Ткань космоса: Пространство, время и текстура реальности

Да, возможно. Но только если имелось весьма специфическое прошлое{119}.

Яйцо, курица и Большой взрыв

Чтобы увидеть, что это означает, выберем в качестве примера изначально низкоэнтропийное, полностью сформированное яйцо. Как возникла такая низкоэнтропийная физическая система? Понятно, что, вернув доверие к нашей памяти и записям, мы все знаем ответ: яйцо появилось из курицы. Также знаем, что курица появляется из яйца, которое появляется из курицы, которая появляется из яйца, и т. д. Но, как настойчиво подчёркивал английский математик Роджер Пенроуз{120}, история куриц и яиц на самом деле учит нас кое-чему глубокому и приводит к некоторой определённости.

Курица или любой живой организм есть физическая система с поразительно высокой упорядоченностью. Откуда возникла такая организация и как она поддерживается? Курица остаётся живой, причём достаточно долго, чтобы произвести яйца, питаясь и дыша. Пища и кислород обеспечивают материалы, из которых живой организм извлекает необходимую энергию. Но имеется критически важное свойство этой энергии, которое необходимо подчеркнуть, если вы действительно хотите понять, что происходит. По ходу своей жизни курица, которая остаётся здоровой, принимает как раз примерно столько энергии в виде пищи, сколько она возвращает в окружающую среду, главным образом в форме тепла и других отходов, генерируемых её метаболическими процессами и ежедневной деятельностью. Если бы не было такого баланса между приходящей и уходящей энергией, курица становилась бы всё больше и больше.

Важный момент состоит в том, что не все формы энергии эквивалентны. Энергия, которую курица отдаёт окружающей среде в форме тепла, в высшей степени неупорядочена — она часто приводит к тому, что некоторые молекулы воздуха, теснящиеся тут и там, сталкиваются более интенсивно, чем если бы этой энергии не было. Такая энергия имеет высокую энтропию — она распылена и перемешана с окружающей средой — и поэтому не может быть легко приспособлена для каких-либо полезных целей. Напротив, энергия, которую курица получает из пищи, имеет низкую энтропию и готова к использованию для поддержания жизни. Так курица и, фактически, любая форма жизни является каналом, собирающим низкоэнтропийную энергию, и выдающим наружу высокоэнтропийную энергию.

Это понимание сдвигает вопрос о том, откуда возникла низкая энтропия яйца, на один шаг назад. Как получается, что источник энергии для курицы, пища, имеет столь низкую энтропию?

Как мы объясним этот аномальный источник порядка? Если пища имеет животное происхождение, мы снова приходим к исходному вопросу: почему животные имеют такую низкую энтропию? Но если мы проследуем по пищевой цепочке, мы в конечном счёте придём к животным (вроде меня), которые едят только растения. Как растения и производимые ими продукты в виде фруктов, овощей и зелени поддерживают низкую энтропию? С помощью фотосинтеза растения используют солнечный свет, чтобы разделить углекислый газ на кислород, который возвращается назад в окружающую среду, и углерод, который растения используют, чтобы расти и цвести. Так мы можем проследить за низкоэнтропийными источниками энергии неживотного происхождения вплоть до Солнца.

Это отодвигает вопрос объяснения низкой энтропии ещё на шаг назад: откуда взялось наше высокоупорядоченное Солнце? Солнце сформировалось около 5 млрд лет назад из первичного рассеянного облака газа, которое начало вращаться и сгущаться под воздействием взаимного гравитационного притяжения всех его составляющих частей. По мере того как газовое облако становилось плотнее, гравитационное притяжение между частями становилось сильнее, заставляя облако всё больше коллапсировать в себя. И по мере того как гравитация сжимала облако всё сильнее, оно разогревалось. В конечном счёте оно разогрелось достаточно, чтобы начались ядерные процессы, которые сгенерировали выходящее наружу излучение, достаточное для того, чтобы помешать дальнейшему гравитационному сжатию газа. Родилась горячая, стабильная, ярко сияющая звезда.

Тогда откуда возникло рассеянное облако газа? Вероятно, оно сформировалось из остатков старых звёзд, которые достигли конца своей жизни, став сверхновыми, и исторгли своё содержимое в пространство. Откуда взялся рассеянный газ, отвечающий за появление этих ранних звёзд? Мы думаем, что газ сформировался как последствие Большого взрыва. Наши наиболее разработанные теории возникновения Вселенной — наши самые разработанные космологические теории — говорят, что в момент, когда Вселенная была пару минут отроду, она была заполнена почти однородным горячим газом, состоящим примерно на 75% из водорода, на 23% из гелия и из небольшого количества дейтерия и лития. Существенным моментом является то, что этот газ, заполняя Вселенную, имел крайне низкую энтропию. Большой взрыв дал старт Вселенной в состоянии низкой энтропии, и это состояние явилось источником упорядоченности, которую мы видим в настоящее время. Иными словами, текущий порядок является космологическим реликтом. Теперь рассмотрим это важное объяснение немного более детально.

Энтропия и гравитация

Поскольку теория и наблюдения показывают, что в течение нескольких минут после Большого взрыва изначальный газ был однородно распределён по юной Вселенной, вы можете подумать, обратившись к нашей ранней дискуссии о бутылке колы и её молекулах углекислого газа, что изначальный газ был в высокоэнтропийном, неупорядоченном состоянии. Но, оказывается, это неверно. Наша прежнее обсуждение энтропии, полностью игнорирующее гравитацию, имело смысл, поскольку гравитация почти не играет роли в поведении минимального количества газа, выходящего из бутылки колы. И в этом предположении мы выяснили, что однородно распределённый газ имеет высокую энтропию. Но когда гравитация имеет значение, всё становится по-другому. Гравитация есть универсальная сила притяжения; поэтому, если вы имеете достаточно большую массу газа, каждая область газа будет притягиваться к каждой другой, и это заставит газ распасться на сгустки, что напоминает фрагментацию воды на капли на листе вощёной бумаги, вызываемую поверхностным натяжением. Когда гравитация имеет значение, как это было в высокоплотной ранней Вселенной, нормой является скопление в кучу, а не однородность; это и есть состояние, в направлении которого газ будет стремиться эволюционировать, как показано на рис. 6.5.

Рис. 6.5. Для гигантских объёмов газа, когда гравитация имеет существенное значение, атомы и молекулы эволюционируют из однородной равномерно распределённой конфигурации в конфигурацию, включающую всё бо́льшие и более плотные сгущения

Хотя сгущения являются более упорядоченными, чем исходный рассеянный газ, — примерно как игровая комната с игрушками, которые аккуратно разложены по шкафам и ящикам, более упорядочена, чем комната, в которой игрушки разбросаны по полу, — в расчёте энтропии надо рассчитывать вклад от всех источников. Для игровой комнаты уменьшение энтропии в процессе перехода от беспорядочно разбросанных игрушек к игрушкам, разложенным по шкафам и ящикам, более чем компенсируется ростом энтропии от сгорающих жиров и выделяемого тепла телами родителей, которые потратили часы, чтобы всё вычистить и привести в порядок. Аналогично, в первичном рассеянном газовом облаке вы обнаружите, что уменьшение энтропии при формировании упорядоченных сгустков более чем компенсируется за счёт выделения тепла при сжатии газа и, в конце концов, за счёт огромного количества тепла и света, высвобождающегося при возникновении ядерных процессов.

Это важный момент, который временами упускается из вида. Подавляющее стремление в направлении беспорядка не означает, что не могут формироваться организованные структуры, вроде звёзд и планет, или организованные формы жизни, вроде растений и животных. Конечно, могут. И, очевидно, формируются. Что определяет второй закон термодинамики, так это то, что при формировании порядка всегда имеется более чем компенсирующий генератор беспорядка. Итог энтропийного баланса всё равно находится в плюсе, энтропия растёт, хотя определённые составляющие системы становятся более упорядоченными. И из фундаментальных сил природы гравитация — единственная, которая использует это свойство энтропии во всей полноте. Поскольку гравитация действует через громадные расстояния и является универсально притягивающей силой, она подстёгивает формирование упорядоченных сгустков газа — звёзд, испускающих свет, который мы видим на чистом ночном небе, в полном соответствии с итоговым балансом в пользу роста энтропии.

