Помоги проекту - поделись книгой:
В 1939 году Бор предпринял судьбоносную поездку в Соединенные Штаты, приземлившись в Нью-Йорке для встречи со своим учеником Джоном Уилером. Бор вез зловещие новости: Отто Хан и Лиза Мейтнер доказали, что атом урана можно разбить надвое; в этом процессе, называемом расщеплением атома, освобождалась энергия. Бор и Уилер начали разрабатывать квантовую динамику ядерного деления. Поскольку все в квантовой теории основано на вероятности и случайности, они вычислили вероятность того, что нейтрон расщепит ядро урана, освободив тем самым два или более нейтронов, которые, в свою очередь, расщепят еще большее количество ядер атомов урана, в результате чего освободится еще больше нейтронов и так далее, что запустит цепную реакцию, способную разрушить целый город. (В квантовой механике никогда не знаешь, расщепит ли отдельный конкретный нейтрон атом урана, но можно с невероятной точностью вычислить вероятность того, что миллиарды атомов урана расщепятся в бомбе. В этом и состоит сила квантовой механики.)
Их квантовые расчеты показали, что существование атомной бомбы вполне возможно. Два месяца спустя Бор, Юджин Вигнер, Лео Силард и Уилер встретились в старом кабинете Эйнштейна в Принстоне, чтобы обсудить перспективы создания атомной бомбы. Бор считал, что для создания бомбы понадобятся ресурсы всей нации. (Через несколько лет Силард убедит Эйнштейна написать судьбоносное письмо президенту Франклину Рузвельту, где настоятельно рекомендовалось сконструировать атомную бомбу.)
В том же году нацисты, узнав о том, что огромное количество энергии, испускаемое атомом урана, может дать им непобедимое оружие, велели ученику Бора Гейзенбергу создать атомную бомбу для Гитлера. Неожиданно все разговоры о квантовых вероятностях распада стали в высшей степени серьезными: на карту была поставлена судьба всего человечества. На смену спорам о вероятности обнаружения живых котов пришли споры о вероятности расщепления урана.
В 1941 году, когда нацисты держали под контролем большую часть Европы, Гейзенберг тайно навестил своего старого преподавателя Бора в Копенгагене. До сих пор завеса тайны покрывает то, в каком ключе проходила их беседа; об этом написаны отмеченные наградами пьесы, а историки до сих пор спорят о содержании встречи. Предлагал ли Гейзенберг саботировать создание германской атомной бомбы? Или, наоборот, пытался завербовать Бора для работы по созданию атомной бомбы для нацистов? В 2002 году, шесть десятилетий спустя, завеса тайны над намерениями Гейзенберга была частично приподнята, когда родные Бора опубликовали его письмо, написанное Гейзенбергу в 1950-е годы, но так и не отправленное. В письме Бор вспоминал, что на той встрече Гейзенберг назвал победу нацистов неизбежной. Поскольку остановить махину нацизма нельзя, то было бы логично, если бы Бор работал на нацистов{105}.
Бор был потрясен и шокирован до глубины души. Дрожа от негодования, он отказался отдать свою работу над квантовой теорией в руки нацистов. Поскольку Дания находилась под контролем нацистов, Бор спланировал тайный побег на самолете, во время которого он чуть не задохнулся из-за нехватки кислорода.
А тем временем в Колумбийском университете Энрико Ферми доказал, что ядерная цепная реакция осуществима. Придя к этому выводу, он окинул взглядом Нью-Йорк и осознал, что одна-единственная бомба может полностью уничтожить знаменитый город. Когда Уилер увидел, как высоко поднялись ставки, он добровольно оставил Принстон и присоединился к Ферми в лаборатории под университетским стадионом Стэгт-Филд в Чикаго, где они вместе создали первый ядерный реактор, тем самым ознаменовав официальное начало ядерной эпохи.
На протяжении последовавших десяти лет Уилеру выпало стать свидетелем самых важных событий в ходе атомного противостояния. Во время войны он помогал контролировать строительство исполинского ядерного центра в Хэнфорде (штат Вашингтон), где вырабатывался сырой плутоний, необходимый для создания бомб, которые затем уничтожили Нагасаки. Еще через несколько лет он работал над созданием водородной бомбы и в 1952 году стал свидетелем первого ее взрыва, а также разрушений, вызванных сбросом кусочка Солнца на небольшой островок в Тихом океане. Однако, продержавшись более десяти лет на переднем крае истории, в конце концов Уилер все же вернулся к своей первой любви – загадкам квантовой теории.
Суммирование по траекториям
Одним из многих учеников Уилера в послевоенные годы был Ричард Фейнман, который нашел, возможно, простейший и в то же время самый глубокий способ суммировать сложности квантовой теории. (Одним из следствий стало присуждение Фейнману Нобелевской премии в 1965 году.) Представим, что вы хотите пройти через комнату. По Ньютону, вы просто-напросто выберете кратчайший путь от точки А к точке Б, называемый классическим. Но по Фейнману прежде всего вы должны учесть все возможные пути, соединяющие точки А и Б. Это означает, что вы должны принять во внимание пути, которые приведут вас на Марс, Юпитер, к ближайшей звезде, даже те пути, которые ведут назад во времени, к моменту Большого взрыва. Не имеет значения, насколько сумасшедшими и причудливыми будут эти пути, – вы все равно должны их учитывать. Затем Фейнман приписал каждому пути определенную величину, а также привел свод точных правил, руководствуясь которыми можно было бы эту величину определить. Самым чудесным образом, сложив эти величины всех возможных путей, вы находите вероятность перехода из точки А в точку Б, которая дается обычной квантовой механикой. Это было поистине замечательно. (В принципе Фейнман мог вывести волновое уравнение Шрёдингера, используя этот подход.)
Фейнман обнаружил, что сумма этих величин, приписываемых причудливым и противоречащим законам Ньютона путям, обычно уравновешивалась и давала небольшое число. Такова была природа квантовых флуктуаций – они представляли пути, сумма которых очень мала. Но Фейнман также обнаружил, что избранный на основе здравого смысла ньютоновский путь не уравновешивался, а обладал максимальной итоговой величиной – это был путь с наибольшей вероятностью. Таким образом, наше представление о физической вселенной, основанное на здравом смысле, является просто-напросто наиболее вероятным состоянием из бесконечного количества возможных. Но мы сосуществуем со всеми возможными состояниями, в том числе и с теми, что перенесли бы нас в эпоху динозавров, к ближайшей сверхновой или на окраину Вселенной. (Эти причудливые пути создают мельчайшие отклонения от ньютоновского пути, избранного на основе здравого смысла, но, к счастью, обладают очень малой вероятностью.)
Иными словами, как бы странно это ни выглядело, каждый раз, как вы идете через комнату, ваше тело заблаговременно «просчитывает» все возможные пути, даже те, что ведут к далеким квазарам и Большому взрыву, а затем все их складывает. Используя мощный математический аппарат, называемый функциональным интегрированием, Фейнман показал, что ньютоновский путь – всего лишь наиболее вероятный, но не единственный. Совершив блестящий математический подвиг, Фейнман смог доказать, что эта картина, какой бы ошеломляющей она ни казалась, полностью эквивалентна обычной квантовой механике.
