КВАНТОВЫЙ МИР ЗАСТАВЛЯЮТ ЗАДУМАТЬСЯ О ТОМ, КАК МЫ ВОСПРИНИМАЕМ ВРЕМЕННУЮ ШКАЛУ
Автор: Ракефет Тавор
Несколько лет назад Marvel Studios попросила доктора Спироса Михалакиса, математика и исследователя из Калифорнийского технологического института, прийти и рассказать им о новом и необычном герое по имени Человек-муравей.
Доктор Михалакис, который тогда исследовал возможность того, что однажды мы сможем путешествовать во времени и пространстве (как в «Звёздном пути»), выросший в Греции на Супермене и Человеке-пауке, спросил себя: «Кто же всё-таки этот Человек-муравей?»
После непродолжительного расследования он выяснил, что супергерой Человек-муравей уменьшается с помощью специального костюма, пока не достигнет атомного и даже субатомного уровня, где бегают электроны, протоны, частицы нейтрино и фотоны — короче говоря, перемещается в квантовый мир.
Роль доктора Михалакиса на съёмочной площадке заключалась в том, чтобы описать актёру Полу Радду и создателям фильма, каково это — войти в квантовый мир.
«В разных размерах, на разных уровнях частиц проявляются разные законы физики, — сказал Михалакис в интервью. — Это то, что мы называем „возникновение“ — будто вы уменьшаете зум до состояния „ничего нет“, и всё, что нам знакомо сейчас, все наши нынешние представления о времени и пространстве перемещаются туда, где они ещё не появились. Вещи, которые мы считаем само собой разумеющимися, например, движение вперёд во времени, там ещё не существуют».
Другими словами, настоящее и будущее на квантовом уровне могут влиять на вещи, которые уже произошли в прошлом, — объясняет в интервью профессор Хью Прайс из Кембриджского университета в Великобритании. Прайс — философ, который вернул в научную дискуссию увлекательную тему под названием «ретро каузальность» чуть более десяти лет назад, после того как научное сообщество десятилетиями игнорировало её.
В своей книге «Стрела времени и Архимед» (2004) Прайс пишет о «парадоксе стрелы времени», который представляет собой встречу времени, движущегося в известном нам направлении из прошлого в будущее, и времени на квантовом уровне. Например, стекло, которое разбивается и разбивается на куски, имеет чёткое и определённое направление падения.
Однако если бы мы засняли это событие и спроецировали фильм в обратном направлении — от разбившегося стекла до целого стекла, — то мы бы сочли его нелогичным. Но квантовая механика говорит нам, что процесс с чётким направлением, подобный падающему стакану, состоит из множества обратимых процессов на молекулярном уровне, и некоторые из них протекают в обратном направлении — из будущего в прошлое.
Как это возможно? И какое значение это имеет на микроскопических уровнях, а также на нашем уровне?
Скрытые переменные
Первым, кто предложил идею «обратной причинности», которая позволяла объяснить явление влияния будущего на прошлое на квантовом уровне, был французский физик Оливье Коста де Борегар, который задумался над ней ещё студентом и аспирантом, в 1940-е годы прошлого века. И чтобы понять, почему вообще возникла эта странная идея, мы сначала попытаемся разобраться в одной из острых полемик, которую спровоцировала квантовая механика.
Квантовая механика, или квантовая физика, возникла в начале XX века и постепенно изменила науку и то, что мы раньше думали о нашей физической реальности. Она выдвинула несколько революционных идей, которые идут вразрез с самой простой интуицией. Новая теория вызвала множество противников, наиболее известным среди которых был не кто иной, как один из первых мыслителей квантовой механики Альберт Эйнштейн.
В проведённых им экспериментах было обнаружено, что на квантовом уровне такие частицы, как, например, электроны, ведут себя не так, как ведёт себя нормальная материя на нашем уровне. Если мы думаем о бильярдном шаре, наша физика знает, как точно описать его положение в каждый момент времени.
С другой стороны, если мы хотим узнать положение электрона в определённый момент, квантовая механика предоставляет нам лишь облако разных вероятностей, разных мест, где он будет найден в пространстве одновременно. Это облако вероятностей электрона в пространстве и времени описывается с помощью «волновой функции», описывающей систему, и которая ведёт себя как волна, охватывающая несколько возможностей, а не одно конкретное местоположение.
