У героев научной фантастики есть наручные телепорты и транспортные лучи, персонажи сказок и фэнтэзи могут проходить сквозь порталы или по природе своей умеют исчезать в одном месте и мгновенно появляться в другом. Когда рабочий телепорт создадут настоящие учёные, можно ли пройти сквозь чёрную дыру и что такое квантовая телепортация, рассказывают физики Южного федерального университета — выпускница магистратуры Физического факультета ЮФУ, ассистент научно-образовательного центра «Перспективные решения в образовании» Дарья Кислякова и магистрант физфака Владимир Опара.
Телепортируйся пешком
Чтобы объяснить принцип телепорта, нужно понять, какой закон природы мы хотим обмануть, мечтая о мгновенном перемещении куда угодно. Наше обычное движение — это изменение положения тела относительно других тел с течением времени. Потратил секунду — сделал шаг в соседнюю комнату, хочешь «телепортироваться» дальше — сделай больше шагов и потрать больше времени.
«Непрерывной функцией времени возможно описать только механические процессы в рамках классической механики: равномерное и равноускоренное или равнозамедленное движение. В первом случае функция линейно зависит от времени и имеет вид прямой, а во втором — содержит квадратичную зависимость от времени и изображается как парабола. Кроме того, есть колебательное движение, для его описания используются гармонические функции: синус и косинус», — рассказала Дарья Кислякова.
Нет, такая телепортация никого не устроит. То, что мы гипотетически представляем под телепортом, — это технология перемещения объекта, в рамках которого его траекторию невозможно математически описать непрерывной функцией времени. Так двигаются, например, объекты изучения квантовой физики.
«Если мы переходим на уровень микромира и используем аппарат квантовой механики, то в этом случае понятие траектории как таковой утрачивает смысл и вместо функции, описывающей движение системы, используется понятие волновой функции, которая определяет вероятность того или иного состояния квантовой системы», — объяснил Владимир Опара.
То есть мечтатели о телепортации хотят перемещать объекты макромира на большие расстояния с такой лёгкостью, с какой передвигаются электроны в атомах или радиоволны в пространстве. Пока что передавать по воздуху не представляется возможным даже энергию, не говоря уже о материи. Это всё фантастика…
От Шекспира до Кляйна
Идея о богах, духах или фантастических существах, способных исчезнуть в одном месте и мгновенно появиться в другом, присутствует практически в любой культуре. В пьесах Уильяма Шекспира способностью к телепортации обладают королева фей Титания и дух воздуха Ариель.
Человек же впервые телепортируется в рассказе американского писателя Эдварда Митчелла «Человек без тела» 1877 года. Главный герой открыл метод передачи атомов по телеграфному проводу, а затем их повторной сборки. К сожалению, когда он пробует этот способ на себе, батарея телеграфа садится, а переместиться успевает только его голова.
Похожую идею описывали Артур Конан Дойл в рассказе «Дезинтеграционная машина», Фред Джейн в романе «К Венере за пять секунд», Альфред Бестер в романе «Тигр! Тигр!», Жорж Ланжелан в рассказе «Муха» и многие другие фантасты. Все они используют разные слова для описания перемещения: джонтирование, транспортация, перенос, трансгрессия, — а слово «телепортация», которое приживётся в научной литературе, придумал противник науки.
Американский журналист Чарльз Хой Форт не имел успеха как литератор, но преуспел как составитель справочников по сенсациям. Всю свою жизнь он посвятил просмотру периодических изданий США и Великобритании в поисках историй о предметах и животных, якобы падавших с неба, спонтанных случаях самовозгорания человека, экстрасенсорных способностях и тому подобного.
Всему этому он не стремился дать рациональное объяснение, как, например, торнадо, который поднимает в воздух рыбу, затем выпадающую с дождём. Наоборот, собранными фактами он хотел дискредитировать науку вообще и заменить её интермедиатизмом, методом познания между фактом и фантазией. Поразмыслив этим методом, Форт пришёл к выводу о существовании «Супер-Саргассова моря», откуда на Землю выпадают вещи и живые существа. Разумные обитатели надземного пространства, по мнению Форта, связаны с тайными обществами внизу при помощи телепатии и телепортации.