Сила фейнмановского суммирования по траекториям состоит в том, что сегодня, когда мы формулируем теории великого объединения, инфляции и даже струн, мы пользуемся подходом Фейнмана, основанным на интегралах по траекториям. Этот метод преподают сейчас во всех университетах мира, и на сегодняшний день он является самым эффективным и удобным способом формулировки квантовой теории.
(Я сам каждый день в своих исследованиях пользуюсь подходом Фейнмана, основанным на обобщении интегралов по траекториям. Каждое уравнение, которое я пишу, выводится на основе суммирования по траекториям. Когда в бытность студентом я впервые узнал о подходе Фейнмана, он изменил мое ментальное представление о Вселенной. Умом я понимал абстрактную математику квантовой теории и общей теории относительности, но изменила мое мировоззрение именно та идея, что, просто проходя по комнате, я каким-то образом исследую пути, которые могут привести меня на Марс или к далеким звездам. Внезапно у меня появилась странная новая мысленная картина – самого себя, живущего в квантовом мире. Я начал понимать, что квантовая теория намного более заумна, чем сложнейшие следствия теории относительности.)
Когда Фейнман разработал эту причудливую формулировку, Уилер, который тогда был в Принстонском университете, бросился в Институт перспективных исследований к Эйнштейну, чтобы попытаться убедить его в элегантности и мощи этой новой картинки. Уилер взволнованно объяснил Эйнштейну новую теорию Фейнмана об обобщении интегралов по траекториям. Он не осознавал полностью, насколько дико эти слова звучали для Эйнштейна. Впоследствии Эйнштейн качал головой и повторял, что он все же не верит в то, что Бог играет в кости с миром. Эйнштейн признался Уилеру, что мог и ошибаться, но настаивал на том, что он вполне заработал себе право на ошибку.
Друг Вигнера
Большинство физиков пожимают плечами и разводят руками, сталкиваясь с заумными парадоксами квантовой механики. Для большинства практикующих ученых квантовая механика – это набор рецептов из «кулинарной книги», результатом применения которых являются правильные вероятности, определяемые со сверхъестественной точностью. Джон Полкинхорн, физик, ставший священником, сказал: «Средний квантовый механик философичен не в большей мере, чем обычный механик»{106}.
Однако некоторые из глубочайших физиков-мыслителей работали над этими вопросами. Например, существует несколько способов разрешения шрёдингеровской проблемы кота. Первый был предложен Нобелевским лауреатом Юджином Вигнером и др.:
Но в момент наблюдения что должно определить, в каком состоянии нахожусь я? Это означает, что кто-то еще должен наблюдать за мной, заставляя мою волновую функцию коллапсировать. Иногда этого «кого-то» называют «другом Вигнера». Но это также означает, что кто-то должен наблюдать и за другом Вигнера, и за другом друга Вигнера, и так далее. Существует ли космический разум, определяющий, наблюдая за всей Вселенной, полную последовательность «друзей»?
Андрей Линде, один из создателей инфляционной теории, – представитель как раз тех физиков, которые упорно верят в центральную роль сознания:
Я как человеческое существо не вижу ни единого довода, на основании которого мог бы заявить, что Вселенная находится здесь в отсутствие наблюдателей. Мы вместе – мы и Вселенная. Когда говорят, что Вселенная существует без всяких наблюдателей, я не вижу в этом никакого смысла. Я не могу представить связную теорию всего, в которой игнорируется сознание. Записывающее устройство не может играть роль наблюдателя, поскольку кто прочтет то, что записано на этом устройстве? Чтобы мы увидели, что что-либо происходит, и сказали друг другу, что что-либо происходит, нужна Вселенная, нужно записывающее устройство, нужны мы… В отсутствие наблюдателей Вселенная мертва…{109}
Согласно философии Линде, окаменелости динозавров не существуют до тех пор, пока на них не взглянешь. Но если на них взглянуть, то они «впрыгивают» в существование, будто они существовали миллионы лет назад. (Физики, придерживающиеся этой точки зрения, достаточно внимательны, чтобы указывать на то, что эта картина экспериментально соответствует тому миру, в котором окаменелостям динозавров и вправду миллионы лет.)
(Некоторые люди, не одобряющие введение фактора сознания в физику, заявляют, что камера может совершать наблюдение электрона, а потому волновые функции могут коллапсировать и без участия сознательных существ. Но тогда кто скажет, что камера существует? Нужна еще одна камера, чтобы «наблюдать» за первой камерой и заставить коллапсировать ее волновую функцию. Затем необходима вторая камера, чтобы наблюдать за первой, третья, чтобы наблюдать за второй, и так до бесконечности. Такое введение камер не отвечает на вопрос о том, каким образом коллапсирует волновая функция.)
Декогеренция
Способом практического разрешения этих тернистых философских вопросов, завоевывающим все большую популярность среди физиков, является декогеренция. Впервые это понятие было сформулировано немецким физиком Дитером Це в 1970 году. Он заметил, что в реальном мире нельзя отделить кота (все того же) от окружающей среды. Кот находится в постоянном контакте с воздухом, коробкой и даже космическими лучами, которые присутствуют при эксперименте. Вне зависимости от того, насколько малы эти взаимодействия, они оказывают радикальное влияние на волновую функцию: если волновая функция нарушена хотя бы в незначительной степени, то она распадается на две волновые функции – мертвого кота и живого кота, – которые более не взаимодействуют. Це показал, что столкновения с одной-единственной молекулой воздуха достаточно, чтобы волновая функция коллапсировала, вызвав немедленное разделение волновых функций живого кота и мертвого, которые больше не взаимодействуют друг с другом. Иными словами, еще до того, как вы откроете коробку, кот уже вступил в контакт с молекулами воздуха и отсюда уже жив или мертв.
Це принадлежит ключевое наблюдение, он заметил то, что было упущено: чтобы кот был одновременно и мертв, и жив, его волновая функция должна вибрировать с практически полной синхронизацией, это состояние называется когеренцией. Но экспериментально это практически невозможно. Создать когерентные объекты, вибрирующие в унисон, в лабораторных условиях чрезвычайно сложно. (В действительности сложно получить больше горсточки когерентно вибрирующих атомов из-за взаимодействия с внешним миром.) В реальном мире объекты взаимодействуют с окружающей средой, и малейшее взаимодействие с внешним миром может нарушить две образовавшиеся волновые функции, и они начнут «декогерировать», то есть рассинхронизируются и разделятся. Це показал, что, как только две волновые функции перестают вибрировать в фазе друг с другом, они более не взаимодействуют между собой.