Тема стала ещё более интересной, когда учёные всё же захотели попытаться измерить состояние и положение мельчайшей частицы. Они обнаружили, что такое измерение действительно может определить точное положение частицы, но оно оказывает на неё подавляющее воздействие и выводит из квантового состояния, что приводит к «коллапсу волновой функции».
Следовательно, мы никогда не сможем узнать точное местоположение и состояние частицы. Мы можем знать о ней лишь некоторые детали, и чем больше мы знаем об одной из характеристик микрочастицы, тем меньше мы сможем узнать о другой её характеристике, так называемом «принципе неопределённости».
Этот принцип всколыхнул мир физики и вызвал сильные разногласия среди учёных. Альберт Эйнштейн не был готов принять тот факт, что у частицы нет местоположения или даже определённого состояния, и что мы никогда не сможем узнать точное состояние частицы. В ответ на это в декабре 1926 года Эйнштейн написал знаменитое предложение:
«Я убеждён, что он [Бог] не играет в кости».
Эйнштейн также заявил, что, видимо, существуют «скрытые переменные», смысл которых нам пока неизвестен, которые могли бы объяснить такое явление более точно.
С другой стороны, многие учёные, в том числе Нильс Бор, один из основоположников квантовой механики, утверждали, что квантовая механика описывает истинную и полную ситуацию — полную картину недетерминированной реальности, характеристики которой необходимо продолжать исследовать, не пытаясь найти объяснения, соответствующие физике нашего мира.
«Главный вопрос заключается в том, даёт ли квантовая механика полное описание реальности, — говорит мне профессор Прайс. — Некоторые люди думают, что мир сам по себе неясный, смутный, и что квантовая механика немного проясняет его полное описание. Напротив, другие учёные, в том числе Альберт Эйнштейн, предполагают, что квантовая механика пренебрегает некоторыми деталями».
В мысленном эксперименте, опубликованном Эйнштейном в 1935 году совместно с физиком Борисом Подольским и израильтянином Натаном Розеном (эксперимент, получивший по именам авторов прозвище «ЭПР-парадокс»), учёные попытались доказать, что здесь действительно есть скрытые переменные и квантовая механика представляет лишь частичную картину реальности. Для этого они опирались на другое странное и удивительное явление квантовой механики, называемое «квантовая запутанность».
Согласно квантовой механике, две частицы, созданные вместе в одно и то же время и в одном и том же месте, такие как, например, пара фотонов, зависят друг от друга, поэтому их состояния не могут быть описаны индивидуально. Единственный способ, чтобы описать их состояние, возможен, если рассматривать одну волновую функцию.
Как объяснил Эйнштейн в мысленном эксперименте, интересное явление произойдёт, когда фотоны будут отдаляться друг от друга. В соответствии с предположениями квантовой механики, из-за тесной зависимости между ними, когда вы меняете состояние одной частицы, например, посредством измерения, это также немедленно повлияет на состояние её партнёра, даже если он находится от неё на расстоянии нескольких световых лет.
Но как частицы будут передавать друг другу информацию в реальном времени? Эйнштейн и его коллеги задавались этим вопросом. Возможно ли то, что частицы общаются друг с другом со скоростью, превышающей скорость света, нарушая тем самым одно из ограничений теории относительности, согласно которой ничто не может двигаться быстрее скорости света?
Известна ещё одна цитата Эйнштейна, который описывал такие непосредственные эффекты на расстоянии как «призрачное действие на расстоянии». Эйнштейн и его коллеги утверждали, что такие призрачные операции невозможны, и очевидно, квантовая механика игнорирует скрытые переменные, которые несут с собой частицы, и поэтому предоставляет нам лишь частичную информацию о физической реальности.
Ввиду аргументов Эйнштейна относительно скрытых переменных и неполноты квантовой механики дебаты оставались открытыми ещё 30 лет. До тех пор, пока ирландский физик Джон Стюарт Белл не предложил в 1964 году экспериментальный способ проверить, прячутся ли здесь, как утверждал Эйнштейн, скрытые переменные.
Белл нашёл математическую игру, основанную на неравенстве (например, a<b), которая различает два сценария, соответствующие двум взглядам — один указывает на наличие скрытых переменных во взаимодействии между частицами, а другой — нет. Восемь лет спустя учёные начали проводить эксперименты на основе математической игры, созданной Беллом, и обнаружили, что скрытых переменных нет, а это означает, что квантовая механика по-прежнему даёт полное описание, полную картину, хотя и ещё не понятую, недетерминированной реальности в мире, где частица может находиться, например, в трёх местах одновременно.
Всё больше экспериментов указывают на то, что, по-видимому, в длительной полемике люди квантовой механики одерживают верх и запутанность, которое, видимо, позволяет осуществлять немедленную передачу информации на расстояние, даже без скрытых переменных, действительно имеет место. Мы сразу увидим, как этот вопрос связан с вопросом времени.
Всё находится здесь и одновременно
Французский физик Оливье Коста де Борегар предложил в 40-е годы взглянуть на явление запутанности с другой точки зрения. Он, как и все физики, пытался найти объяснение тому, каким образом информация передаётся между двумя сплетёнными и удалёнными частицами с нулевой скоростью, а затем задался вопросом, может ли проблема заключаться в самом вопросе.
Возможно ли, думал он, что информация никогда не передавалась от частицы к частице, когда они были удалены друг от друга, но что информация всегда была там, как убийца из книги Агаты Кристи, который никогда не покидал место происшествия.
Другими словами, де Боргер предложил революционную теорию (в статье, которую он, в конце концов, опубликовал в 1953 году, он предложил процесс «зигзагообразной причинности»), согласно которой информация о будущем измерении доступна частице при её создании. То есть с самого начала, когда две частицы созданы и находятся близко друг к другу, на их свойства влияют события, которые должны произойти и произойдут с ними в будущем.
Звучит необоснованно, но оказывается, что есть две физические концепции, которые могут объяснить эту удивительную теорию: первая называется «блочной вселенной» и выведена из общей теории относительности Эйнштейна. В нашей повседневной жизни мы привыкли, что наше время и пространство определяются тремя измерениями пространства, в котором мы можем свободно перемещаться в любом направлении. Помимо них, существует ещё измерение времени, которое мы всегда переживаем в потоке, направленном из прошлого в будущее, при этом мы всегда находимся в настоящем моменте, в «сейчас», которое в нашем опыте более реально по сравнению с будущим или прошлым.
Идея «блочной вселенной» означает, что это восприятие времени как оси является лишь иллюзией — каждый момент нашей жизни, из прошлого, настоящего и будущего, находится в пространстве-времени одновременно, но поскольку наш мозг умеет связывать моменты по порядку, мы не в состоянии это заметить. Наше рождение и наша смерть уже находятся где-то там во времени.
К этому добавляется вторая идея, касающаяся квантового времени и связанная с концепцией блочной вселенной — «симметрия во времени». Идея означает, что «на фундаментальном уровне время не имеет направления», объясняет Прайс, «что по сути физика работает одинаково в обоих направлениях».
Так почему же нам кажется, что время течёт из прошлого в будущее? Появляется стрела времени, которую мы знаем из нашей повседневной жизни, вытекающая из второго закона термодинамики (энтропии). Мы знаем, что если мы не позаботимся о таких вещах, как стрижка травы или опорожнение коробки от остатков обеда, уровень беспорядка в каждой из мировых систем будет увеличиваться или оставаться постоянным, но никогда не уменьшится.
Это значит, что пока мы не вкладываем дополнительную энергию, осколки разбитого стекла никогда не сложатся в целое и красивое стекло, а наши домашние шкафы не починятся сами собой.
Прайс объясняет, что психология нашего времени, согласно которой мы воспринимаем время как стрелу в будущее, «зависит от того, что мы живём в области Вселенной, имеющей переход от низкой энтропии к высокой». Он добавляет, что «возможно, что где-то ещё во Вселенной есть существа, которые думают о времени в противоположном направлении — то есть в области Вселенной, где второй закон термодинамики действует в противоположном направлении. Они принимают решения в противоположном направлении и считают, что их причинность варьируется от будущего к прошлому в нашем понимании будущего и прошлого. То есть в этом месте меняются местами понятия будущего и прошлого».
Бог играет не в кости, а в судоку
Сам Прайс впервые занялся этой областью в 1977 году, когда был молодым студентом-математиком и участвовал в семинаре, посвящённом теории Белла.
«В те времена я уже достаточно знал о философии времени и убедился в том, что прошлое и будущее так же реальны, как и настоящее, а также я знал идею симметрии времени. Я думал про себя, почему не может быть движения времени в обе стороны?»
В 1980-х и 1990-х годах Прайс занимался философией физики в Австралийском национальном университете, а затем в Сиднейском университете, опубликовав несколько статей на тему обратной причинно-следственной связи. Подобно идеям де Бургора, его идеи были полностью проигнорированы.
Ситуация начала меняться чуть более десяти лет назад. В статье, которую Прайс опубликовал в 2012 году, он утверждал, что на квантовом уровне обратная причинность является естественным следствием принципа симметрии времени и фактически даже необходимой производной от него, однако, его утверждения звучали недостаточно убедительными, поскольку он был философом, а не математиком или физиком. В 2017 году профессор Мэтью Лейфер, физик из Университета Чепмена в США, принял вызов и завершил утверждение с физической точки зрения. Таким образом, он закрыл пробелы в аргументах, выдвинутых Прайсом, и вызвал дальнейший интерес к этой области.
Израильский взгляд на эту тему представили профессор Якир Ааронов из Тель-Авивского университета и его партнёры. Ааронову удалось разработать систему слабых измерения частиц, которые не повреждают их волновые функции, то есть измерения, которым удаётся извлечь ограниченную информацию о текущем состоянии частицы, не вызывая коллапса её волновой функции. Сделав множество таких измерений, он медленно начал накапливать частичные данные о состоянии частицы в разное время (из её прошлого и будущего), получившие прозвище «слабые значения» (Weak Values). Ааронов предполагает, что последнее измерение, которое будет выполнено на частице, будет обычным измерением, то есть измерением, которое разрушит волновую функцию, но предоставит реальные и достоверные данные о частице.
Ааронов рассказал в интервью, что обнаружил, что при объединении данных двух типов измерений, «открывается совершенно новый мир, о существовании которого вы не ожидали даже в квантовой механике. Полученные данные также могут ответить на всевозможные квантовые парадоксы, которые раньше считались невозможными для понимания». Именно так он и его партнёры используют собранные ими данные, чтобы раскрыть больше информации о квантовой реальности, информации, которую невозможно раскрыть с помощью обычных разрушительных измерений.
Последнее нововведение появилось в результате исследования, опубликованного в феврале этого года в журнале Nature Communications группой исследователей из Оксфордского университета и Свободного университета Брюсселя.
Группа обнаружила, что в квантовом мире иногда происходит круговой процесс причинности: первоначально появляются знакомые обстоятельные процессы, то есть процессы прошлого влияют на события будущего, но некоторое время спустя направление причинности меняется на противоположное — получается причинность от будущего к прошлому, т. е. «будущие» события влияют на события прошлого. И так повторяется по кругу.
«Эмили Адлам, молодой исследователь в этой области из Кембриджского университета, прекрасно описала это несколько лет назад в статье, опубликованной в журнале New Scientist, — говорит Прайс. — Она сказала, что Бог играет не в кости, а в судоку. На самом деле это сеть взаимных влияний из прошлого и будущего, которая воздействует на частицы со всех сторон».
— Какую пользу могут принести исследования «обратной причинности»? Может ли это повлиять на нашу реальность?
Профессор Хью Прайс: Пользу мы увидим только на уровне более чёткого представления о том, как устроен наш мир и как квантовая механика сочетается с теорией относительности.
— Вы говорите, что, возможно, это могло бы помочь нам построить мост между квантовой механикой, классическим миром и теорией относительности.
Профессор Хью Прайс: Да. Именно. Но если вы спрашиваете в контексте, где это может повлиять на нашу повседневную жизнь, то я думаю, что это маловероятно заметить. Если бы мы хотели использовать эти знания, например, для отправки сообщений в прошлое, это могло бы вызвать проблемные парадоксы, такие как парадокс дедушки (когда вы путешествуете во времени, убиваете своего дедушку до того, как он встретит вашу бабушку).
— Каким образом эти идеи воспринимаются сегодня в научном сообществе?
Профессор Хью Прайс: Они по-прежнему в меньшинстве. Как я уже говорил, в последние годы им уделяется больше внимания, чем раньше, это видно по популярным книгам по квантовой механике, вышедшим в последнее время. Некоторые книги включают краткое обсуждение обратной причинно-следственной связи.
Источник: The Epoch Times