Чем более сжаты, плотны и массивны сгущения газа, тем больше общая энтропия. Чёрные дыры — наиболее экстремальная форма гравитационного сгущения и сжатия во Вселенной, дошедшая до предела. Гравитационное притяжение чёрной дыры настолько сильно, что ничто, даже свет, не может вырваться, что объясняет, почему чёрные дыры являются чёрными. Поэтому, в отличие от обычных звёзд, чёрные дыры упрямо удерживают всю энтропию, которую они произвели: ничто не может вырваться из мощнейшей гравитационной хватки чёрной дыры{121}. Фактически, как мы будем обсуждать в главе 16, ничто во Вселенной не содержит больше беспорядка (больше энтропии), чем чёрная дыра[122]. Это имеет простое интуитивное объяснение: высокая энтропия означает, что огромное количество перестановок составляющих частей объекта останутся незамеченными. Поскольку мы не можем видеть внутренность чёрной дыры, невозможно отследить любую перегруппировку её составляющих, какими бы ни были эти составляющие, и поэтому чёрная дыра имеет максимальную энтропию. Когда гравитация напрягает свои мускулы до предела, она становится самым эффективным генератором энтропии в известной Вселенной.

Теперь добрались до последней инстанции. Исходным источником порядка, низкой энтропии, должен быть сам Большой взрыв. На своей самой ранней стадии, вместо того чтобы быть заполненной чудовищными контейнерами энтропии, вроде чёрных дыр, как мы могли бы ожидать на основе вероятностного рассмотрения, по некоторым причинам рождающаяся Вселенная была заполнена горячей и однородной газовой смесью водорода и гелия. Хотя при плотностях настолько низких, что можно игнорировать гравитацию, такая конфигурация имела бы высокую энтропию, ситуация становится совершенно иной, когда гравитацией нельзя пренебречь; тогда однородный газ имеет крайне низкую энтропию. По сравнению с чёрными дырами, рассеянный, почти однородный газ пребывал в состоянии с крайне низкой энтропией. С тех пор, в соответствии со вторым законом термодинамики, общая энтропия Вселенной постоянно растёт; постепенно возрастает общее итоговое количество беспорядка. Спустя примерно миллиард лет или около того после Большого взрыва гравитация заставила изначальный газ собраться в сгущения, и эти сгустки, в конце концов, сформировали звёзды, галактики и некоторые более мелкие сгущения, которые стали планетами. По меньшей мере у одной такой планеты была рядом звезда, обеспечивающая относительно низкоэнтропийный источник энергии, который позволил развиться низкоэнтропийным формам жизни. Среди таких форм жизни со временем возникла курица, которая отложила яйцо, которое нашло свой путь к вашему кухонному столу и, к вашему огорчению, это яйцо продолжило неотвратимую траекторию к состоянию с более высокой энтропией, скатившись со стола и разбившись об пол. Яйцо разбивается скорее, чем восстанавливается, поскольку это отражает стремление вперёд к более высокой энтропии, которое было инициировано состоянием с необычайно низкой энтропией, с которого началась Вселенная. Невероятный порядок в начале — это то, с чего всё началось, и мы живём в процессе последовательного перехода ко всё большему беспорядку.

В этом состоит та самая ошеломляющая связь, которую мы пытались найти на протяжении всей этой главы. Разбивающееся яйцо говорит нам нечто глубокое о Большом взрыве. Оно говорит нам, что Большой взрыв дал начало необычайно упорядоченному рождающемуся космосу.

Та же идея применима ко всем другим примерам. Причина, по которой вновь подбрасываемые в воздух нескреплённые страницы романа «Война и мир» приходят в состояние с более высокой энтропией, в том, что они начинали с высокоупорядоченной низкоэнтропийной формы. Начальная упорядоченная форма пачки страниц подготовила их к росту энтропии. Наоборот, если страницы изначально были совершенно вне числового порядка, подбрасывание их в воздух вряд ли изменит энтропию. Так что вопрос снова состоит в том, как они стали с самого начала такими упорядоченными? Ясно, что Толстой написал и представил их в таком порядке, а наборщик текста и переплётчик следовали его инструкциям. А высокоупорядоченные тело и ум Толстого, а также и издателей книги, которые позволили им, каждому в свою очередь, создать том такого высокого порядка, могут быть объяснены, следуя той же цепочке рассуждений, которую мы уже прошли для яйца, которая снова приведёт нас назад к Большому взрыву. А как насчёт наполовину растаявших кубиков льда, которые вы видели в 10:30 вечера? Теперь, раз уж мы доверяем памяти и записям, вы вспомните, что ещё до 10:00 вечера бармен кинул сформированные кубики льда в ваш стакан. Он взял кубики льда из морозильника, который был разработан умелым инженером и изготовлен талантливым механиком, которые способны создавать нечто такого высокого порядка потому, что они сами являются высоко организованными формами жизни. И снова мы последовательно сводим их высокую организацию к высокоупорядоченному началу Вселенной.

Важное утверждение

Откровение, к которому мы пришли, заключается в том, что мы можем доверять нашей памяти о прошлом с более низкой, а не более высокой энтропией, только если Большой взрыв — процесс, событие или явление, которое привело Вселенную к существованию, — дал старт Вселенной в очень специфическом, высокоупорядоченном состоянии с низкой энтропией. Без этого важного добавления наши ранние рассуждения, что энтропия должна расти как в будущее, так и в прошлое от любого заданного момента, приводят к заключению, что весь порядок, который мы видим, возник из случайной флуктуации обыкновенного неупорядоченного состояния высокой энтропии, а это заключение, как мы уже видели, подрывает сами рассуждения, на которых оно основано. Но, включая в наш анализ маловероятную низкоэнтропийную начальную точку Вселенной, мы теперь видим, что правильное заключение состоит в том, что энтропия растёт по направлению в будущее, поскольку вероятностные рассуждения полностью и без ограничений работают в этом направлении; но энтропия не растёт в прошлое, поскольку такое использование вероятностного обоснования находится в противоречии с нашим новым пониманием, что Вселенная начиналась с состояния с очень низкой, а не высокой, энтропией{123}. Так что условия рождения Вселенной оказываются решающими для направления стрелы времени. Направление в будущее есть в действительности направление возрастания энтропии. Стрела времени — факт, что события начинаются так и заканчиваются эдак, но никогда не начинаются эдак и заканчиваются так, — начинает свой полёт из высокоупорядоченного, низкоэнтропийного состояния Вселенной в её начале{124}.

Последняя загадка

То, что ранняя Вселенная задаёт направление стреле времени, является чудесным заключением, вызывающим глубокое удовлетворение, но мы ещё не закончили. Одна огромная загадка осталась. Как получилось, что Вселенная началась с такой высокоупорядоченной конфигурации, что она организовала вещи так, что на протяжении миллиардов лет, через конфигурации с постоянно уменьшающимся порядком, всё эволюционировало в направлении к более и более высокой энтропии? Заметьте, насколько это поразительно. Как мы отмечали, с точки зрения вероятности намного более естественным было бы, что частично растаявшие кубики льда, которые вы видели в 10:30 вечера, стали такими в результате статистической флуктуации, возникшей в стакане жидкой воды, а не начались с ещё менее вероятного состояния полностью сформированных кубиков льда. А что верно для кубиков льда, то в несметное количество раз ещё более верно для целой Вселенной. Говоря на языке вероятности, в захватывающей дух степени более вероятно, что всё, что мы сейчас видим во Вселенной, возникло из редкого статистического отклонения от полного беспорядка, а не медленно эволюционировало из ещё более маловероятной, неправдоподобно более упорядоченной, поразительно низкоэнтропийной стартовой точки, которую требует Большой взрыв{125}.