Множественность миров
Поначалу понятие декогеренции кажется весьма удовлетворительным: теперь волновая функция коллапсирует не через сознание, а через беспорядочное взаимодействие с внешним миром. Но это не решает фундаментального вопроса, беспокоившего еще Эйнштейна: как природа «выбирает», в какое состояние коллапсировать? Когда молекула воздуха ударяет кота, кто или что определяет финальное состояние кота? По этому вопросу теория декогеренции просто утверждает, что две волновые функции разделяются и более не взаимодействуют между собой, но она не отвечает на первоначальный вопрос: мертв кот или жив? Иными словами, декогеренция делает присутствие сознания ненужным в квантовой механике, но она не решает вопрос, беспокоивший Эйнштейна: каким образом природа «выбирает» финальное состояние кота? В ответ на этот вопрос теория декогеренции просто хранит молчание.
Однако существует естественное расширение декогеренции, которое разрешает данный вопрос; сегодня оно приобретает все более широкое признание среди физиков. Этот подход был предложен еще одним учеником Уилера, Хью Эвереттом III, который оговорил возможность того, что кот может быть одновременно и жив, и мертв в двух различных вселенных. Когда в 1957 году Эверетт закончил свою диссертацию, ее едва заметили. Однако со временем интерес к теории множественности миров начал расти. Сегодня эта теория вызвала прилив обновленного интереса к парадоксам квантовой теории.
Согласно этой совершенно новой интерпретации, кот одновременно и жив, и мертв по той причине, что вселенная распалась на две. В одной вселенной кот мертв; в другой он жив. В сущности, в каждый момент времени вселенная расщепляется надвое, становясь звеном в бесконечной череде расщепляющихся вселенных. Согласно этому сценарию, все вселенные возможны, каждая из них так же реальна, как и любая другая. Люди, живущие в каждой вселенной, могут яростно утверждать, что именно их вселенная реальна, а все остальные лишь воображаемые или ненастоящие. Эти параллельные вселенные – не эфемерно существующие призрачные миры; в каждой вселенной мы видим столь же реальные и объективные твердые предметы и столь же реальные и объективные конкретные события, как и в любой другой.
Преимуществом этой интерпретации является тот факт, что мы можем опустить условие номер три – коллапс волновой функции. Волновые функции никогда не коллапсируют, они продолжают развиваться, вечно распадаясь на новые и новые волновые функции в бесконечном древе распада, каждая ветвь которого представляет целую вселенную. Большим преимуществом теории множественности миров является то, что она проще, чем копенгагенская интерпретация: здесь не нужен коллапс волновой функции. Но цена, которую мы платим за это, – та, что теперь у нас есть вселенные, все время распадающиеся на миллионы ветвей. (Некоторым сложно понять, каким образом вести учет этих множащихся вселенных. Однако волновое уравнение Шрёдингера решает это автоматически. Отслеживая развитие волнового уравнения, мы сразу находим все многочисленные ветви волны.)
Если эта интерпретация верна, то в этот самый момент ваше тело сосуществует с волновыми функциями динозавров, сцепившихся в смертельной схватке. Вместе с вами в комнате сосуществует волновая функция того мира, в котором немцы выиграли Вторую мировую войну, в котором бродят инопланетные пришельцы, в котором вы никогда так и не родились. Среди вселенных, существующих в вашей гостиной, находятся миры и «Человека в высоком замке», и «Сумеречной зоны». Загвоздка в том, что мы не можем с ними взаимодействовать, поскольку они от нас декогерировали.
Как сказал Алан Гут, «существует вселенная, где Элвис все еще жив»{110}. Физик Фрэнк Вильчек написал: «Нас преследует сознание того, что бесконечное количество чуть-чуть отличающихся от нас копий нас самих живет своими параллельными жизнями, а также то, что в каждый момент еще больше двойников начинают свое существование, занимая место в одном из наших возможных вариантов будущего»{111}. Он замечает, что история греческой цивилизации, а отсюда и всего западного мира, могла быть иной, если бы Елена Троянская была не такой пленительной красавицей, а имела уродливую бородавку на носу. «Что же, бородавки могут возникнуть как результат мутаций в отдельных клетках, часто вызванных пребыванием под лучами солнца, несущими ультрафиолет». Он продолжает: «Вывод: существует много, много миров, в которых у Елены Троянской была бородавка на кончике носа».
Мне вспоминается отрывок из классического научно-фантастического произведения Олафа Стэплдона «Создатель звезд» (Star Maker): «Каждый раз, когда существо встречалось с несколькими возможными путями действия, оно избирало их все, таким образом создавая много… самостоятельных историй космоса. Ибо в каждом процессе эволюционного развития в космическом пространстве существовало много созданий, и каждое из них постоянно сталкивалось с выбором из многих возможных путей, и комбинации всех этих путей были бесчисленны, представляя собой бесконечность отдельных вселенных, отслаивающихся в каждый момент каждого отрезка времени»{112}.
Голова идет кругом, когда мы понимаем, что, согласно этой интерпретации квантовой механики, все возможные миры сосуществуют вместе с нами. Хотя для того, чтобы достичь иных миров, может понадобиться портал-червоточина, эти квантовые реальности существуют в той самой комнате, где мы живем. Они сосуществуют с нами, куда бы мы ни пошли. Ключевой вопрос вот в чем: если это правда, то почему мы не видим эти иные вселенные, наполняющие нашу гостиную? А вот здесь вступает в дело декогеренция: наша волновая функция декогерировала с этими иными мирами (то есть эти волны больше не находятся в фазе друг с другом). У нас больше нет контакта с ними. Это означает, что даже малейшее взаимодействие с окружающей средой исключит взаимодействие различных волновых функций друг с другом. (В главе 11 я привожу возможное исключение из этого правила, с помощью которого разумным существам может удаться путешествие между квантовыми реальностями.)
Не кажется ли это слишком странным, чтобы быть возможным? Нобелевский лауреат Стивен Вайнберг проводит параллель между теорией множественности миров и радио. Вокруг вас сотни различных радиоволн, передаваемых далекими станциями. В любой заданный момент ваш офис, машина или гостиная заполняется этими радиоволнами. Однако если вы включите приемник, то сможете слушать радиоволны только на одной частоте в данный момент; остальные частоты декогерировали и больше не находятся в фазе друг с другом. Все станции обладают различной энергией, различной частотой. В результате ваш приемник в каждый конкретный момент времени может принимать вещание только на одной частоте.
Подобным образом в нашей Вселенной и мы «настроены» на частоту, которая соответствует физической реальности. Но есть бесконечное количество параллельных реальностей, сосуществующих в одной комнате вместе с нами, хотя мы не можем «настроиться на них». Эти миры очень похожи друг на друга, но в каждом из них атомы обладают различной энергией. А поскольку каждый мир состоит из триллионов и триллионов атомов, это означает, что различие в энергии может быть довольно велико. Поскольку частота этих волн пропорциональна их энергии (по закону Планка), то это означает, что волны каждого мира вибрируют с различной частотой и больше не могут взаимодействовать. Фактически волны этих различных миров не взаимодействуют друг с другом и не влияют друг на друга.
