Магия времени от А до Я. Как научиться ускорять и замедлять жизнь - Лиза Бродерик
Не удовлетворенные результатами, физики решили провести эксперимент, в котором использовали экран с двумя щелями. Если вы помните, они пытались выстрелить только одним фотоном и ожидали, что он проявит свойства твердой одиночной частицы. Вы могли бы подумать, что этот фотон пройдет только через одну щель. Или что получатся два изображения скопления фотонов, что было бы характерным для двух щелей. Но они не получили ни того, ни другого. Вместо этого казалось, что свет проходит через обе щели одновременно. Но свет проявлял не корпускулярные свойства, и изображения на пластине выглядели как волны. Если быть точнее, это были две отдельные волны, которые накладывались друг на друга, подобно волнам от выпущенных в пруд пуль, которые распространяются и накладываются друг на друга.
Эффект наблюдателя
Так почему же фотоны ведут себя как частицы в экспериментах с одной щелью и как волны в экспериментах с двумя щелями? Чтобы получить больше данных, ученые установили датчики наблюдения, чтобы посмотреть, как фотоны проходят через две щели и попадают на пластину за экраном. И вот что произошло: во время наблюдения каждый фотон проходил только через одну щель. Другими словами, волновая картина на фотопластинке исчезла, и ученые получили изображение, которые ожидали увидеть изначально: фотоны на пластине выглядели как частицы, а не как волны. Как это ни странно, но поведение фотона менялось с корпускулярного на волновое, только когда датчик наблюдал за его прохождением через щель. Кроме того, фотоны вели себя либо как частицы, либо как волны – объединения этих свойств ученые не наблюдали. И хотя все началось с фотонов, помните, что корпускулярно-волновой дуализм не ограничивается только ими. Подобные эксперименты проводились с нейтронами, атомами и даже более крупными молекулами.
С тех пор ученые много раз проводили эксперименты с фотонами, и некоторые были весьма необычными. В эксперименте, известном как «квантовый ластик», был разработан метод, который позволял преднамеренно не детектировать фотон. В каждом случае обнаруживалось, что результаты наблюдений, соответствующие детектированию фотона и его отсутствию, имеют один и тот же эффект. Поскольку в эксперименте ничего не наблюдалось и имело место только отсутствие наблюдения, ученые предположили, что само наблюдение – критически важный процесс в коллапсе волновой функции. Профессор Ричард Конн Генри в журнале Nature написал: «Волновая функция разрушается просто потому, что человек ее не видит». И он сделал вывод: «Вселенная полностью ментальна».
Квантовая запутанность в мире физики
Как упоминалось в главе 3, ученые активно работают над тем, чтобы продемонстрировать, что квантовые законы, управляющие микроскопическим миром, могут быть применимы и к макроскопическому миру, что в случае успеха приведет к созданию теории всего. Один из способов, при помощи которого ученые пытаются объединить общую теорию относительности с квантовой механикой, – это концепция квантовой запутанности.
Вспомните – запутанные частицы ведут себя так, словно они связаны, даже если находятся на расстоянии целой Вселенной друг от друга. Недавно это свойство успешно продемонстрировали ученые из Брукхейвенской национальной лаборатории Университета Стоуни Брук и высокоскоростная компьютерная сеть Министерства энергетики США (ESnet), которые проводили эксперимент с запутанными фотонами, находящимися друг от друга на расстоянии семнадцати километров. Считается, что это самое большое расстояние, на котором проводились эксперименты с запутанными частицами в США. Если говорить о еще больших расстояниях, ученые предполагают, что квантовая запутанность и космические червоточины – одно и то же явление. Обычно физики рассматривают модель лишь двух квантово запутанных частиц. Но в недавнем исследовании ученые выдвинули гипотезу, что поведение запутанных субатомных частиц можно объяснить тем, что они связаны чем-то вроде квантовой червоточины. На самом деле само пространство-время могло возникнуть из-за квантовой запутанности. Поскольку червоточины – это искажения пространства, описываемые теорией гравитации Эйнштейна, исследователи понимают, что частицы, подчиняющиеся законам квантовой механики, могут быть запутаны. Более того, обнаружение взаимосвязи между червоточинами, – которые обычно существуют только в астрофизике – и явлением квантовой запутанности установило бы прочную связь между общей теорией относительности и квантовой механикой.
Квантовая суперпозиция и физический мир
Ученые, которые разрабатывают теорию всего, часто особое внимание уделяют квантовой суперпозиции. Совсем недавно международная группа ученых, специализирующихся на изучении времени, предположила, что время может течь квантовым образом. Мы уже знаем, что по законам физики крупные объекты замедляют время из-за гравитации. Это означает, что часы, находящиеся на небольшом расстоянии от крупного объекта, будут идти медленнее, чем такие же часы, находящиеся дальше от него. Так почему такой же эффект не может существовать в микроскопическом квантовом мире? Например, как бы часы отсчитывали время, если бы подверглись воздействию огромного объекта в квантовом мире?
Традиционная научная теория утверждает, что подобное немыслимо, но подавляющее большинство физиков надеются на обратное. Все потому, что в привычном нам макроскопическом мире, управляемом общей теорией относительности, события следуют друг за другом и подчиняются закону причинно-следственных связей, то есть каждая причина соответствует следствию. Однако в микроскопическом мире квантовой механики события происходят по закону вероятностей, а не причинно-следственной связи. Вспомните корпускулярно-волновой дуализм и кота Шредингера, который может существовать в двух разных состояниях, называемых состоянием суперпозиции.
Но что произойдет, если крупный объект, способный своей гравитацией искажать время, поместить в сценарий квантовой суперпозиции, то есть объединить законы квантовой механики с законами классической физики? Задававшиеся этим вопросом ученые придумали мысленный эксперимент. Представьте себе два космических корабля, выполняющих миссию в космосе: корабль 1 и корабль 2. Им отдали приказ выстрелить друг в друга из оружия, в один и тот же момент, а затем улететь, чтобы отразить огонь противника. Считается, что в этот момент они будут находиться в суперпозиции друг к другу, то есть одновременно стреляют и не стреляют.
Теперь давайте представим, что в эксперименте участвует гравитация. Представьте, что огромный объект, например планета, находится ближе к кораблю 1, чем к кораблю 2. С точки зрения корабля 1 время для корабля 2 ускоряется до такой степени, что идет быстрее. Вспомните наш пример с черной дырой из предыдущих глав. В результате более удаленный от планеты корабль 2 получит приказ стрелять быстрее, чем корабль 1. И корабль 1 не сможет выстрелить достаточно быстро, чтобы поразить корабль 2, который устанавливает порядок событий во времени.
Таким образом сочетается уникальное квантовое явление, суперпозиция кораблей, с уникальным явлением классической физики – действием гравитации на них, что означает, что два «мира» могут сосуществовать – по крайней