И ещё, когда мы разбирались со случайностями и представляли, что всё скачком возникло за счёт статистической флуктуации, мы оказались в затруднительном положении: такой подход ставит под сомнение сами законы физики. Так мы решили не полагаться на случайность и пришли к низкоэнтропийному Большому взрыву как к объяснению стрелы времени. Теперь загадка состоит в том, как объяснить, почему Вселенная началась с такой маловероятной, высокоупорядоченной конфигурации. Это и есть тот вопрос, на который указывает стрела времени. Всё это приводит к космологии{126}.

Мы будем заниматься детальным обсуждением космологии в главах с 8 по 11, но сначала отметим, что в нашем обсуждении времени имеется серьёзный недостаток: всё, что мы говорили, основывалось исключительно на классической физике. Теперь рассмотрим, как квантовая механика влияет на понимание времени и на наши поиски его стрелы.

Глава 7. Время и кванты

Как царство квантов помогает понять суть времени

Когда мы думаем о чём-то, подобном времени, о чём-то, внутри чего мы находимся, о чём-то, что полностью входит в наше повседневное существование, о чём-то настолько всепроникающем, что невозможно изъять — даже на мгновение — из общепринятого языка, то наши рассуждения формируются под определяющим влиянием наших ощущений. Эти повседневные ощущения являются классическими; с высокой степенью точности они соответствуют законам физики, установленным Ньютоном более чем три столетия назад. Но из всех открытий в физике за последнюю сотню лет квантовая механика является самым поразительным, поскольку она подрывает всю концептуальную схему классической физики.

Так что стоит расширить наши классические представления и рассмотреть некоторые эксперименты, которые обнаруживают удивительные особенности того, как разворачиваются во времени квантовые процессы. Мы продолжим обсуждать темы предыдущей главы в этом более широком контексте и зададимся вопросом, имеется ли стрела времени в квантово-механическом описании природы. Мы получим ответ, который вызывает споры даже среди физиков. И он снова вернёт нас к вопросу о происхождении Вселенной.

Прошлое согласно квантовой теории

В предыдущей главе вероятность играла центральную роль, однако я несколько раз акцентировал внимание на том, что она возникает только вследствие практического удобства и полезности предоставляемой ею информации. Отслеживание точного движения 1024 молекул H₂O в стакане воды выходит далеко за рамки наших вычислительных возможностей, и, даже если бы это было возможно, что мы стали бы делать с итоговой горой данных? Определить по списку, содержащему 1024 положений и скоростей, присутствовали ли кубики льда в стакане, — это непомерно сложная задача. Так что вместо этого мы обращаемся к вероятностным рассуждениям, доступным для вычислений и, более того, имеющим дело с макроскопическими свойствами (порядок против беспорядка; например, лёд против воды), которыми мы обычно и интересуемся. Но имейте в виду, при этом не подразумевается, что вероятность фундаментально вшита в ткань классической физики. В принципе, если бы мы точно знали, как вещи ведут себя в настоящий момент, — знали бы положения и скорости каждой отдельной частицы, составляющей Вселенную, — то классическая физика говорит, что мы могли бы использовать эту информацию для предсказания, как вещи будут себя вести в любой заданный момент в будущем или как они себя вели в любой заданный момент в прошлом. Будете вы на самом деле следить за их развитием момент за моментом или нет, но в соответствии с классической физикой вы можете говорить о прошлом и будущем, в принципе, с уверенностью, которая определяется скрупулёзностью и точностью ваших наблюдений настоящего момента{127}.

В этой главе вероятность также будет играть центральную роль. Но, поскольку вероятность является неизбежным элементом квантовой механики, это фундаментально меняет наше представление о прошлом и будущем. Мы уже видели, что квантовая неопределённость не допускает одновременного знания точных положений и точных скоростей. Мы также видели, что квантовая физика предсказывает только вероятность реализации того или иного будущего. Мы уверены в этих вероятностях, но, поскольку это всё же вероятности, ясно, что имеется неизбежный элемент случайности при попытке предсказать будущее.

Когда приходится описывать прошлое, между классической и квантовой физикой также имеется важное отличие. В классической физике, в связи с её равноправным рассмотрением всех моментов времени, события, приводящие к чему-нибудь, что мы наблюдаем, описываются с использованием в точности того же языка, с применением в точности тех же характерных свойств, которые мы используем для описания самого наблюдения. Если мы видим огненный метеор в ночном небе, мы говорим о его положении и скорости; если мы воссоздаём картину его появления там, мы также говорим об однозначной последовательности положений и скоростей, когда метеор нёсся через пространство к Земле. В квантовой физике, когда мы что-то наблюдаем, мы входим в особое царство, где что-то может быть известно со 100%-й определённостью (игнорируя проблемы, связанные с точностью приборов, и подобные им). Но прошлое — под которым мы конкретно понимаем «ненаблюдаемое» прошлое, т. е. время перед тем, как мы, или кто-нибудь, или что-нибудь проводит данное наблюдение, — остаётся в обычном царстве квантовой неопределённости, в царстве вероятностей. Даже если мы прямо здесь и прямо сейчас зафиксировали положение электрона, то моментом раньше всё, что он имел, — это вероятность быть здесь, или там, или вообще где-то далеко.

Как мы видели, это не значит, что электрон (или любая частица) на самом деле находился только в одном из этих возможных положений, но мы просто не знаем, в каком{128}. Скорее, есть основания полагать, что электрон был во всех положениях, поскольку каждая из вероятностей — каждая из возможных историй — вносит вклад в то, что мы наблюдаем в настоящий момент. Вспомним, это доказывалось экспериментом, описанном в главе 4, в котором электроны пролетали через две щели. Классическая физика, которая опирается на широко разделяемое убеждение, что события имеют однозначные истории, говорит, что каждый электрон, попавший на экран детектора, прошёл либо через левую щель, либо через правую щель. Но такое представление о прошлом вводит в заблуждение: оно предсказывает результаты, показанные на рис. 4.3а, которые не согласуются с тем, что происходит на самом деле (что показано на рис. 4.3б). Наблюдаемая интерференционная картина может быть объяснена только чем-то, проходящим через обе щели.

Квантовая физика обеспечивает именно такое объяснение, но при этом радикально меняет наши взгляды на прошлое — наше описание того, как отдельные события, которые мы наблюдаем, стали такими, какие есть. В соответствии с квантовой механикой вероятностная волна каждого электрона проходит через обе щели, и, поскольку части волны, выходящие из каждой щели, смешиваются, итоговое распределение вероятности и, следовательно, места попадания электронов на экран демонстрируют интерференционную картину.

По сравнению с повседневным опытом, описание прошлого электрона в терминах накладывающихся волн вероятности совершенно необычно. Но, отбросив осторожность, вы можете предложить продвинуть это квантово-механическое описание ещё на один шаг дальше, что приведёт к ещё более причудливой возможности. Может быть, каждый отдельный электрон сам по себе на пути к экрану действительно проходит через обе щели, и итоговая картина является результатом интерференции этих двух классов историй. То есть имеется соблазн думать о волнах, выходящих из двух щелей, как о представляющих две возможные истории для индивидуального электрона — проходящего через левую щель или проходящего через правую щель, — и поскольку обе волны вносят вклад в то, что мы наблюдаем на экране, возможно, квантовая механика говорит нам, что обе потенциальные истории электрона вносят вклад в результат.

Удивительно, эта странная и чудесная идея — дитя разума нобелевского лауреата Ричарда Фейнмана, одного из самых оригинальных физиков XX в., — открывает весьма жизнеспособный путь размышлений о квантовой механике. Согласно Фейнману, если имеются альтернативные пути, по которым может быть достигнут заданный результат, — например, электрон попадает в некоторую точку на экране детектора, пролетев через левую щель, или попадает в ту же точку, но пролетев через правую щель, — тогда, в некотором смысле, все альтернативные варианты событий имеют место и происходят одновременно. Фейнман показал, что каждая такая история будет вносить вклад в вероятность того, что будет реализован их общий результат, и если эти вклады аккуратно сложить друг с другом, результат будет совпадать с полной вероятностью, которую предсказывает квантовая механика.