Что удивительно, принимая эту странную точку зрения, ученые могут прийти к тем же результатам, что и с помощью копенгагенского подхода, без всякой нужды в коллапсе волновой функции. Иными словами, эксперименты, проведенные как в соответствии с копенгагенской интерпретацией, так и в соответствии с интерпретацией теории множественности миров, принесут в точности совпадающие результаты. Коллапс волновой функции Бора в математическом отношении эквивалентен действию окружающей среды. Иными словами, кот Шрёдингера может быть мертв или жив одновременно, если мы каким-либо образом изолируем кота от возможного воздействия каждого атома или космического луча. Конечно, на практике это неосуществимо. Как только кот вступит в контакт с космическим лучом, волновая функция живого кота и волновая функция мертвого кота декогерируются и будет казаться, что волновая функция коллапсировала.
Вещество из информации
В обстановке возродившегося интереса к проблеме измерения в квантовой теории Уилер стал большим авторитетом в области квантовой физики. Он стал появляться на многочисленных конференциях, организованных в его честь. Сторонники движения нью-эйдж, которых вдохновляла идея фактора сознания в физике, даже провозгласили Уилера своим гуру. (Однако он не всегда был рад таким ассоциациям. Однажды Уилер сильно расстроился, обнаружив, что находится в списке приглашенных вместе с тремя парапсихологами. Он не замедлил высказать свое мнение по этому поводу, и в его речи прозвучала фраза «Нет дыма без дыма»{113}.)
После 70 лет массовых размышлений над парадоксами квантовой теории Уилер первым признал, что он не знает ответов на все вопросы. Он продолжает подвергать сомнению собственные предположения. Когда его спросили о проблеме измерения в квантовой механике, он ответил: «Меня просто сводит с ума этот вопрос. Я признаю, что иногда я на сто процентов серьезно воспринимаю идею о том, что мир – это плод воображения, но в другие моменты мне кажется, что мир существует вне зависимости от нас. Однако я от всей души готов подписаться под словами Лейбница: "Этот мир может быть иллюзией, а существование – не более чем сном, но этот сон или иллюзия для меня достаточно реальны при условии, что мы не будем введены ими в заблуждение, правильно используя разум"»{114}.
Сегодня теория множественности миров, или теория декогеренции, завоевывает все большую популярность среди физиков. Но Уилер обеспокоен тем, что для нее требуется «слишком много лишнего багажа». Он играет с еще одним объяснением проблемы кота Шрёдингера. Он называет свою теорию «Вещество из информации». Это нетрадиционная теория, которая основывается на предположении о том, что информация находится у истоков всего бытия. Когда мы смотрим на луну, галактику или атом, их сущностью, согласно Уилеру, является заключенная в них информация. Но эта информация начала свое существование, когда Вселенная обратила свой взор на саму себя. Уилер рисует круговую диаграмму, иллюстрирующую теорию Вселенной. Существование Вселенной началось в тот момент, когда она стала объектом наблюдения. Это означает, что оно (вещество Вселенной) возникло в тот момент, когда информация (бит) Вселенной была замечена. Он называет эту теорию моделью Вселенной, основанной на взаимном участии. Идея заключается в том, что Вселенная приспосабливается к нам таким же образом, как и мы приспосабливаемся к ней; в том, что само наше присутствие обусловливает возможность существования Вселенной. (Пока не достигнут консенсус по поводу проблемы измерения в квантовой механике, в отношении теории «Вещество из информации» большинство физиков занимает позицию «поживем – увидим».)
Квантовые компьютеры и телепортация
Такие философские дискуссии могут показаться безнадежной софистикой, без малейшей возможности практического применения в нашем мире. Только вместо того, чтобы спорить о том, сколько ангелов может танцевать на кончике иглы, квантовые физики, кажется, обсуждают то, в скольких местах одновременно может находиться электрон.
Однако это не праздные измышления ученых в башне из слоновой кости. Когда-нибудь эти идеи могут найти самое что ни на есть практическое применение – стать двигателем мировой экономики. Когда-нибудь богатство всех наций может оказаться зависимым от тонкостей проблемы кота Шрёдингера. К тому времени, возможно, наши компьютеры уже будут производить расчеты в параллельных вселенных. Сегодня почти вся компьютерная инфраструктура базируется на силиконовых транзисторах. Закон Мура, который гласит, что компьютерная мощность удваивается каждые полтора года, на данный момент верен потому, что мы можем всаживать в кремниевые чипы все меньшие и меньшие транзисторы при помощи ультрафиолетовых лучей. Хотя закон Мура продолжает потрясать технологический пейзаж, его действие не может длиться вечно. В самом современном чипе используется слой в 20 атомов. В течение 15–20 лет ученые смогут задействовать слои, возможно, в 5 атомов. На таких неимоверно малых расстояниях нам придется уйти от ньютоновской и руководствоваться принципами квантовой механики, где вступает в силу принцип неопределенности Гейзенберга. В результате мы больше не будем знать, где находится электрон. Это означает, что будут происходить короткие замыкания в тот момент, когда электроны будут выскакивать из диэлектриков и полупроводников, вместо того чтобы оставаться внутри них.
Когда-нибудь возможности электроники, основанной на кремнии, исчерпаются. И это возвестит приход квантовой эры. Кремневая долина может прийти в упадок. Когда-нибудь нам, возможно, придется считать на самих атомах, что приведет к полному изменению архитектуры компьютера. Сегодня компьютеры основаны на двоичной системе исчисления – любое число представляется нулями и единицами. У атомов же спин может быть направлен вверх, вниз или в стороны одновременно. На смену компьютерным битам (нулям и единицам) могут прийти кубиты (любое число между единицей и нулем), что сделает вычисления с помощью квантовых компьютеров намного более продуктивными, чем при помощи обычных компьютеров.
Для примера: квантовый компьютер мог бы потрясти самое основание международной безопасности. Сегодня большие банки, транснациональные корпорации и индустриальные страны кодируют свои секретные данные при помощи сложных компьютерных алгоритмов. Многие секретные коды построены на разложении на множители огромных чисел. Современному компьютеру понадобились бы века для того, чтобы разложить на множители, скажем, стозначное число. Но для квантового компьютера такие вычисления не представляют никакой сложности, а потому при помощи квантового компьютера можно с легкостью взломать любые секретные коды.
Чтобы представить, каким образом функционирует квантовый компьютер, давайте скажем, что мы выстроим в ряд несколько атомов, спины которых однонаправлены в магнитном поле. Затем мы просвечиваем их лазером таким образом, что многие из спинов перевернутся в момент, когда лазерный луч отразится от атомов. Измерив отраженный свет лазера, мы записываем сложную математическую операцию – рассеивание света атомами. Если мы рассчитаем этот процесс, используя квантовую теорию, вслед за Фейнманом мы должны сложить все возможные положения атомов, вращающихся во всех возможных направлениях. Даже простой квантовый подсчет, для которого потребовались бы доли секунды, на обычном компьютере выполнить практически невозможно вне зависимости от того, сколько времени для этого будет отведено.
В принципе, как подчеркнул Дэвид Дойч из Оксфорда, это означает, что, когда мы начнем пользоваться квантовыми компьютерами, нам придется складывать все возможные параллельные вселенные. Хотя мы не можем вступить в прямой контакт с этими другими вселенными, атомный компьютер мог бы их вычислить при помощи положений спинов в параллельных вселенных. (Хотя мы некогерентны с другими вселенными в нашей гостиной, атомы квантового компьютера по своей конструкции когерентно вибрируют в унисон.)
