитель-, но, что все попытки объединения их заканчивались провалом.

Физики-гиганты — Эрвин Шрёдингер, Вернер Гейзенберг, Вольфганг Паули и Артур Эддингтон — вслед за Эйнштейном тоже пробовали свои силы в создании единой теории поля, и все они потерпели неудачу. В 1928 году Эйнштейн ненамеренно вызвал массовое волнение в прессе, выдвинув раннюю версию своей единой теории поля. «Нью-Йорк тайме» даже опубликовала отрывки из его работы, в том числе и уравнения. Более сотни репортеров роилось вокруг дома Эйнштейна. Эддингтон из Англии писал Эйнштейну: «Вас, возможно, позабавит известие о том, что в витрине одного из наших самых больших универмагов в Лондоне (Селфриджиз) вывесили Вашу работу (шесть склеенных в ряд страниц), так что прохожие могут прочесть ее от начала до конца. Возле нее собираются толпы народа».

Р’ 1946 РіРѕРґСѓ Шрёдингер тоже заразился этой идеей Рё создал, как РѕРЅ полагал, эту уже мифическую единую теорию поля. РћРЅ спешно совершил довольно необычный для своего (РЅРѕ РЅРµ для нашего) времени поступок — созвал пресс-конференцию. Даже премьер-министр Р?рландии Р?РјРѕРЅ РґРµ Валера присутствовал РЅР° этой конференции. РљРѕРіРґР° Шрёдингера спросили, насколько РѕРЅ уверен РІ том, что ухватил наконец суть единой теории поля, РѕРЅ ответил: «Я считаю, что прав. РЇ Р±СѓРґСѓ выглядеть ужасно глупо, если это РЅРµ так». (РћР± этой пресс-конференции стало известно «Нью-Йорк тайме», Рё РѕРЅР° отправила СЂСѓРєРѕРїРёСЃСЊ Эйнштейну Рё РґСЂСѓРіРёРј ученым, чтобы те прокомментировали ее. Рљ несчастью, Эйнштейн увидел, что Шрёдингер заново открыл старую теорию, которую РѕРЅ предложил РјРЅРѕРіРёРµ РіРѕРґС‹ назад Рё сам же ее отбросил. Ответ Эйнштейна был очень вежлив, РЅРѕ РІСЃРµ же Шрёдингер был унижен.)

В195 8 году Джереми Бернштейн посетиллекцию в Колумбийском университете, где Вольфганг Паули представлял свою версию единой теории поля, которую он разработалвместе с Вернером Гейзенбергом. Нильса Бора, также присутствовавшего на этой лекции, она не очень-то впечатлила. В конце концов Бор поднялся и сказал: «Мы на галерке убеждены, что ваша теория безумна. Но что нас разделяет, так это вопрос о том, достаточно ли безумна ваша теория».

Паули тут же понял, что Бор имел в виду: теория Гейзенберга-Паули была слишком традиционной, слишком заурядной, чтобы стать единой теорией поля. Чтобы «узреть замысел Божий», понадобилось бы привлечение радикально новых математических подходов и идей,

Многие физики уверены, что за всем стоит простая, изящная и убедительная теория, которая, тем не менее, достаточно безумна и абсурдна, чтобы быть правдой. Джон Уилер из Принстона отмечает тот факт, что в ХГХ веке перспектива объяснить невероятное разнообразие жизненных форм на Земле представлялась безнадежной. Но затем Чарльз Дарвин предложил теорию естественного отбора, и одна-единственная теория предоставила всю архитектуру для объяснения происхождения и разнообразия жизни на Земле.

Лауреат Нобелевской премии Стивен Вайнберг РїСЂРёРІРѕРґРёС‚ еще РѕРґРЅСѓ аналогию. После Колумба карты, составленные РІ результате отважных путешествий первых европейских исследователей, СЏРІРЅРѕ указывали РЅР° существование «Северного полюса», РЅРѕ непосредственного доказательства его существования РЅРµ было. Поскольку РЅР° всех картах Земли был огромный пробел как раз РІ том месте, РіРґРµ, РїРѕ-РІРёРґРёРјРѕРјСѓ, находился Северный полюс, ранние исследователи просто предположили его существование, несмотря РЅР° то что РЅРё РѕРґРёРЅ РёР· РЅРёС… РЅРµ бывал РЅР° нем. Подобным образом физики нашего времени обнаруживают массу доказательств, указывающих РЅР° то, что теория всего должна существовать, хотя РІ данный момент ученые еще РЅРµ пришли Рє консенсусу Рѕ том, какова же эта конечная теория. Р?стория струнной теории

Теория, которая совершенно СЏРІРЅРѕ «достаточно безумна», чтобы быть истинной теорией поля, — это струнная теория, или Рњ-теория. Р?стория струнной теории, возможно, самая причудливая РёР· всех, что значатся РІ анналах физики. РћРЅР° была открыта совершенно случайно, применена Рє решению РЅРµ той проблемы, предана забвению Рё внезапно возродилась РІ качестве теории всего. Р? РІ конечном счете, поскольку небольшие поправки невозможны без уничтожения всей теории, ей предстоит стать либо «теорией всего», либо «теорией ничего».

Причиной столь странной истории струнной теории является ее развитие вспять. Обычно РІ такой теории, как теория относительности, начинают СЃ основных физических принципов. Затем эти принципы сводятся Рє набору основных классических уравнений. Р’ последнюю очередь вычисляют квантовые флуктуации для этих уравнений. Развитие струнной теории происходило РІ обратном направлении, начавшись СЃРѕ случайного открытия ее квантовой теории. Р? РїРѕ сей день физики ломают голову над тем, какие физические принципы РјРѕРіСѓС‚ приводить РІ действие РІСЃСЋ эту теорию.

Рождение струнной теории восходит к 1968 году, когда в ядерной лаборатории Европейской организации ядерных исследований (CERN) в Женеве два молодых физика Габриэле Венециано и Махико Сузуки листали книгу по математике и наткнулись на бета-функцию Эйлера, малоизвестную математическую формулу, открытую в XVIII веке Леонардом Эйлером, которая, казалось, странным образом описывала субатомный мир. Венециано и Сузуки были ошеломлены, увидев, что эта абстрактная математическая формула, по всей видимости, описывала столкновение двух я-мезонных частиц при невероятно высоких энергиях. Модель Венециано вскоре произвела сенсацию в физике; буквально в сотнях работ исследователи пытались обобщить ее для описания ядерных взаимодействий.

Р?ными словами, струнная теория была открыта совершенно слу-тайно. Эдвард Виттен РёР· Р?нститута передовых исследований (которого РјРЅРѕРіРёРµ считают творческим мотором РјРЅРѕРіРёС… ошеломительных переворотов РІ этой теории) сказал: «По справедливости РіРѕРІРѕСЂСЏ, Сѓ физиков XX века РЅРµ должно было Р±С‹ быть привилегии изучать эту теорию. РџРѕ справедливости РіРѕРІРѕСЂСЏ, струнная теория РЅРµ должна была быть изобретена».

Я ясно помню переполох, вызванный струнной теорией. Я в то время был еще аспирантом-физиком в Калифорнийском университете в Беркли. Помню, как физики качали головами и утверждали, что физика не должна была идти таким путем. В прошлом физика обычно основывалась на скрупулезных наблюдениях за природой, формулировании какой-либо частной гипотезы, внимательной проверки соответствия теории экспериментальным данным, а затем скучного повторения процесса, и так раз за разом. Струнная же теория основана на получении ответа методом простой догадки. Прежде считалось, что такие захватывающие прорывы невозможны.

0|1|2|3|4|5|6|7|8|9|10|11|12|