Теории Форта никто не обсуждал всерьёз, а вот слово «телепорт» прижилось и появилось на страницах таких книг, как «Автостопом по галактике» Дугласа Адамса, «Гиперион» Дэна Симмонса, «Хроники Амбера» Роджера Желязны, «Звездные врата» Андрэ Нортон и «Золотой компас» Филипа Пулмана, а также в телесериалах и кинофильмах, таких как «Звёздный путь» и «Звёздные войны». Для большей части фантастики телепорт стал привычным предметом интерьера, неизбежным для далёкого будущего заменителем обычных видов транспорта.
А вот новое поколение фантастов начинает осмыслять проблемы телепортации научно и философски, и тогда телепорт начинает пугать. В рассказе Стивена Кинга «Долгий джонт» 1981 года для телепортации путешественник должен спать, иначе перемещение может показаться ему мучительной вечностью.
В 1995 году Кристофер Прист пишет роман «Престиж», который в 2006 году получает экранизацию от режиссёра Кристофера Нолана. По сюжету фокусник покупает у Николы Теслы телепорт, однако прибор, вместо того чтобы переносить объект из одного места в другое, создаёт копии этого объекта. В результате фокуснику ради идеального циркового номера приходится постоянно создавать свою копию, а самого себя убивать.
Настоящей одой телепортации стал роман «Двойной эффект» 2017 года — дебютная работа писателя Кляйна Таля. В книге описывается мир 22-го века, где телепортация стала самым безопасным видом транспорта — так, во всяком случае, утверждает корпорация, которая внедрила эту технологию. Но затем главный герой узнает истинный принцип работы телепортов — такой же, как и в фильме «Престиж» — и оказывается в смертельной опасности.
Почти невозможно и совсем негуманно
Кажется, что идея телепорта изменилась до неузнаваемости: от идеального транспорта до машины по созданию дубликатов. На самом деле, если задуматься, телепорт всегда работал именно так.
Между элементарными частицами, на которые предполагается расщепить объект в телепорте, нет никакой разницы. Следовательно, нет никакого смысла транспортировать атомы, из которых некогда состоял телепортируемый, в другое место и там собирать как конструктор — можно просто передать на расстояние необходимую информацию и собрать объект из атомов, которые и так есть в пункте назначения.
«В одном месте объект уничтожили, а информацию о нём переслали и материализовали в другом месте с помощью некоторого аналога 3D-принтера. Такова концепция создания клона того объекта, который мы хотим телепортировать. Несмотря на кажущуюся определенность и непротиворечивость законам физики, подобный механизм чисто гипотетический, и трудно сказать, появится ли такая технология в будущем», — поделилась Дарья Кислякова.
При более детальном приближении идея телепортации наталкивается на всё более серьезные трудности: технические и этические, — отметим сначала первые.
Объект телепортации прежде всего нужно оцифровать. Кажется, что это не так уж и сложно: в конце концов камень, яблоко или человек состоят из конечного количества молекул, которые можно пересчитать и сохранить как файлы. Уже сегодня в распоряжении человечества есть серверы, на которых сохранены миллиарды терабайтов — целые цифровые миры.
Любому из нас ничего не стоит хранить на компьютере точную модель своего тела в виде нулей и единиц, но это будет только его внешняя оболочка. Если углубляться, из чего мы на самом деле состоим, то окажется, что длина всех молекул ДНК только одной клетки около двух метров. Общая длина ДНК всех клеток в нашем организме в тысячи раз больше расстояния от Земли до Солнца.
Если углубляться дальше и разложить каждую молекулу ДНК на ещё более элементарные частицы, то окажется, что их вообще невозможно корректно оцифровать, поскольку принцип неопределенности Гейзенберга не позволяет считывать точное расположение частиц, массу или размер которых мы знаем.
«Чтобы передать оцифрованные данные всех клеток человеческого организма, потребуется огромное количество времени. При нынешних технических возможностях это займет больше времени, чем возраст самой Вселенной», — рассказал Владимир Опара.
Этические проблемы телепортации ещё очевиднее — они связаны с идентификацией личности и вопросом оригинальности сознания.
«Нет однозначного ответа на вопрос, умирает ли «оригинал», каждый раз запуская телепорт, и будет ли полученный «дубликат» полным аналогом исходной личности, ведь речь идет о передаче сознания и всех тех сложных процессов, которые до сих пор остаются неизученными», — подытожила Дарья Кислякова.
Их связь сильнее расстояний
Если телепортация невозможна, да и не очень-то желанна с учётом всех нюансов, чем же занимаются современные учёные, раз это слово до сих пор на слуху не только в художественной, но и в научной литературе? Они проводят эксперименты с квантовой телепортацией.
«В случае квантовой телепортации не предполагается мгновенное перемещение объекта, тут суть другая. У нас есть пара частиц в связанном состоянии, это означает, что их квантовые параметры скоррелированы друг с другом. Если эти частицы разнести на некоторое расстояние и измерить параметры одной из них, то, исходя из законов квантовой механики, мы автоматически узнаем параметры второй. То есть происходит мгновенная синхронизация квантовых параметров двух частиц без физического перемещения этих частиц», — объяснил Владимир Опара.
По сути, квантовая телепортация является экспериментальной проверкой теории квантовой запутанности. Эта теория гласит, что два электрона, разделенные миллиардами световых лет, могут быть связаны «невидимой нитью», позволяющей одному менять свои параметры одновременно с другим, игнорируя огромные расстояния, ограничения скорости света и тот факт, что кроме квантовой запутанности эти частицы ничего не связывает. «Жуткое действие на расстоянии», — так окрестил этот феномен Альберт Эйнштейн, ведь он противоречит одному из главных постулатов теории относительности — невозможности взаимодействия быстрее скорости света.
Чтобы устранить противоречия, нужно всего лишь взглянуть на мир глазами не только физиков, но и математиков. Один атом не передаёт другому никакой сверхсветовой сигнал. Просто кубит, квантовый бит информации, благодаря принципу суперпозиции может находиться в состояниях «1» и «0» одновременно, а мы как наблюдатели в момент измерения мгновенно узнаем то, что уже было предопределено суперпозицией, существовавшей с момента запутывания частиц.
Квантовые вычисления — это манипуляции с набором кубитов. Они обрабатывают огромные объемы информации с невероятно высокой скоростью, но пока что не со стопроцентной точностью. В Южном федеральном университете учёные исследуют квантовые коды и учатся устранять факторы, влияющие на появление ошибок во время квантового вычислительного процесса, так что, возможно, эта проблема вскоре будет устранена.
Ещё одна сфера, где уже применяется квантовая телепортация, — это технологии защищенной связи. С помощью квантовой суперпозиции, квантовой запутанности и передачи данных в квантовых состояниях можно построить канал связи, в котором любая попытка компрометации информации будет обнаружена.
Кротовые норы и Интерстеллар
Невозможно не порадоваться за технологический прогресс и за причастность к нему учёных ЮФУ. И всё-таки это не та телепортация, что в кино. Неужели всё, что мы знали о телепортации до сегодняшнего дня, — обман, а искусство и наука существуют в параллельных вселенных?
Ну, не совсем. Если фильм «Престиж» Кристофера Нолана заставит вас разочароваться в идее телепорта как человеческого изобретения, то другой фильм этого режиссёра докажет вам, что Вселенная сложна и удивительна и телепортация в ней возможна.
«Физик-теоретик из Калифорнийского технологического института и лауреат Нобелевской премии по физике Кип Торн выступил не только научным консультантом фильма «Интерстеллар», но и его исполнительным продюсером, а также написал связанную с фильмом книгу «Интерстеллар. Наука за кадром». Так что если вам интересна тема перемещения через кротовые норы, червоточины, чёрные дыры и телепортация за горизонтом событий, то можете и посмотреть, и почитать», — поделился Владимир Опара.
По сюжету «Интерстеллара» неизвестные существа разместили кротовую нору возле Сатурна, открыв путь к далёкой галактике с двенадцатью потенциально обитаемыми мирами, расположенными рядом с чёрной дырой, которую люди называют «Гаргантюа».
Кротовая нора – это некоторый туннель в пространстве-времени, который соединяет отдаленные области Вселенной. На сегодняшний день – это чисто математический объект, который возникает в общей теории относительности Эйнштейна, и нет никаких указаний на то, что он существуют в природе. Более того, шансов обнаружить кротовые норы очень мало, так как для существования подобных объектов требуется отрицательная энергия, из-за чего они очень нестабильны.
«Если же предположить, что у нас существует стабильная кротовая нора и мы можем перемещаться между отдаленными областями Вселенной, то подобное путешествие едва ли можно назвать приятным, так как нужно учесть искривление самого пространства-времени на границах туннеля, действие гравитационного поля, которое может быть разрушительным для перемещаемых объектов, а также иные силы, которые могут существовать в туннеле или на его границах», — объяснила Дарья Кислякова.
Можно только фантазировать о веществе внутри самой дыры, о том, какие технологии требуются для подобного прохождения, но лучше уж фантастам описывать такую телепортацию, чем телепорт как машину по созданию клонов.