Потенциал квантовых компьютеров поистине ошеломляет, да и на практике масштабы возникающих проблем столь же велики. В настоящий момент мировой рекорд по числу атомов, использующихся в квантовом компьютере, равен семи. В лучшем случае на этом квантовом компьютере мы можем умножить три на пять и получить пятнадцать, что вряд ли произведет большое впечатление. Чтобы квантовый компьютер стал сравним по мощности со стандартным современным лэптопом, необходимы сотни, а возможно, и миллионы атомов, вибрирующих когерентно. Поскольку столкновение даже с одной-единственной молекулой воздуха может стать причиной того, что атомы компьютера декогерируют, необходимы чрезвычайно стерильные условия для изоляции атомов от воздействия окружающей среды. (Чтобы сконструировать квантовый компьютер, по скорости превосходящий современные компьютеры, понадобятся тысячи, а то и миллионы атомов, а потому от реальных квантовых компьютеров нас отделяют по меньшей мере десятилетия.)
Квантовая телепортация
В конечном итоге может быть найдено практическое применение, на первый взгляд, бессмысленному обсуждению физиками параллельных квантовых вселенных: квантовая телепортация. «Транспортер», использовавшийся для перевозки людей и оборудования в «Звездном пути» (Star Trek) и научно-фантастических программах, кажется чудесным средством, позволяющим преодолеть огромные расстояния. Но как ни маняще звучит идея телепортации, физиков она приводит в замешательство, поскольку, кажется, противоречит принципу неопределенности. Проводя измерение атома, вы нарушаете его состояние, а потому точная копия создана быть не может.
Но ученые обнаружили брешь в этом аргументе в 1993 году с помощью так называемой квантовой запутанности. Она основана на старом эксперименте, предложенном в 1935 году Эйнштейном и его коллегами Борисом Подольским и Натаном Розеном (так называемый парадокс Эйнштейна – Подольского – Розена, или ЭПР-парадокс) для того, чтобы продемонстрировать, насколько в действительности безумна квантовая теория. Допустим, произошел взрыв и два электрона разлетаются в противоположных направлениях с околосветовой скоростью. Поскольку электрон может крутиться как волчок, допустим, что их спины связаны, то есть если ось спина одного электрона направлена вверх, то ось спина второго направлена вниз (таким образом, что общий спин равен нулю). Однако до измерения мы не знаем, в каком направлении вертится каждый электрон.
Теперь подождем несколько лет. К этому времени два электрона будут находиться на расстоянии многих световых лет друг от друга. Если теперь мы измерим спин одного электрона и обнаружим, что его ось направлена вверх, мы тут же поймем, что ось спина второго направлена вниз (и наоборот). В сущности, тот факт, что один электрон вращается вверх, заставляет второй электрон вращаться вниз. Это означает, что теперь мы узнаем нечто об электроне, находящемся на расстоянии многих световых лет, мгновенно. (Полное впечатление, что информация путешествовала со скоростью, превышающей скорость света, а это явное нарушение специальной теории относительности Эйнштейна.) При помощи тщательно построенного доказательства Эйнштейну удалось показать, что, совершая последовательные измерения одной пары электронов, можно нарушить принцип неопределенности. Что более важно, он показал: квантовая механика еще более причудлива, чем кто-либо мог себе представить.
Вплоть до того самого момента физики считали, что Вселенная была локальной, что возмущения в одной ее части распространялись от источника лишь на небольшое расстояние. Эйнштейн показал, что квантовая механика по своей сути нелокальна – возмущения из одного источника могут мгновенно влиять на далекие уголки Вселенной. Эйнштейн назвал это «призрачным действием на расстоянии», которое посчитал абсурдным. Таким образом, Эйнштейн уверял, что квантовая теория неверна.
(Критики квантовой механики считали, что парадокс Эйнштейна – Подольского – Розена разрешим при таком допущении: если бы наши инструменты были достаточно чувствительны, то они действительно смогли бы определить, в каком направлении вращаются электроны. Значит, кажущаяся неопределенность спина и положения электрона – просто фикция, результат того, что наши инструменты слишком грубы. Они ввели концепцию скрытых переменных, то есть должна существовать скрытая субквантовая теория, в которой неопределенности не существует вообще, и в основе этой теории лежат новые, так называемые скрытые переменные.)
Ставки неимоверно возросли в 1964 году, когда физик Джон Белл подверг ЭПР-парадокс и скрытые переменные суровому испытанию. Он показал, что при проведении ЭПР-эксперимента должно существовать численное соответствие между спинами двух электронов, зависящее от того, какая теория использовалась. Если теория скрытых переменных была верна, то спины должны были иметь одно соотношение. Если была правильна квантовая механика, то соотношение спинов должно было быть иным. Иными словами, судьба всей квантовой механики (основы всей современной атомной физики) зависела бы от одного-единственного эксперимента.
Но эксперименты окончательно доказали, что Эйнштейн ошибался. В начале 1980-х годов Ален Аспе и его коллеги во Франции поставили ЭПР-эксперимент. В эксперименте использовались два детектора, расположенные на расстоянии 13 м, которые измеряли спины фотонов, испускаемых атомами кальция. В 1997 году ЭПР-эксперимент был поставлен с детекторами, расположенными на расстоянии 11 км. В обоих случаях победила квантовая теория. Определенная форма знания действительно перемещается быстрее света. (Хотя Эйнштейн ошибался насчет ЭПР-эксперимента, он был прав в вопросе более существенного масштаба – о сообщении, проходящем быстрее света. Хоть ЭПР-эксперимент и дает возможность узнать что-либо о другой стороне галактики, он не позволяет таким способом посылать сообщения. К примеру, вы не можете таким образом отсылать азбуку Морзе. В сущности, «ЭПР-передатчик» отсылал бы только беспорядочные сигналы, поскольку измеряемые спины будут другими каждый раз, как вы их измеряете. ЭПР-эксперимент позволяет получить информацию о другой стороне галактики, но он не позволяет передавать полезную, не беспорядочную информацию.)
Белл для описания этого эффекта приводил пример математика по имени Бертельсман. У того была необычная привычка каждый день надевать на одну ногу синий носок, а на другую – зеленый, в случайном порядке. Если вы замечаете, что на левой ноге у него синий носок, то вы сразу же, быстрее света, получаете информацию о том, что другой его носок – зеленый. Но это знание отнюдь не позволяет вам таким же образом сообщать информацию. Обнаружение информации отличается от ее пересылки. ЭПР-эксперимент не означает, что мы можем сообщать информацию путем телепатии, путешествия быстрее света или путешествия во времени. Но он все же означает, что для нас невозможно полностью отрешиться от единства Вселенной.