Фейнман назвал этот подход к квантовой механике суммированием по историям[129]; этот подход показывает, что вероятностная волна объединяет все возможные варианты прошлого, которые могли предшествовать данному наблюдению, и хорошо иллюстрирует, что, для того чтобы достичь успеха там, где классическая физика терпит неудачу, квантовой механике приходится существенно расширять горизонты истории{130}.

В страну Оз

Существует другой вариант эксперимента с двойной щелью, в котором интерференция между альтернативными историями становится ещё более явной, поскольку два пути к экрану детектора разделены сильнее. Немного проще описывать эксперимент, используя фотоны вместо электронов, так что мы начинаем с источника фотонов — лазера — и выпускаем из него луч в направлении так называемого светоделителя. Этот прибор выполнен из полупрозрачного зеркала, типа такого, какие используются для скрытого наблюдения. Такое зеркало отражает половину падающего на него света, а другая половина проходит насквозь. Таким образом, исходный одиночный луч света расщепляется на два, левый и правый лучи, аналогично тому, что происходит с лучом света, который сталкивается с двумя щелями в двухщелевом опыте. Используя полностью отражающие зеркала, расположенные как показано на рис. 7.1, два луча снова собираются вместе и далее направляются к детектору. Рассматривая свет в виде волны, как в описании Максвелла, мы ожидаем увидеть — и, несомненно, видим — на экране интерференционную картину. Длина пути немного отличается для левого и правого маршрута, так что в то время как левый луч может достичь пика в заданной точке экрана детектора, правый луч может достичь пика, впадины или некоторого промежуточного состояния. Детектор записывает сумму интенсивностей двух волн, и поэтому мы получаем характерную интерференционную картину.

Рис. 7.1. (а) В эксперименте со светоделителем лазерный свет разделяется на два луча, которые идут двумя раздельными путями к экрану детектора. (б) Интенсивность излучения лазера может быть снижена настолько, что он будет испускать отдельные фотоны; фотоны попадают на экран, со временем выстраивая интерференционную картину

Различие между классическим и квантовым станет очевидным, если мы значительно понизим интенсивность пучка лазера, так что он станет испускать одиночные фотоны, скажем, один в несколько секунд. Когда отдельный фотон попадает в светоделитель, классическая интуиция говорит, что он либо пройдёт насквозь, либо будет отражён. Классические рассуждения не допускают даже намёка на интерференцию, поскольку тут нечему интерферировать: всё, что мы имеем, это отдельные фотоны, проходящие от источника к детектору, один за другим, некоторые по левому пути, некоторые по правому. Но когда эксперимент завершён, то отдельные фотоны, регистрируемые всё это время (примерно как на рис. 4.4), дают интерференционную картину, как на рис. 7.1б. В соответствии с квантовой физикой причина этого состоит в том, что каждый зарегистрированный детектором фотон может дойти до детектора, двигаясь либо по левому пути, либо по правому. Так что мы обязаны объединить эти две возможные истории при определении вероятности того, что фотон попадёт на экран в ту или иную точку. Когда левая и правая вероятностные волны для каждого индивидуального фотона объединяются, они дают волнообразную вероятностную картину интерференции волн. Так что в отличие от Дороти, которая была сбита с толку, когда Страшила указал сразу налево и направо, показывая ей направление в страну Оз, результаты эксперимента с расщеплением пучка фотонов можно объяснить тем, что каждый фотон, направляясь к детектору, идёт сразу и левым, и правым путём.

Свобода выбора

Хотя мы описали объединение возможных историй только на двух специальных примерах, такой ход размышлений о квантовой механике является общим. В то время как классическая физика описывает настоящее как имеющее единственное прошлое, вероятностные волны квантовой механики расширяют арену истории: в формулировке Фейнмана наблюдаемое настоящее представляет смесь — особый вид усреднения — всех возможных прошлых, совместимых с тем, что мы сейчас наблюдаем.

В случае экспериментов с двумя щелями и светоделителем электрон или фотон имеют два пути от источника до экрана детектора — налево или направо — и только при комбинировании возможных историй мы приходим к объяснению того, что наблюдаем. Если барьер имеет три щели, мы должны принять во внимание три вида событий; с 300 щелями нам необходимо учитывать всё множество возможных результирующих событий. В крайнем случае, если мы представим, что прорезано гигантское количество щелей, — фактически так много, что барьер исчезает, — квантовая физика говорит, что каждый электрон будет двигаться по любой возможной траектории к выделенной точке на экране, и только объединяя вероятности, связанные с каждой такой историей, мы можем объяснить итоговые данные. Это может звучать странно. (Это и есть странно.) Но такое причудливое рассмотрение прошедшего времени объясняет данные на рис. 4.4, 7.1б и любой другой эксперимент, проводимый с микромиром.

Насколько буквально нужно принимать описание через сумму по историям? Электрон, который попадает на экран детектора, действительно проходит вдоль всех возможных путей, или рецепт Фейнмана есть просто хитрая математическая выдумка, дающая правильный ответ? Этот вопрос находится среди ключевых для оценки истинной природы квантовой реальности, так что я хотел бы дать вам определённый ответ. Но не могу. Физики считают такой подход очень удобным для представления огромного числа объединяемых историй; я использую его в собственных исследованиях настолько часто, что он ощущается реальным. Но мы не говорим, что это действительно реально. Суть в том, что квантовые вычисления дают нам вероятность попадания электрона в ту или иную точку экрана, и эти предсказания согласуются с данными опыта, с пятнами на экране. Поскольку речь идёт о проверке теории и её предсказательной силы, не так уж существенно, как именно электрон достигает данной точки на экране.

Но, продолжаете настаивать вы, мы можем выяснить, что же происходит на самом деле, изменив экспериментальные условия так, чтобы мы смогли теперь наблюдать и предполагаемую размытую смесь возможных прошлых, вливающихся в наблюдаемое настоящее. Это хорошее предложение, но нам уже известно, что имеется препятствие. В главе 4 мы узнали, что волны вероятности непосредственно ненаблюдаемы; а поскольку объединяющиеся истории Фейнмана есть ничто иное, как особый способ размышлений о вероятностных волнах, они тоже должны ускользать от прямых наблюдений. И они ускользают. Наблюдения не могут выхватить отдельные индивидуальные истории; скорее наблюдения отражают среднее по всем возможным историям. Поэтому если вы измените условия опыта так, чтобы наблюдать электроны в полёте, то обнаружите, что каждый электрон проходит через ваш дополнительный детектор в том или ином месте; но вы никогда не увидите какую-то размытую множественную историю. Когда вы используете квантовую механику для объяснения, почему вы видели электрон в том или ином месте, ответ будет включать усреднение по всем возможным историям, которые могут привести к этому промежуточному наблюдению. Но само наблюдение имеет доступ только к историям, которые уже соединены. Наблюдая за электроном в полёте, вы просто сдвигаете назад обозначение того, что вы считаете историей. Квантовая механика жёстко операциональна: она объясняет, что вы видите, но не позволяет вам видеть объяснение.

Вы можете спросить далее: почему тогда классическая физика — физика здравого смысла, — которая описывает движение в терминах единственной истории и траектории, вообще имеет отношение к Вселенной? Почему она так хорошо работает в объяснениях и предсказаниях движения чего угодно, от бейсбольного мяча до планет и комет? Почему в каждодневной жизни нет подтверждений того странного пути, по которому прошлое, по-видимому, разворачивается в настоящее? Причина, уже коротко обсуждавшаяся в главе 4, и которую мы вскоре изучим более подробно, состоит в том, что бейсбольные мячи, планеты и кометы относительно велики, как минимум по сравнению с частицами вроде электрона. А в квантовой механике чем больше что-то, тем более неравноправным становится усреднение: все возможные траектории дают вклад в движение бейсбольного мяча в полёте, но обычный путь — один единственный путь, предсказываемый законами Ньютона, — даёт намного больший вклад, чем все остальные пути. Для больших объектов классические пути дают в огромной степени больший вклад в процесс усреднения, так что они и являются единственными, к которым мы привыкли. Но когда объекты малы, подобно электронам, кваркам и фотонам, многие различные истории вносят вклад ориентировочно одного порядка, следовательно, все они играют важную роль в процессе усреднения.

Наконец, вы можете спросить: что такого особенного в акте наблюдения или измерения, что он может вынудить все возможные истории соединиться вместе и дать единственный результат? Как акт наблюдения говорит частице, что пора подвести итог историям, усреднить их и зафиксировать определённый итог? Почему люди и сделанное ими оборудование имеют такую особую силу? Особая ли она? Или, может быть, акт наблюдения является специальным случаем некоторого более общего влияния внешней среды, и мы, квантово-механически говоря, не такие уж особые, в конце концов? Мы будем обсуждать эти трудные и спорные вопросы во второй половине этой главы, поскольку они не только являются центральными для понимания природы квантовой реальности, но они дают хорошую основу для размышлений о квантовой механике и стреле времени.

Вычисление квантово-механических средних требует хорошей технической подготовки. Полное понимание того, как, когда и где подсчитываются средние, требует концепций, над формулировками которых физики интенсивно работают до сих пор. Но один ключевой урок может быть извлечён легко: квантовая механика представляет собой арену предельно свободного выбора: каждый возможный «выбор», который может быть сделан при переходе объекта отсюда туда, включён в квантово-механическую вероятность, связанную с соответствующим переходом.

Классическая и квантовая физика трактуют прошлое очень по-разному.

Усечение истории

С нашим классическим восприятием чрезвычайно трудно представить один неделимый объект — электрон или фотон — одновременно двигающимся вдоль более чем одного пути. Даже те из нас, кто имеет высочайший самоконтроль, с трудом бы справились с соблазном взглянуть украдкой: по какой траектории на самом деле следует по пути к детектору электрон или фотон, проходя через экран с двойной щелью или светоделитель. Почему не установить маленькие детекторы перед каждой щелью в эксперименте с двумя щелями, чтобы сказать точно, пролетает электрон через одно отверстие, через другое или через оба (в то же время оставляя электрону возможность проследовать в направлении главного детектора)? В эксперименте со светоделителем почему не поставить на каждом пути от светоделителя маленький детектор, который определит, какой путь выбрал фотон, левый, правый или оба (опять-таки, позволяя фотону сохранить движение к детектору)?

Ответ таков — вы можете ввести эти дополнительные детекторы, но если вы это сделаете, вы обнаружите два обстоятельства. Первое: каждый электрон и каждый фотон всегда будут обнаружены только одним из детекторов; так что вы можете определить, по какому пути следует каждый электрон или фотон, и вы увидите, что он всегда двигается по одному или другому пути и никогда по обоим. Второе: итоговые результаты, записанные главным детектором, изменились. Вместо того чтобы получить интерференционную картину, как на рис. 4.3б и 7.1б, вы получите результаты, ожидавшиеся классической физикой, как на рис. 4.3а. Введя новые элементы — новые детекторы, — вы непреднамеренно изменили эксперимент. И изменения таковы, что парадокс, который вы вот-вот готовы были разгадать, — пропал. Теперь вы знаете, какой путь выбрала каждая частица, откуда же взяться интерференции с другим путём, который частица демонстративно не выбрала? Причина следует немедленно из результатов последнего раздела. Ваше новое наблюдение выделило те истории, которые могли предшествовать всему, что бы могло обнаружить ваше новое наблюдение. И поскольку это наблюдение определило, какой путь выбрал фотон, мы рассматриваем только те истории, которые соответствуют прохождению по этому пути, что приводит к уничтожению возможности интерференции.

Нильс Бор обобщил это, используя свой принцип дополнительности. Каждый электрон, каждый фотон, всё, что угодно, имеет как свойства частицы, так и волновую природу. Это дополняющие друг друга свойства. Размышление только в рамках концепции обычной частицы — в которых частица движется вдоль одной-единственной траектории — неполно, поскольку оно отбрасывает волновые свойства, демонстрируемые интерференционными эффектами[131]. Размышление только в волновых рамках неполно, поскольку оно отбрасывает корпускулярные стороны явления, демонстрируемые измерениями, в которых обнаруживаются локализованные частицы, что может быть зафиксировано, например, в виде отдельной точки на экране (см. рис. 4.4). Для воссоздания полной картины явления необходимо принимать во внимание обе взаимнодополнительные стороны. В любой данной ситуации вы можете сделать одну сторону более заметной, в зависимости о того, какие вы выберете взаимодействия. Если вы позволяете электронам проходить от источника к экрану без наблюдения, могут проявиться их волновые свойства, в результате получится интерференция. Но если вы наблюдаете электрон в пути и вы знаете, какой путь он выбрал, тогда вы будете не в состоянии объяснить интерференцию. Реальность приходит на помощь. Ваше наблюдение отсекает ветви квантовой истории. Оно заставляет электрон вести себя подобно частице; поскольку частицы двигаются тем или иным путём, интерференционная картина не формируется, так что нечего и объяснять.

Природа делает фантастические вещи. Она ходит по краю. Но старательно лавирует и уклоняется от фатальных ударов логических парадоксов.

Случайность истории

Эти эксперименты поразительны. Они обеспечивают простое, но мощное доказательство того, что наш мир управляется квантовыми законами, найденными физиками в XX в., а не классическими законами, найденными Ньютоном, Максвеллом и Эйнштейном, — законами, которые мы сегодня признаём как эффективные и успешные для приблизительного описания событий в достаточно больших масштабах. Мы уже видели, что квантовые законы бросают вызов обычным представлениям о том, что происходило в прошлом, — о ненаблюдаемых событиях, которые ответственны за то, что мы видим в настоящее время. Некоторые простые вариации упомянутых экспериментов выводят наше интуитивное представление о том, как события разворачиваются во времени, на ещё более высокий, ещё более удивительный уровень.

Первый вариант называется экспериментом с отложенным выбором, и был предложен в 1980 г. выдающимся физиком Джоном Уилером. Эксперимент неожиданно наталкивает на странно звучащий вопрос: зависит ли прошлое от будущего? Отметим, что это отличается от вопроса, можем ли мы вернуться назад и изменить прошлое (это мы обсудим в главе 15). Эксперимент Уилера, который был проведён и детально проанализирован, вскрывает удивительное переплетение, взаимосвязь между событиями, которые, как мы считаем, имели место в прошлом, даже в удалённом прошлом, и событиями, которые мы рассматриваем как происходящие прямо сейчас.

Чтобы почувствовать физику, представьте, что вы коллекционер произведений искусства, и что мистер Смитерс, председатель нового Общества распространения красоты и искусств Спрингфилда, пришёл взглянуть на различные произведения, которые вы выставили на продажу. Однако вы знаете, что на самом деле его интересует «Дородный Монти», картина в вашей коллекции, которую вы никогда не считали стоящей, но которая является одной из картин, доставшихся вам по завещанию вашего любимого дядюшки Монти Бернса, так что решение продать её требует некоторых эмоциональных усилий. После прихода мистера Смитерса вы беседуете о вашей коллекции, прошедших аукционах, текущем шоу в Метрополитен; и вдруг вы узнаёте, что когда-то Смитерс был главным помощником вашего дядюшки. К концу разговора вы решаете, что хотите расстаться с «Дородным Монти»: имеется так много произведений, которые вы хотели бы иметь, и вы должны немного ограничивать себя, иначе ваша коллекция станет бесформенной. В отношении коллекционирования произведений искусства вы всегда говорили себе, что иногда качество важнее количества.

Когда вы размышляете об этом решении ретроспективно, кажется, что вы на самом деле уже решились на продажу до прихода мистера Смитерса. Хотя вы всегда имели определённую привязанность к «Дородному Монти», вы долго осторожничали в сборе всё разрастающейся коллекции, а эротически-ядерный реализм конца XX в. является устрашающей областью для любого, даже самого закалённого коллекционера. Хотя вы помните, что перед приходом вашего посетителя вы думали, что не знаете, что делать, но с вашей текущей точки зрения кажется, как если бы вы на самом деле знали. Не то чтобы будущие события повлияли на прошлые, но ваша совместная встреча с мистером Смитерсом и ваше последующее выражение желания продать картину освещают прошлое так, что возникают определённые мысли, кажущиеся со временем бесспорными. Это как если бы встреча и ваше выражение желания помогли вам признать решение, которое уже было принято и только ожидало своего выхода на сцену. Будущее помогло вам рассказать более полную историю о том, что произошло в прошлом.

Конечно, в этом примере будущие события влияют только на ваше восприятие или интерпретацию прошлого, так что события не являются ни головоломными, ни удивительными. Но эксперимент с отложенным выбором Уилера переносит это психологическое переплетение будущего и прошлого в квантовую область, где оно обретает точный смысл, но не становится от этого менее поразительным. Мы начнём с эксперимента на рис. 7.1а, изменённого путём настройки лазера так, что он испускает отдельный фотон за один раз, как на рис. 7.1б, а также путём присоединения нового детектора фотонов сразу за светоделителем. Если новый детектор выключен (см. рис. 7.2б), мы возвращаемся к исходным настройкам эксперимента и фотоны на фотографическом экране дают интерференционную картину. Но если новый детектор включён (рис. 7.2а), он указывает нам, каким путём движется каждый фотон: если он обнаруживает фотон, значит, фотон выбрал этот путь, если он не обнаруживает фотон, значит, фотон выбрал другой путь. Такая информация о выборе пути, как уже говорилось, вынуждает фотон вести себя подобно частице, так что волновая интерференционная картина больше не создаётся.

Рис. 7.2. (а) Включая детектор, определяющий выбор пути фотоном, мы разрушаем интерференционную картину. (б) Когда новый детектор выключен, мы возвращаемся к ситуации рис. 7.1 и снова выстраивается интерференционная картина

Теперь, следуя Уилеру, изменим ситуацию, переместив новый детектор фотонов далеко от светоделителя вдоль одного из двух путей. В принципе, путь может быть настолько длинным, насколько вы захотите, так что новый детектор может быть существенно удалён от светоделителя. Снова, если этот новый детектор фотонов выключен, мы находимся в обычной ситуации и фотоны дают на экране интерференционную картину. Если он включён, то обеспечивает информацию о выборе пути и поэтому препятствует возникновению интерференционной картины.

Новые странности возникают из того факта, что измерение выбора пути может быть произведено намного позже того, как фотон в светоделителе «решил», будет ли он вести себя как волна и двигаться по обоим путям или он будет вести себя как частица и двигаться только по одному пути. Когда фотон проходит через светоделитель, он не может «знать», включён новый детектор или нет, — в действительности эксперимент может быть устроен так, что выключатель детектора будет установлен в то или иное положение после того, как фотон прошёл через делитель. Чтобы быть готовой к возможности, что детектор выключен, квантовая волна фотона, скорее всего, разделилась и двигается по обоим путям, так что смесь обоих путей может дать наблюдаемую интерференционную картину. Но если новый детектор был включён — или если он включается после того, как фотон полностью покинул делитель, — то кажется, что фотон сталкивается с кризисом идентичности: пройдя через делитель, он уже зафиксировал свою волновую природу, двигаясь по обоим путям; но теперь, через некоторое время после осуществления этого выбора, он «осознаёт», что ему необходимо стать частицей, которая путешествует по одному и только по одному пути.

Однако каким-то образом фотон всегда делает это правильно. Когда бы детектор ни был включён — опять-таки, даже если решение включить его принимается после того, как данный фотон прошёл через светоделитель, — фотон ведёт себя совершенно как частица. Он находится на одном и только на одном пути к экрану (если вы поставили детекторы фотонов на оба пути, каждый эмитированный лазером фотон будет обнаружен одним и только одним детектором, но никогда обоими); итоговые данные не показывают интерференционной картины. Когда бы детектор ни был выключен — даже если это было сделано спустя много времени после того, как фотон прошёл через делитель, — фотоны ведут себя совершенно как волны, создавая замечательную интерференционную картину и показывая, что они шли обоими путями. Это похоже на то, как если бы фотоны приспосабливали своё поведение в прошлом к будущему выбору, включён ли новый детектор; как будто фотоны имеют «предчувствие» экспериментальной ситуации, с которой они столкнутся дальше на пути, и ведут себя соответственно. Как будто согласованная и определённая история становится проявленной только после того, как будет полностью фиксировано будущее, к которому оно ведёт{132}.

Есть нечто схожее с вашими ощущениями от решения о продаже «Дородного Монти». Перед встречей с мистером Смитерсом вы были в двусмысленном, нерешительном, размытом, смешанном состоянии, желая и продать, и не продавать картину. Но совместные разговоры о мире искусства и получение информации о влиянии Смитерса на вашего дядюшку сделали для вас идею о продаже более комфортной. Разговор привёл к твёрдому решению, которое ретроспективно позволило решению выкристаллизоваться из первоначальной неопределённости. Ретроспективно ощущается, будто решимость на самом деле была всегда. Но если бы вы не поговорили так хорошо с мистером Смитерсом, если бы он не придал вам уверенности, что «Дородный Монти» будет в надёжных руках, очень даже вероятно, что вы могли принять решение не продавать картину. А история прошлого, которую вы могли бы рассказать в этом случае, легко могла бы содержать признание, что вы на самом деле очень давно решили не продавать картину, будучи глубоко уверенным, что ваша сентиментальность слишком глубока, чтобы пойти на это. Реальное прошлое, конечно, не изменилось ни на йоту. Однако разные ощущения теперь заставляют вас описывать разную историю.

В области психологии переписывание или реинтерпретация прошлого является обычным делом[133]; наша история прошлого часто лишь информирует о наших переживаниях в настоящем. Но в области физики — которую мы обычно рассматриваем как объективную и высеченную в камне дисциплину — зависимость истории от случайностей будущего несколько кружит голову. Чтобы голова закружилась ещё сильнее, Уилер представил космическую версию эксперимента с отложенным выбором, в которой источником света является не лабораторный лазер, а мощный квазар в глубине пространства. Светоделитель представляет собой не лабораторный прибор, а находящуюся на пути света галактику, гравитационное поле которой может действовать подобно линзе, фокусирующей проходящие фотоны и направляющей их к Земле, как на рис. 7.3. Хотя никто на данный момент не проделал указанный эксперимент, в принципе, если собрать достаточно фотонов от квазара, они должны заполнить интерференционную картину на фотопластинке с длительным экспонированием, точно так же, как и в эксперименте с лабораторным светоделителем. Но если в конце одного или другого пути ввести дополнительный детектор фотонов, он обеспечит информацию о выборе пути фотоном, благодаря этому разрушая интерференционную картину.

Рис. 7.3. Свет от удалённого квазара, расщеплённый и сфокусированный промежуточной галактикой, в принципе, будет давать интерференционную картину. Если добавочный детектор, который позволяет определить путь для каждого фотона, включён, достигающие Земли фотоны больше не будут давать интерференционную картину

Что поражает в этой версии эксперимента, так это то, что с нашей точки зрения фотоны могли путешествовать многие миллиарды лет. Их решение двигаться вокруг галактики-линзы одним путём, как частица, или обоими путями сразу, как волна, кажется принятым задолго до того, как возник детектор, любой из нас или даже сама Земля. Однако миллиарды лет спустя детектор был построен, установлен на одном из путей фотонов, достигающих Земли, и включён. И эти недавние действия каким-то образом гарантируют, что рассматриваемые фотоны ведут себя как частицы. Это работает так, будто бы они путешествовали к Земле строго вдоль одного или другого пути. Но если через несколько минут мы выключим детектор, то фотоны, которые после этого достигают фотопластинки, начинают выстраивать интерференционную картину, свидетельствуя о том, что миллиарды лет назад они путешествовали в тандеме со своим призрачным партнёром одновременно по противоположным путям вокруг галактики.

Включение или выключение детектора в двадцать первом столетии влияет на движение фотонов несколько миллиардов лет назад? Нет, конечно. Квантовая механика не отрицает, что прошлое произошло и произошло окончательно. Недоразумение возникает потому, что концепция прошлого в соответствии с квантовой механикой отличается от концепции прошлого в соответствии с классической интуицией. Классическое воспитание долго заставляло нас говорить, что данный фотон поступил так или поступил эдак. Но в квантовом мире, нашем мире, это утверждение, применённое к реальным фотонам, оказывается слишком ограниченным. Как мы видели, в квантовой механике нормой является неопределённая, размытая, смешанная реальность, состоящая из многих нитей, которые кристаллизуются в более обычную, определённую реальность только после проведения подходящего наблюдения. Фотон не решал миллиарды лет назад, пойти ему по одному пути вокруг галактики, или по другому пути, или по обоим путям. Вместо этого на протяжении миллиардов лет он пребывал в том состоянии, которое является нормой в квантовом мире, — в смеси всех возможностей.

Акт наблюдения связывает эту необычную квантовую реальность с повседневным классическим опытом. Наблюдения, которые мы проводим сегодня, вынуждают одну из нитей квантовой истории выделиться в нашем изложении прошлого. В этом смысле, хотя квантовая эволюция от прошлого к настоящему не подвергается влиянию чего-либо, что мы делаем сегодня, история, которую мы называем прошлым, может нести на себе следы сегодняшних действий. Если мы устанавливаем детекторы фотонов вдоль двух путей, по которым свет следует к экрану, тогда наш рассказ о прошлом будет включать описание того, какой путь выбрал каждый фотон; устанавливая детекторы фотонов, мы обеспечиваем, что информация выбора пути является существенной и определённой частью нашей истории. Но если мы не устанавливаем детекторы фотонов, описание прошлого будет неизбежно другим. Без детекторов фотонов невозможно сказать что-либо о том, каким путём следует фотон; без детекторов фотонов подробности выбора пути фундаментально недоступны. Оба образа действий (с детектированием путей и без) допустимы. Оба интересны. Они просто описывают разные ситуации.

Наблюдение сегодня может, следовательно, помочь завершить историю, которую мы рассказываем о процессе, который начался вчера, позавчера или вообще миллиард лет назад. Сегодняшние наблюдения могут очертить детали, которые мы можем и должны включить в сегодняшнее ви́дение прошлого.

Стирая прошлое

Нужно отметить, что в этих экспериментах прошлое никоим образом не изменяется сегодняшними действиями и что никакая хитрая модификация экспериментов не достигнет этой цели. Тогда возникает вопрос: если вы не можете изменить нечто, что уже произошло, можете ли вы сделать кое-что другое, а именно, стереть влияние прошлого на настоящее? В той или иной степени временами такая фантазия может быть реализована. Игрок в бейсбол, который после двух аутов в конце девятого иннинга[134] упускает простой мяч, позволяя команде противника завершить розыгрыш очка в одну пробежку, может исправить влияние этой ошибки впечатляющим захватом трудного мяча, посланного следующим отбивающим игроком. И конечно, такой пример ни в малейшей степени не загадочен. Когда событие в прошлом выглядит определённо предотвращающим наступление другого события в будущем (как пропущенный летящий мяч определённо предотвращает безупречную игру), мы могли бы подумать, что здесь что-то не так, только в том случае, если бы нам потом сказали, что предотвращённое событие на самом деле произошло. Квантовый ластик, впервые предложенный в 1982 г. Марлен Скалли и Каем Дрюлем, намекает на этот вид странностей в квантовой механике.

Простейшая версия эксперимента с квантовым ластиком использует двухщелевую установку, модифицированную следующим образом. Прибор, фиксирующий прохождение фотона, располагается перед каждой щелью; он помечает каждый проходящий фотон так, что когда фотон исследуется позже, вы можете сказать, через какую щель он прошёл. Вопрос о том, как вы можете обеспечить маркировку фотона — как вы можете сделать эквивалент нанесения «Л» на фотон, который проходит через левую щель и «П» на фотон, который проходит через правую щель, — хороший вопрос, но детали не особенно важны. Грубо говоря, процесс осуществляется с использованием прибора, который позволяет фотону свободно пройти через щель, но заставляет его спин сориентироваться определённым образом. Если приборы у левой и правой щели ориентируют спины фотонов каждый своим способом, то более совершенный детекторный экран, который не только регистрирует точку в месте попадания фотона, но также и содержит запись об ориентации его спина, будет показывать, через какую щель пролетел данный фотон на своём пути к детектору.

Когда проводится такой двухщелевой эксперимент с маркировкой, фотоны не дают интерференционную картину, как это показано на рис. 7.4а. Теперь уже объяснение должно быть привычным: новый маркирующий прибор позволяет собрать информацию о выборе пути, а информация о выборе пути означает выбор той или иной истории; результаты показывают, что любой данный фотон проходит либо через левую щель, либо через правую щель. А без комбинации левощелевых и правощелевых траекторий нет перекрытия вероятностных волн, так что интерференционная картина не создаётся.

Теперь идея Скалли и Дрюля. Что если сразу после падения фотона на детекторный экран вы уничтожите возможность определения, через какую щель он прошёл, путём разрушения отметки, зафиксированной маркирующим прибором? Без возможности, даже в принципе, выделить информацию о выборе пути из детектируемого фотона, когда оба класса историй опять возвращаются в игру, заставляя снова появляться интерференционную картину. Да, этот вид «отмены» прошлого впечатляет куда больше, чем эффектный захват бейсболиста в конце девятого иннинга. Когда маркирующий прибор включён, фотон послушно ведёт себя как частица, проходя через левую щель или через правую щель. Если как-нибудь сразу перед его попаданием в экран мы разрушим метку выбора пути, отмечающую его движение, то кажется, слишком поздно позволять формироваться интерференционной картине. Для интерференции нам надо, чтобы фотон вёл себя как волна. Он должен проходить через обе щели, так чтобы он смог перемешиваться сам с собой на пути к экрану детектора. Но наша исходная маркировка фотона, кажется, должна гарантировать, что он ведёт себя как частица и проходит либо через левую, либо через правую щель, предотвращая появление интерференционной картины.

В эксперименте, проведённом Раймондом Чиао, Полом Квиатом и Эфраимом Штайнбергом, установка была такой, как схематично показано на рис. 7.4, с новым устройством для стирания, поставленным прямо перед экраном детектора. Опять детали не существенны, но коротко уточним, что ластик работает так, что независимо от того, прошёл ли фотон через левую или через правую щель, его спин указывает на одно и то же фиксированное направление. Последующая проверка его спина, следовательно, не даёт информации о том, через какую щель он прошёл, так что метка выбора пути стёрта. Замечательно, что фотоны, обнаруженные на экране после этого стирания, дают интерференционную картину. Когда ластик установлен прямо перед детекторным экраном, он отменяет — стирает — влияние маркировки фотонов, когда они проходили через щели. Как и в эксперименте с отложенным выбором, в принципе, такой вид стирания мог произойти через миллиарды лет после того влияния, которое он нарушил, фактически отменив прошлое, отменив даже древнее прошлое.

Рис. 7.4. В эксперименте с квантовым ластиком оборудование, располагаемое перед двумя щелями, маркирует фотоны, так что последующее измерение может выявить, через какую щель прошёл каждый фотон. (а) Показано, что эта информация о выборе пути портит интерференционную картину. (б) Сразу перед детекторным экраном ставится прибор, который стирает маркировку фотонов. Поскольку информация о выборе пути уничтожается, снова возникает интерфернционная картина

Как можно придать этому смысл? Будем помнить, что результаты полностью согласуются с теоретическими предсказаниями квантовой механики. Скалли и Дрюль предложили этот эксперимент, потому что квантово-механические вычисления убедили их, что это будет работать. Так и произошло. Как и обычно с квантовой механикой, головоломка не противопоставила теорию и эксперимент. Она противопоставила теорию, согласующуюся с экспериментом, нашим интуитивным представлениям о времени и реальности. Чтобы снять напряжение, отметим, что если бы вы поставили детекторы фотонов перед каждой щелью, то показания детекторов точно бы определили, прошёл ли фотон через левую щель или через правую щель, и тогда не будет способа стереть такую информацию — тогда не будет и способа снова получить интерференционную картину. Но маркирующие приборы тем и отличаются, что они обеспечивают только потенциальную возможность определения информации о выборе пути — а потенциальные возможности являются как раз такими вещами, которые могут быть разрушены. Маркирующий прибор модифицирует прохождение фотона таким образом, что, грубо говоря, он всё ещё идёт обоими путями, но левая часть его волны вероятности размыта относительно правой или правая часть его волны вероятности размыта относительно левой. Из-за этого упорядоченная последовательность пиков и впадин, которая обычно появляется от каждой щели, — как на рис. 4.2б — также размывается, так что интерференционная картина на детекторном экране не формируется. Хотя решающим для понимания является то, что обе волны, и левая, и правая, всё ещё существуют. Ластик работает, потому что он снова фокусирует волны. Подобно паре зеркал он компенсирует размытие, возвращая обе волны к резкому фокусу и позволяя им снова создать интерференционную картину. Как если бы после того, как маркирующие устройства выполнили свою задачу, интерференционная картина исчезла из вида, но терпеливо находилась бы в ожидании, пока кто-нибудь или что-нибудь не воскресило её.

Это объяснение могло бы сделать квантовый ластик немного менее удивительным, но тут имеется финал — ошеломляющий вариант эксперимента с квантовым ластиком, который ещё более сотрясает привычные представления о пространстве и времени.

Формируя прошлое[135]

Этот эксперимент, квантовый ластик с отложенным выбором, также был предложен Скалли и Дрюлем. Он начинается с эксперимента со светоделителем, показанным на рис. 7.1, изменённым путём введения двух так называемых даун-конверторов[136], по одному на каждый путь. Даун-конвертор — это прибор, который получает один фотон на входе и производит два фотона на выходе, каждый с половиной энергии («даун-преобразование») от исходного. Один из двух фотонов (так называемый сигнальный фотон) направляется вдоль пути, по которому к детекторному экрану следовал исходный фотон. Другой фотон, произведённый даун-конвертором (именуемый холостым фотоном), посылается в совершенно другом направлении, как показано на рис. 7.5а. В каждом эксперименте мы можем определить, какой путь к экрану выбрал сигнальный фотон, путём наблюдения, который из даун-конверторов испустил холостой фотон-партнёр. И снова возможность получить информацию о выборе пути сигнального фотона — даже хотя она является полностью косвенной, поскольку мы не взаимодействуем ни с одним сигнальным фотоном, — вызывает предотвращение возникновения интерференционной картины.

Рис. 7.5. (а) Эксперимент со светоделителем луча, дополненный даун-конверторами, не даёт интерференционной картины, поскольку холостые фотоны сообщают информацию выбора пути. (б) Если холостые фотоны не детектируются непосредственно, а вместо этого посылаются через изображённый лабиринт, тогда из результатов эксперимента может быть выделена интерференционная картина. Холостые фотоны, которые регистрируются детекторами 2 или 3, не дают информации о выборе пути и, следовательно, их сигнальные фотоны дают интерференционную картину

Приступим к самой таинственной части. Что если мы преобразуем эксперимент так, чтобы стало невозможно определить, из какого даун-конвертора был испущен холостой фотон? Что если мы сотрём информацию о выборе пути, заключённую в холостом фотоне? Произойдёт нечто поразительное: хотя мы ничего не делаем непосредственно с сигнальным фотоном, путём уничтожения информации о выборе пути, переносимой его холостым партнёром, мы можем восстановить интерференционную картину из сигнальных фотонов. Позвольте мне показать вам, как это происходит, поскольку это действительно примечательно.

Взгляните на рис. 7.5б, в который включены все существенные идеи. Но не пугайтесь. Он проще, чем кажется, и теперь мы разберём его поэтапно. Установка, изображённая на рис. 7.5б, отличается от установки на рис. 7.5а принципом детектирования холостых фотонов после их испускания. На рис. 7.5а мы детектировали их непосредственно и могли немедленно определить, из какого даун-конвертора вылетел каждый, и значит определить, какой путь выбрал сигнальный фотон. В новом эксперименте каждый холостой фотон посылается через лабиринт, который делает невозможным такое определение. Представим, что холостой фотон выпущен из даун-конвертора, отмеченного «L». Вместо того чтобы немедленно попасть в детектор (как на рис. 7.5а), этот фотон попадает на светоделитель (отмеченный «a»), так что имеется одинаковая вероятность пойти по пути A или B. Если он пойдёт вдоль пути A, он попадёт в детектор фотонов (отмеченный «1»), и его прибытие будет зарегистрировано. Но если холостой фотон пойдёт вдоль пути B, то будет подвержен следующим манипуляциям. Он будет направлен на другой светоделитель (отмеченный «c»), так что будет иметь 50%-ю вероятность быть направленным вдоль пути E к детектору, отмеченному «2», и 50%-ю вероятность пойти вдоль пути F к детектору, отмеченному «3». Теперь — следите за мной, так как здесь вся суть, — те же самые рассуждения, применённые к холостому фотону, эмитированному из другого даун-конвертора, отмеченного «R», говорят, что если вспомогательный фотон пойдёт по пути D, он будет записан детектором «4», но если он пойдёт по пути C, то будет обнаружен или детектором «3», или детектором «2», в зависимости от пути, по которому он следовал после прохождения через светоделитель «c».

Разберёмся, для чего нужны все эти усложнения. Заметьте, что если холостой фотон обнаружен детектором 1, мы знаем, что соответствующий сигнальный фотон выбрал левый путь[137], поскольку для холостого фотона, который был эмитирован из даун-конвертора R, нет способа найти путь к этому детектору. Аналогично, если холостой фотон обнаружен детектором 4, мы знаем, что его сигнальный фотон-партнёр выбрал правый путь. Но если холостой фотон попал в детектор 2, мы не можем определить, какой путь выбрал его сигнальный фотон-партнёр, поскольку имеются равные шансы, что он эмитирован даун-конвертором L и следует пути B–E или что он эмитирован даун-конвертором R и следует пути C–E. Аналогично, если вспомогательный фотон обнаружен детектором 3, он может быть эмитирован даун-конвертором L и путешествовать по пути B–F или даун-конвертором R и путешествовать по пути C–F.

Итак, для сигнальных фотонов, холостые партнёры которых обнаружены детектором 1 или 4, мы имеем информацию о выбранном пути, но для сигнальных фотонов, холостые партнёры которых обнаружены детектором 2 или 3, информация о выборе пути стёрта.

Означает ли это стирание части информации о выборе пути — хотя мы ничего не делаем с сигнальными фотонами непосредственно — что интерференционные эффекты восстанавливаются? Это действительно так, но только для тех сигнальных фотонов, чьи холостые партнёры попали в детектор 2 или детектор 3. Именно, места попадания всех сигнальных фотонов на экран будут давать картинку, похожую на данные для рис. 7.5а, не показывающего даже самого слабого намёка на интерференционную картину, что характерно для фотонов, которые идут либо одним, либо другим путём. Но если мы рассмотрим лишь подмножество результирующих точек — например, от тех сигнальных фотонов, для которых холостые фотоны попали в детектор 2, — то это подмножество точек будет давать интерференционную картину! Эти сигнальные фотоны — холостые партнёры которых, по случайности, не дали информации о выборе пути — ведут себя, как будто они путешествовали обоими путями! Если мы настроим оборудование так, что экран будет показывать красную точку для положения каждого сигнального фотона, холостой фотон которого был обнаружен детектором 2, и зелёную точку для всех остальных, то те, у кого нарушено восприятие цвета, не будут видеть интерференционную картину, но все остальные будут видеть, что красные точки упорядочены в яркие и тёмные полосы — в интерференционную картину. То же самое останется верно и для детектора 3 вместо детектора 2. Но такой интерференционной картины не будет, если мы выделим сигнальные фотоны, холостые фотоны которых обнаружены детектором 1 или детектором 4, поскольку эти холостые фотоны дают информацию о выбранном пути своих сигнальных партнёров.