Эксперимент заставляет нас принять другую картину нашей Вселенной. Существует космическая запутанность между каждым атомом нашего тела и атомами, которые находятся на расстоянии световых лет от нас. Поскольку все вещество произошло из одного источника – Большого взрыва, то в каком-то смысле все атомы нашего тела связаны с атомами на другом конце Вселенной при помощи космической квантовой паутины. Запутанные частицы чем-то похожи на близнецов, все еще связанных между собой пуповиной (волновой функцией), которая может быть длиной во много световых лет. Происходящее с одним близнецом автоматически воздействует и на другого, а отсюда знание об одной частице может незамедлительно предоставить информацию о ее двойнике. Запутанные частицы ведут себя так, как если бы они представляли собой единый объект, хотя они и могут быть разделены неимоверными расстояниями. (Если выразиться точнее, то можно сказать, что, поскольку волновые функции частиц в Большом взрыве были когда-то связаны и когерентны, эти волновые функции все еще могут быть частично соединены миллиарды лет спустя после Большого взрыва таким образом, что возмущения в одной части волновой функции способны воздействовать на другую часть той же волновой функции.)
В 1993 году ученые предложили использовать концепцию ЭПР-запутанности для создания устройства, с помощью которого можно совершать квантовую телепортацию. В 1997 и 1998 годах исследователи из Калифорнийского технологического института, Орхусского университета в Дании и Университета Уэльса совершили первую экспериментальную демонстрацию квантовой телепортации. В ходе эксперимента отдельный фотон был телепортирован через стол. Сэмюель Браунштейн, принимавший участие в организации эксперимента, сравнил запутанные пары с любовниками, «которые знают друг друга настолько хорошо, что могут ответить за свою вторую половину, даже если их разделяют огромные расстояния»{115}.
(Для экспериментов в области квантовой телепортации необходимы три объекта – А, В и С. Пусть В и С – запутанные близнецы. Хоть они и могут находиться на огромном расстоянии друг от друга, они все же остаются запутанными. Пусть теперь В вступит в контакт с А, который, собственно, является объектом телепортации. В «сканирует» А, и информация, содержащаяся в А, переносится в В. Затем эта информация автоматически передается близнецу С. Таким образом, С превращается в точную копию А.)
В области исследований квантовой телепортации наблюдается большой прогресс. В 2003 году ученым Женевского университета в Швейцарии удалось телепортировать фотоны на расстояние 2 км через оптоволоконный кабель. Фотоны света (при длине волны 1,3 мм) в одной лаборатории были телепортированы в другие фотоны с другой длиной волны (1,55 мм) в другую лабораторию, связанную с первой оптоволоконным кабелем. Николас Гизин, физик, принимавший участие в этом проекте, сказал: «Возможно, объекты больших размеров, такие как молекула, и будут телепортированы до моей смерти, но по-настоящему большие объекты не поддаются телепортации при использовании обозримых технологий».
Еще один важный прорыв был совершен в 2004 году, когда ученые из Национального института стандартов и технологий телепортировали не просто квант света, а целый атом. Их основным достижением стало то, что они успешно запутали три атома бериллия и смогли перенести характеристики одного атома в другой.
Область практического применения квантовой телепортации потенциально невероятно велика. Однако необходимо отметить, что существует несколько проблем, препятствующих ее применению. Во-первых, объект-оригинал уничтожается в ходе телепортации, а потому нельзя создать много точных копий телепортируемого объекта. Возможно создание только одной копии. Во-вторых, телепортировать объект быстрее света нельзя. Теория относительности действует и для квантовой телепортации. (Чтобы телепортировать объект А в объект С, для их соединения все же необходим объект-посредник В, а его скорость меньше скорости света.) В-третьих, возможно, наиболее важным ограничением для квантовой телепортации выступает тот же фактор, который служит препятствием для создания квантовых компьютеров: рассматриваемые объекты должны быть когерентны. Любое соприкосновение с окружающей средой прервет процесс телепортации. Но вполне вероятно, что в течение XXI века удастся телепортировать первый вирус.
При телепортации человеческого существа мы можем столкнуться с другими проблемами. Браунштейн замечает: «На данный момент ключевым моментом является количество вовлеченной информации. Даже если мы будем использовать самые лучшие каналы связи, какие только можем себе представить, для передачи всей этой информации нам понадобится время, сравнимое с возрастом нашей Вселенной».
Волновая функция Вселенной
Но, возможно, полное осознание квантовой теории произойдет, если мы применим квантовую механику не к отдельному фотону, а к целой Вселенной. Стивен Хокинг даже пошутил, что каждый раз, как он слышит о проблеме кота, он тянется за ружьем. Он предложил свое решение проблемы – существование волновой функции Вселенной. Если вся Вселенная является частью волновой функции, то отпадает надобность в существовании наблюдателя (который должен находиться за пределами Вселенной).
В квантовой теории каждая частица связана с волной. Эта волна, в свою очередь, дает информацию о вероятности обнаружения частицы в любой точке. Однако, когда Вселенная была еще очень молода, она была меньше субатомной частицы. Тогда, возможно, у самой Вселенной тоже есть волновая функция. Поскольку электрон может существовать во многих состояниях одновременно и поскольку Вселенная была меньше электрона, то, возможно, Вселенная также существовала одновременно во многих состояниях, что и описывала сверхволновая функция.
Это вариация теории множественности миров: не нужно вводить космического наблюдателя, который может мгновенно охватить взглядом всю Вселенную. Но волновая функция Хокинга значительно отличается от волновой функции Шрёдингера. В волновой функции Шрёдингера в каждой точке пространства-времени существует волновая функция. Вместо ψ-функции Шрёдингера, которая описывает все возможные состояния электрона, Хокинг вводит такую ψ-функцию, которая представляет все возможные состояния Вселенной. В обычной квантовой механике электрон существует в обычном пространстве. Однако в волновой функции Вселенной эта волновая функция существует в сверхпространстве – пространстве всех возможных вселенных, введенном Уилером.
Эта главная волновая функция (родительница всех волновых функций) подчиняется не уравнению Шрёдингера (которое работает только для одиночных электронов), а уравнению Уилера – де Витта, которое применимо для всех возможных вселенных. В начале 1990-х годов Хокинг написал, что он смог частично разрешить волновую функцию Вселенной и показать, что наиболее вероятной вселенной была та, где космологическая константа стремилась к нулю. Эта работа вызвала некоторые споры, поскольку она опиралась на суммирование всех возможных вселенных. Хокинг представил эту сумму, включив в нее порталы-червоточины, соединяющие нашу Вселенную со всеми возможными вселенными. (Представьте себе бесконечный океан мыльных пузырей, парящих в воздухе и соединенных тонкими нитями или порталами-червоточинами, а потом сложите их все вместе.)
В конечном счете возникли сомнения по поводу претенциозного метода Хокинга. Было замечено, что сумма всех возможных вселенных математически недостоверна, во всяком случае, до тех пор, пока у нас нет теории всего, которой мы могли бы руководствоваться.
Критики считают, что до тех пор, пока не создана теория всего, нельзя полагаться ни на какие вычисления, касающиеся машин времени, червоточин, момента Большого взрыва и волновых функций Вселенной.
Однако сегодня множество физиков верит в то, что наконец найдена теория всего, хотя она еще не обрела своей конечной формы: это теория суперструн, или М-теория. Даст ли она нам возможность «узреть Божий замысел», как считал Эйнштейн?
Глава 7
М-теория: мать всех струн
Тому, кто смог бы охватить Вселенную единым взором, все творение показалось бы уникальной истиной и необходимостью.
Я чувствую, что мы настолько близко подобрались к теории струн, что в моменты оптимистического подъема я вижу, что в любой день окончательная форма этой теории может свалиться с неба прямо на колени кому-нибудь. Но если подходить с более реалистичной точки зрения, то чувствую, что мы находимся в процессе создания намного более глубокой теории, чем все, с чем мы когда-либо имели дело, и уже в глубинах XXI века, когда я буду слишком стар, чтобы у меня появлялись какие-либо полезные соображения по этому предмету, более молодым физикам придется решать, в самом ли деле мы нашли окончательную теорию.
Классический роман Герберта Уэллса «Человек-невидимка», написанный в 1897 году, начинается со странной истории. В холодный зимний день из тьмы выступает причудливо одетый незнакомец. Его лица не видно: его полностью закрывают белая повязка и очки с темно-синими стеклами.
Поначалу обитатели деревни испытывали жалость к новоприбывшему, думая, что он пострадал в результате ужасного несчастного случая. Но затем в деревне начали происходить странные вещи. В один прекрасный день хозяйка гостиницы, в которой остановился незнакомец, зашла в его пустую комнату и закричала при виде одежды, которая двигалась по комнате сама по себе. Шляпы кружились по комнате, постельное белье подпрыгивало в воздухе, стулья двигались, а «мебель сошла с ума», как в ужасе вспоминала хозяйка.
Вскоре уже вся деревня полнится слухами об этих необычных явлениях. В конце концов собирается группа сельских жителей и встречается с таинственным незнакомцем лицом к лицу. К их великому изумлению, он начинает медленно разворачивать свою повязку. Толпа в ужасе. Когда человек снимает повязку, оказывается, что у него нет лица. В сущности, он невидим. Люди кричат и визжат, воцаряется хаос. Обитатели деревни пытаются поймать человека-невидимку, который с легкостью отражает их нападение.
Совершив ряд незначительных преступлений, человек-невидимка разыскивает своего старого знакомого, чтобы поведать ему свою удивительную историю. Его настоящее имя – мистер Гриффин из Университетского колледжа. Он начал изучать медицину и случайно обнаружил совершенно новый способ изменить свойства преломления и отражения плоти. Его секрет – четвертое измерение. Он восклицает, обращаясь к доктору Кемпу: «Я нашел основной принцип… формулу, геометрическое выражение, в котором задействованы все четыре измерения»{116}.
К сожалению, вместо того, чтобы обратить свое великое открытие на пользу человечеству, все свои мысли мистер Гриффин обратил к грабежу и личной выгоде. Он предлагает своему другу стать его сообщником, заявляя, что вместе они смогут разграбить мир. Но друг в ужасе; он раскрывает местонахождение Гриффина полиции. За этим следует финальная охота на человека, в ходе которой человек-невидимка получает смертельные раны.
Как и все научно-фантастические романы, история Герберта Уэллса не лишена научного зерна. Любой, кто сможет пробраться в четвертое пространственное измерение (или то, что сегодня называют пятым измерением, поскольку четвертым является время), действительно способен стать невидимым и даже обрести силы, обычно приписываемые призракам и божествам. Представьте на секунду, что двумерная поверхность стола может быть населена расой мифических существ, как в романе 1884 года Эдвина Эбботта «Флатландия» (Flatland). Они занимаются своими делами и даже не подозревают о том, что их окружает целая вселенная – третье измерение.
Но если бы ученый этой страны мог поставить эксперимент, который позволил бы ему зависнуть в нескольких сантиметрах над поверхностью стола, то он бы стал невидимым, поскольку свет проходил бы под ним, как если бы он не существовал вовсе. Паря над Флатландией, он мог бы наблюдать, как внизу под ним разворачиваются события на крышке стола. В парении в гиперпространстве есть решительные преимущества, поскольку любой, кто взирал бы на наш мир из гиперпространства, обрел бы божественную силу.
Не только свет проходил бы под ним, делая его невидимым. Он также мог бы перескакивать через предметы. Иными словами, он мог бы исчезать по собственному желанию и проходить сквозь стены. Выскочив в третье измерение, он мог бы просто раствориться, исчезнуть из двумерной вселенной. А если бы он прыгнул обратно на крышку стола, то рематериализовался бы ниоткуда. В его силах было бы убежать из любой темницы. Тюрьма в Флатландии была бы кругом, нарисованным вокруг заключенного, так что было бы несложно просто выпрыгнуть в третье измерение и выйти на свободу.
Скрыть что-либо от такого гиперсущества было бы невозможно. Золото, спрятанное в тайнике, из точки наблюдения в третьем измерении найти было бы легче легкого, поскольку сам тайник был бы всего лишь открытым прямоугольником. Было бы детской забавой проникнуть внутрь прямоугольника и забрать золото, даже не вламываясь в тайник. Стало бы возможным совершать хирургические операции, в ходе которых не было бы нужды даже разрезать кожу.
Так Герберт Уэллс хотел донести до читателя идею о том, что в четырехмерном мире мы – обитатели Флатландии. Мы не знаем о том факте, что над нами раскрываются более высокие планы бытия, и верим, что наш мир состоит из всего, что мы видим; нам и невдомек, что прямо у нас под носом могут существовать целые вселенные. Хотя другая вселенная могла бы парить в четвертом измерении всего лишь в нескольких сантиметрах над нами, она была бы невидимой.
Поскольку гиперсущество обладало бы сверхчеловеческими способностями, обычно приписываемыми призракам и духам, в другом научно-фантастическом произведении Герберт Уэллс задался вопросом о том, могут ли сверхъестественные существа обитать в дополнительных измерениях. Он поднял ключевой вопрос о том, что на сегодняшний день является предметом активных исследований и размышлений: могут ли существовать в этих дополнительных измерениях новые законы физики? В его романе 1895 года под названием «Чудесное посещение» викарий ненароком попадает из ружья в ангела, случайно пролетающего через наше измерение. По какой-то космической причине наше измерение и параллельная вселенная на время столкнулись, что позволило ангелу свалиться в наш мир. В этом рассказе Уэллс пишет: «Бок о бок может существовать неограниченное количество трехмерных Вселенных»{117}. Викарий задает вопросы раненому ангелу. Большим потрясением становятся для него слова пришельца о том, что наши законы природы в мире ангела не действуют. Например, в другой вселенной нет плоскостей, а есть скорее цилиндры – настолько искривлено пространство. (За целых двадцать лет до того, как Эйнштейн создал общую теорию относительности, Уэллс забавлялся мыслями о вселенных, существующих на искривленных поверхностях.) Как рассказывал викарий: «Их геометрия отличается от нашей, поскольку их пространство имеет кривизну, так что все их плоскости представляют собой цилиндры; их закон тяготения не согласуется с законом обратных квадратов, а основных цветов у них не три, а двадцать четыре». Прошло более века с тех пор, как Уэллс написал эту историю, и сегодня физики понимают, что в параллельных вселенных и вправду могут существовать иные законы физики с разными наборами субатомных частиц, атомов и химических взаимодействий. (Как мы увидим в главе 9, сейчас проходит несколько экспериментов, цель которых – уловить присутствие параллельных вселенных, которые, возможно, парят прямо над нашей Вселенной.)
Концепция гиперпространства интриговала художников, музыкантов, мистиков, теологов и философов; особенно сильно это проявилось в начале XX века. По словам искусствоведа Линды Далримпл, интерес Пабло Пикассо к четвертому измерению повлиял на создание кубизма. (Глаза нарисованных им женщин смотрят прямо на нас, несмотря на то что носы женщин направлены в стороны, что позволяет нам видеть этих женщин полностью. Подобным образом гиперсущество, взирающее на нас сверху, увидит нас во всей полноте: спереди, сзади и с боков одновременно.) На своей известной картине «Распятие, или Гиперкубическое тело» Сальвадор Дали изобразил Иисуса Христа распятым на фоне развернутого четырехмерного гиперкуба, или тессеракта. На картине «Постоянство памяти» художник попытался передать идею времени как четвертого измерения с помощью изображения мягких, растаявших часов. На картине Марселя Дюшана «Обнаженная, спускающаяся по лестнице, № 2» мы видим обнаженную фигуру в замедленном движении, спускающуюся по лестнице. На этом полотне представлена еще одна попытка поймать четвертое измерение – время – с помощью двумерной плоскости.
М-теория
Сегодня загадки и верования, окружающие четвертое измерение, воскресли по причине совершенно иного характера – развития теории струн и ее последнего воплощения – М-теории. Исторически сложилось так, что физики упорно не принимали концепцию гиперпространства; они смеялись, говоря, что дополнительные измерения – это специализация мистиков и шарлатанов. Ученые, всерьез предполагавшие существование невидимых миров, подвергались насмешкам.
С приходом М-теории все изменилось. Высшие измерения призывают к революции в физике, поскольку физики вынуждены бороться с величайшей проблемой, стоящей сегодня перед их наукой, – пропастью, разделяющей теорию относительности и квантовую механику. Что замечательно, обе эти теории вобрали в себя все фундаментальные физические знания о Вселенной. В настоящее время только М-теория способна объединить эти две великие, на вид противоречивые теории Вселенной в связное целое; только М-теория способна создать теорию всего. Из всех предложенных в прошедшем веке теорий единственным кандидатом, способным «узреть Божий замысел», как сказал Эйнштейн, является М-теория.
Только в десяти– или одиннадцатимерном гиперпространстве «достаточно места», чтобы объединить все природные взаимодействия в единую изящную теорию. Такая удивительная теория сможет ответить на извечные вопросы: что произошло еще до начала? Можно ли обратить время вспять? Могут ли порталы в другие измерения перенести нас через Вселенную? (Хотя критики совершенно справедливо указывают на то, что проверка этой теории находится за пределами наших экспериментальных возможностей, в настоящее время планируется ряд экспериментов, которые могут изменить эту ситуацию, – о них мы поговорим в главе 9.)
В течение последних пятидесяти лет все попытки создания действительно единого описания Вселенной заканчивались позорным провалом. На концептуальном уровне это понять несложно. Общая теория относительности и квантовая теория диаметрально противоположны друг другу практически во всех отношениях. Общая теория относительности – это теория очень большого: черных дыр, Больших взрывов, квазаров и расширяющейся Вселенной. Она основана на математике гладких поверхностей, таких как простыни и батуты. Квантовая теория в точности противоположна – она описывает мир всего крошечного: атомов, протонов с нейтронами и кварков. В основе ее лежит теория отдельных пучков энергии, называемых квантами. В отличие от теории относительности, квантовая теория утверждает, что вычислить можно только вероятность событий, так что мы никогда точно не узнаем, где находится электрон. В этих двух теориях все различно – математические подходы, допущения, физические принципы и области применения. Неудивительно, что все попытки объединения их заканчивались провалом.
Физики-гиганты – Эрвин Шрёдингер, Вернер Гейзенберг, Вольфганг Паули и Артур Эддингтон – вслед за Эйнштейном тоже пробовали свои силы в создании единой теории поля, и все они потерпели неудачу. В 1928 году Эйнштейн ненамеренно вызвал массовое волнение в прессе, выдвинув раннюю версию своей единой теории поля.
В 1946 году Шрёдингер тоже заразился этой идеей и создал, как он полагал, эту уже мифическую единую теорию поля. Он спешно совершил довольно необычный для своего (но не для нашего) времени поступок – созвал пресс-конференцию. Даже премьер-министр Ирландии Имон де Валера присутствовал на этой конференции. Когда Шрёдингера спросили, насколько он уверен в том, что ухватил наконец суть единой теории поля, он ответил: «Я считаю, что прав. Я буду выглядеть ужасно глупо, если это не так»{119}. (Об этой пресс-конференции стало известно
В 1958 году физик Джереми Бернштейн посетил лекцию в Колумбийском университете, где Вольфганг Паули представлял свою версию единой теории поля, которую он разработал вместе с Вернером Гейзенбергом. Нильса Бора, также присутствовавшего на этой лекции, она не очень-то впечатлила. В конце концов Бор поднялся и сказал: «Мы на галерке убеждены, что ваша теория безумна. Но что нас разделяет, так это вопрос о том, достаточно ли безумна ваша теория»{120}.
Паули тут же понял, что Бор имел в виду: теория Гейзенберга – Паули была слишком традиционной, слишком заурядной, чтобы стать единой теорией поля. Чтобы «узреть Божий замысел», понадобилось бы привлечение радикально новых математических подходов и идей.
Многие физики уверены, что за всем стоит простая, изящная и убедительная теория, которая тем не менее достаточно безумна и абсурдна, чтобы быть правдой. Джон Уилер из Принстона отмечает тот факт, что в ХIХ веке перспектива объяснить невероятное разнообразие жизненных форм на Земле представлялась безнадежной. Но затем Чарльз Дарвин предложил теорию естественного отбора, и одна-единственная теория предоставила всю архитектуру для объяснения происхождения и разнообразия жизни на Земле.
Лауреат Нобелевской премии Стивен Вайнберг приводит еще одну аналогию. После Колумба карты, составленные в результате отважных путешествий первых европейских исследователей, явно указывали на существование Северного полюса, но непосредственного доказательства его существования не было. Поскольку на всех картах Земли был огромный пробел как раз в том месте, где, по-видимому, находился Северный полюс, ранние исследователи просто предположили его существование, несмотря на то что ни один из них не бывал на нем. Подобным образом физики нашего времени обнаруживают массу доказательств, указывающих на то, что теория всего должна существовать, хотя в данный момент ученые еще не пришли к консенсусу о том, какова же эта конечная теория.
История струнной теории
Поделиться книгой: