Текст книги "Ткань космоса. Пространство, время и текстура реальности"

Автор книги: Брайан Грин

сообщить о нарушении

Текущая страница: 45 (всего у книги 52 страниц)

Пространство, время и предположения теории

Наше путешествие к раскрытию природы пространства и времени было долгим и насыщенным множеством сюрпризов; несомненно, мы ещё только в начале пути. За несколько последних столетий мы были свидетелями цепочки прорывов, каждый из которых радикально менял наши представления о пространстве и времени. Теоретические и экспериментальные предложения, рассмотренные в данной книге, отражают идеи и взгляды нашего поколения; вероятно, большая их часть войдёт в наше научное наследие. В главе 16 мы обсудим некоторые из самых недавних теоретических достижений в попытке пролить свет на то, что может оказаться следующими шагами нашего путешествия. Но сначала, в главе 15, посмотрим в другом направлении.

Хотя нет и не может быть никаких правил научных открытий, но история показывает, что глубокое понимание часто ведёт к новым технологическим достижениям. Изучение электромагнитного взаимодействия в XIX в. в конечном счёте привело к изобретению телеграфа, радио и телевидения. Объединив это знание с последующими прорывами в области квантовой механики, мы смогли создать компьютеры, лазеры и самые разнообразные электронные устройства, которым не счесть числа. Понимание ядерных сил привело к опасному овладению самым мощным оружием, которое когда-либо знал мир, а также к развитию технологий, которые в перспективе могли бы удовлетворить энергетические потребности всего мира с помощью всего лишь цистерн солёной воды. Станет ли наше всё углубляющееся понимание пространства и времени первым шагом аналогичной цепочки открытий и технологических достижений? Овладеем ли мы когда-нибудь пространством и временем и достигнем ли того, что пока является уделом лишь научной фантастики?

Никто не знает этого. Но давайте сейчас оценим, как далеко мы зашли и что это может повлечь за собой.

Глава 15. Телепортация и машины времени
Путешествие сквозь пространство и время

Возможно, мне просто не хватало воображения в далёких 1960-х гг., но самой невероятной вещью мне тогда казался компьютер на борту «Энтерпрайза»из сериала «Звёздный Путь». Я был учеником начальной школы и мог спокойно допустить, что когда-нибудь будут созданы двигатели, позволяющие почти мгновенно преодолевать громадные космические расстояния, и меня не удивляла Вселенная, населённая инопланетянами, бегло говорящими по-английски. Но чтобы машина могла по запросу выводить изображение какой угодно исторической личности, предоставлять технические спецификации для любого оборудования или текст какой угодно книги из когда-либо написанных? Именно в этоя отказывался верить. В конце 1960-х гг. подросток в моём лице был уверен, что никогда не будет найден способ собирать, хранить и предоставлять быстрый доступ к такому богатству информации. И всё же, менее полувека спустя, я сижу на кухне с ноутбуком, снабжённым беспроводным доступом в Интернет и программой распознавания речи, и играю роль капитана Кирка, листая обширные хранилища знаний – от капитальных до несерьёзных – не пошевелив и пальцем. Конечно, наши компьютеры ещё проигрывают в скорости и эффективности вымышленным компьютерам XXIII в. из мира «Звёздного Пути», но легко представить, что через двести лет наши технологии превзойдут всяческие ожидания.

Этот пример стал одним из избитых штампов для иллюстрации возможности научной фантастики предсказывать будущее. Но что может быть соблазнительней такой машины: вы входите в помещение, щёлкаете переключатель и мгновенно переноситесь в далёкое место или другое время? Возможно, однажды мы освободимся от ограничений на пространство и время, к которым мы были так долго привязаны, и познаем дальние пределы пространств и времён? Или же такая возможность навсегда останется уделом научной фантастики? Уличив меня в детской неспособности предвидеть информационную революцию, вы можете усомниться в моей способности предсказывать будущие технологические прорывы. Поэтому вместо размышлений о вероятности того, что может быть, в этой главе я расскажу, как далеко мы уже продвинулись, как в теории, так и на практике, в направлении реализации телепортации и машины времени, и что понадобится для дальнейшего продвижения и овладения контролем над пространством и временем.

Телепортация в квантовом мире

В общепринятых описаниях научной фантастики телепортер(или транспортёр– на сленге «Звёздного Пути») сканирует объект и определяет его строение, а затем посылает эту информацию в удалённое место, где и воссоздаётся этот объект. В одних научно-фантастических произведениях сам объект «дематериализуется» и его атомы и молекулы посылаются вместе с информацией для последующей сборки, в других же произведениях создаётся точная копия объекта из атомов и молекул, находящихся в «приёмнике» телепортера. Научный подход к телепортации, развитый за последнее десятилетие, ближе по духу ко второму варианту, что сразу же влечёт два существенных вопроса. Первый вопрос представляет собой стандартную, но трудную философскую головоломку: когда, если вообще когда-либо, точная копия должна идентифицироваться с оригиналом и рассматриваться как оригинал? Второй вопрос заключается в том, возможно ли, даже в принципе, полностью определить строение и состав объекта так, чтобы затем можно было создать «шаблон», по которому можно было бы точно восстановить объект?

Во Вселенной, подчиняющейся законам классической физики, ответ на второй вопрос был бы положительным. Параметры каждой частицы, составляющей объект (её тип, положение, скорость и т. д.), в принципе можно абсолютно точно измерить, а затем передать эту информацию в удалённое место, чтобы воссоздать по ней сам объект. Сделать подобное для объекта, состоящего больше чем из горстки элементарных частиц, видится неимоверно сложной задачей, но в классической Вселенной эта задача в принципе разрешима – всё упирается только в сложность.

Во Вселенной, подчиняющейся законам квантовой физики, – нашей Вселенной – ситуация гораздо более тонкая. Мы знаем, что акт измерения вынуждает ряд параметров объекта выплыть из «квантового тумана» и принять определённые значения. Например, когда мы наблюдаем частицу, то измеренные нами параметры не отражают неопределённую квантовую смесь атрибутов, которую она имела до нашего наблюдения. ^{194} Таким образом, если мы хотим скопировать объект, мы попадаем в порочный квантовый круг. Чтобы скопировать, мы должны наблюдать, чтобы знать, что копировать. Но сам акт наблюдения вносит изменения, так что если мы копируем то, что видим, то мы скопируем не то, что было до нашего наблюдения. Отсюда можно прийти к заключению, что телепортация в квантовом мире невозможна, но не просто из-за практических ограничений, вытекающих из сложности одновременного измерения всех параметров гигантского количества объектов, а в силу фундаментальных ограничений, отражающихся в квантовой физике. Тем не менее, как мы увидим в следующем разделе, в начале 1990-х гг. международная группа физиков нашла искусный способ обойти это препятствие.

Что касается первого вопроса по поводу взаимосвязи между копией и оригиналом, квантовая физика даёт точный и ободряющий ответ. Согласно квантовой механике все электроны во Вселенной идентичны друг другу в том смысле, что все они обладают одной и той же массой, одним и тем же электрическим зарядом, одними и теми же характеристиками слабого и сильного взаимодействия и одним и тем же полным спином. Более того, согласно основательно проверенному утверждению квантовой механики только что приведённый перечень исчерпываетвсе характеристики электрона; электроны идентичны по отношению к этим характеристикам, а других существенных характеристик просто нет. В том же смысле идентичны все u-кварки, идентичны все d-кварки, идентичны все фотоны и т. д. – данное утверждение справедливо для всех типов частиц. Как было установлено ещё много десятилетий тому назад, частицы также можно рассматривать как наименьшие «пакеты» поля (например, фотоны – наименьшие пакеты электромагнитного поля), и квантовая физика показывает, что такие мельчайшие составляющие одного и того же поля всегда идентичны. (Или, согласно представлению теории струн, частицы одного типа имеют идентичные характеристики из-за того, что являются идентичными вибрациями струны всего одного типа.)

Частицы одного типа могут отличаться лишь вероятностями их обнаружения в том или ином месте, вероятностями ориентации спина в том или ином направлении и вероятностями обладания конкретными скоростями и энергиями. Или, как лаконично говорят физики, частицы могут находиться в различных квантовых состояниях. Но если две частицы одного типа находятся в одном и том же квантовом состоянии (за исключением, возможно, того, что у одной частицы выше вероятность быть здесь, а у другой – там), то законы квантовой механики гарантируют, что частицы неразличимы, причём не только практически, но и в принципе. Они – совершенные близнецы. Если бы кто-то поменял частицы местами (точнее, поменял их вероятности быть в том или ином месте), то никто бы не смог определить, что частицы переставлены.

Таким образом, если кто-то вводит частицу, находящуюся в отдалённом месте, [93]93
  Поскольку сутью телепортации является перемещение объекта из одного места в другое, в этом разделе я часто буду говорить так, как будто частицы занимают определённое положение. Строго говоря, мне всегда следовало бы вместо выражений типа «частица, находящаяся здесь» использовать более пространные фразы вида «частица, которая с высокой вероятностью находится здесь» или «частица, которая с вероятностью 99% находится здесь», но для краткости я буду говорить более вольно.


[Закрыть]точно в то же квантовое состояние, какое имеет частица того же типа, находящаяся здесь, то отдалённая частица будет неотличима от своего оригинала, и этот процесс можно по праву назвать квантовой телепортацией. Конечно, если бы этот процесс никак не затронул оригинальную частицу, то вы могли бы назвать его квантовым клонированием или, возможно, квантовым копированием на расстоянии. Но, как мы увидим, при научной реализации этих идей затрагивается оригинальная частица – её квантовое состояние неизбежно меняется в ходе процесса телепортации, – так что мы не столкнёмся с таксономической дилеммой.

Более насущен вопрос (внимательно рассматривавшийся философами в той или иной форме), верно ли для агломерата частиц то, что верно для одной частицы? Если бы вы сподобились телепортировать из одного места в другое каждую частицу, составляющую ваш «ДеЛориан» [94]94
  Спортивный автомобиль «DeLorean DMC-12», известный по фильму «Назад в будущее», где он сыграл роль машины времени. (Прим. перев.)


[Закрыть], гарантируя, что квантовое состояние каждой частицы, включая её взаимосвязи со всеми другими частицами, воспроизведено со 100%-й точностью, то означало бы это, что вам удалось телепортировать свой автомобиль? Хотя у нас нет никаких эмпирических данных, но теоретические соображения определённо говорят в пользу возможности телепортации автомобиля. Атомное и молекулярное строение определяет всё восприятие автомобиля: как он выглядит, как звучит, как пахнет и даже какой он на вкус, так что скопированный автомобиль должен быть полностью идентичен оригинальному «ДеЛориану» – со всеми своими неровностями, царапинами, скрипучей левой дверью, запахом, оставленным вашей собакой, и прочим. Он должен брать резкий поворот и реагировать на нажатие педали газа точно так же, как оригинал. Нас не заботит, действительно ли перед нами оригинал или его идеальная копия. Если бы вы попросили Объединённые квантовые транспортные линии [95]95
  В оригинале United Quantum Van Lines – перекличка с существующей крупнейшей американской транспортной компанией United Van Lines. (Прим. перев.)


[Закрыть]доставить по морю ваш автомобиль из Нью-Йорка в Лондон, а компания, без вашего ведома, телепортировала бы ваш автомобиль указанным выше образом, то вы никогда не нашли бы разницы – даже в принципе.

Но что если транспортная компания проделала бы то же самое с вашим котом? Или, питая отвращение к пище, предлагаемой на борту самолёта, вы решились бы на собственную телепортацию? Будет ли кот или человек, вышедший с другого конца телепортера, тем же самым, кто вошёл в телепортер? Лично я так и думаю. Опять же, поскольку у нас нет соответствующих данных, в лучшем случае мы можем лишь рассуждать. По моему мнению, живое существо, атомы и молекулы которого находятся точно в том же квантовом состоянии, что и мои, есть я. Даже если бы «оригинал» меня остался бы после «копирования», я (мы) без колебания бы сказал, что и «копия», и «оригинал» – это я сам. Ни один из «нас» не будет иметь приоритета над другим. Мысли, память, эмоции и суждения имеют физическое основание в атомных и молекулярных характеристиках человеческого тела; идентичное квантовое состояние элементарных составляющих должно влечь за собой идентичное сознательное существо. С течением времени мы стали бы различаться из-за различного опыта, но я действительно верю, что с момента «копирования» будет «два меня», а не то, что «оригинал» – каким-либо образом «настоящий я», а «копия» в чём-то поддельна.

В действительности я хочу даже несколько ослабить требования. Наше физическое строение всё время постоянно меняется – иногда чуть-чуть, иногда значительно, – но каждый из нас остаётся одной и той же личностью. От мороженого Haagen-Dazs [96]96
  Знаменитая марка американского мороженного, популярного и за пределами США. (Прим. перев.)


[Закрыть], наводняющего кровоток жиром и сахаром, до магнитно-резонансного томографа, поворачивающего спиновые оси ядер различных атомов мозга, до сердечных трансплантантов и липосакции, до триллионов атомов, заменяющихся каждую миллионную долю секунды в человеческом теле, мы подвержены постоянным изменениям, и всё же наша личная идентичность остаётся неизменной. Так что даже если телепортировавшееся существо не абсолютно точно будет воспроизводить моё физическое состояние, оно ещё может оставаться полностью неотличимым от меня. В меру моего понимания, оно могло бы бытьмной.

Конечно, если вы верите в то, что жизнь, и в особенности сознательная жизнь, включает в себя ещё какую-то сущность помимо физической организации, то ваши критерии успешной телепортации будут строже моих. Эта мудрёная проблема – до какой степени наша идентификация как личности привязана к нашему физическому существу? – обсуждалась годами, но так и не было найдено ответа, который удовлетворил бы всех и каждого. Хотя лично я верю, что вся идентификация зависит только от физического, но другие не согласятся со мной, и никто не сможет привести убедительных доказательств правоты своей точки зрения.

Но безотносительно к вашей точке зрения на гипотетическую проблему телепортации живого существа учёные уже установили, что благодаря чудесам квантовой механики отдельные частицы могут быть телепортированы – и были телепортированы. Давайте посмотрим, как.

Квантовое запутывание и квантовая телепортация

В 1997 г. сразу две группы – группа физиков под руководством Антона Цайлингера, работавшего тогда в университете Инсбрука, и другая группа под руководством А. Франческо Де Мартини из университета Рима ^{195} – осуществили первую успешную телепортацию одного фотона. В обоих экспериментах начальный фотон в определённом квантовом состоянии был телепортирован на короткое расстояние в пределах лаборатории, но есть все основания полагать, что использованные методики сработают на любом расстоянии. Каждая группа использовала метод, основанный на теоретических соображениях, приведённых в 1993 г. группой физиков – Чарльзом Беннетом из Исследовательского центра IBM имени Томаса Ватсона; Жилем Брассаром, Клодом Крепо и Ричардом Джозой из университета Монреаля; израильским физиком Ашером Пересом и Вильямом Вуттерсом из Вильямсовского колледжа, – которые опирались на квантовое запутывание (глава 4).

Вспомним, что две запутанные частицы, скажем, два фотона, имеют необычную тесную взаимосвязь. Хотя каждая из таких частиц лишь с некоторой вероятностью имеет тот или иной спин и хотя при измерении каждая из частиц случайным образом «выбирает» конкретное значение спина, но каким бы ни был «выбор» одной частицы, вторая тотчас же делает тот же «выбор», невзирая на расстояние между частицами. В главе 4 мы уяснили, что невозможно использовать запутанные частицы для посылки сообщения из одного места в другое со скоростью, превышающей скорость света. Если последовательность пар запутанных фотонов измерить в далеко отдалённых друг от друга местах, то данные, снятые с каждого детектора, будут случайным набором величин (в котором частота получения того или иного результата согласуется с волной вероятности частиц). Запутывание станет явным лишь при сравнении двух наборов данных, когда обнаружится, что эти наборы идентичны. Но для сравнения требуется какая-либо обычная связь со скоростью, меньшей скорости света. А поскольку до проведения сравнения никак невозможно обнаружить запутывание, то невозможно послать сигнал со скоростью, превышающей скорость света.

Тем не менее, хотя запутывание невозможно использовать для сверхсветовых сообщений, но остаётся стойкое ощущение, что дальнодействующие корреляции между частицами столь странны, что их можно как-то использовать для чего-то экстраординарного. В 1993 г. Беннет со своими сотрудниками обнаружил одну такую возможность. Они показали, что квантовое запутывание можно использовать для квантовой телепортации. Вы не сможете послать сигнал со скоростью, превосходящей скорость света, но если вы собираетесь осуществить телепортацию частицы со скоростью, меньшей скорости света, то квантовое запутывание – то, что нужно.

И осуществить это можно весьма оригинальным способом. Вот как это делается.

Представим, что я хочу телепортировать конкретный фотон – назовём его фотоном A– из своего дома в Нью-Йорке своему другу Николасу в Лондон. Ради простоты проследим только за спином фотона – посмотрим, как можно точно телепортировать квантовое состояние спина фотона, т. е. как Николасу получить фотон с тем же распределением вероятности спина по осям, как и у моего фотона A.

Я не могу просто измерить спин фотона A, а затем позвонить Николасу и сказать, что ему сделать со своим фотоном, чтобы его спин соответствовал моим наблюдениям; на результат, который я получил, оказало бы влияние проведённое мной измерение, и поэтому он не будет отражать истинное состояние фотона Aдо измерения. Так что же делать? Выход предлагает Беннетт со своими коллегами: прежде всего, нам с Николасом надо иметь по дополнительному фотону (назовём их фотонами Bи C), которые составляют вместе пару запутанных фотонов. Не важно, как мы добудем такие фотоны. Просто допустим, что мы с Николасом уверены в том, что хотя нас разделяет Атлантический океан, но если я измерю спин своего фотона Bотносительно одной из осей, а Николас – спин своего фотона Cотносительно той же оси, то наши результаты совпадут.

Затем, согласно Беннетту с сотрудниками, неследует напрямую измерять спин фотона A(того фотона, который я собираюсь телепортировать), поскольку это обернётся слишком сильным вмешательством. Вместо этого мне следует измерить некую совместнуюхарактеристику фотонов Aи B. Например, квантовая теория позволяет мне определить, обладают ли фотоны Aи Bодинаковым спином относительно вертикальной оси, не измеряя спин каждого фотона по отдельности. Аналогично, квантовая теория позволяет определить, обладают ли фотоны Aи Bодинаковым спином относительно горизонтальной оси, не измеряя спин каждого фотона по отдельности. Выполнив такое совместное измерение, я не узнаю спин фотона A, но зато узнаю, как спин фотона Aсвязан со спином фотона B. Это важная информация, и вот почему.

Удалённый фотон Cзапутан с фотоном B, поэтому, зная о связи фотонов Aи B, я могу вывести, как фотон Aсвязан с фотоном C. Если я теперь передам по телефону эту информацию Николасу, он сможет определить, что нужно сделать с фотоном C, чтобы его квантовое состояние точно соответствовало фотону A. Проделав необходимые манипуляции, он получит у себя фотон C, квантовое состояние которого будет идентично моему фотону A, а именно это и требуется, чтобы заявить, что фотон Aбыл успешно телепортирован из Нью-Йорка в Лондон. Например, в простейшем случае, когда спин фотона Bоказывается идентичным спину фотона A, тогда и спин фотона Cоказывается идентичным спину фотона A, и уже больше ничего не нужно делать для телепортации. Фотон Cбудет находиться в том же квантовом состоянии, что и фотон A, что и требовалось.

Всё почти так. Такова идея в общих чертах, и ради простоты изложения я намеренно опустил кое-что необычайно важное. Сейчас я восполню этот пробел. Проводя совместное измерение фотонов Aи B, я действительно узнаю о связи спинов этих фотонов. Но, как и любое наблюдение, такое измерение тоже воздействует на фотоны. Поэтому я неузнаю, как спины фотонов Aи Bбыли связаны доизмерения. Вместо этого я узнаю, как они связаны после того, как сам акт измерения уже повлиял на них. Так что на первый взгляд кажется, что мы сталкиваемся с той же проблемой, как и при непосредственном измерении спина фотона A: в обоих случаях квантовое состояние фотона Aменяется после измерения. И вот где к нам приходит на выручку фотон C. Поскольку фотоны Bи Cзапутаны, то любое воздействие на фотон Bв Нью-Йорке отразится на состоянии фотона C в Лондоне. Такова удивительная природа квантового запутывания, как мы обсуждали в главе 4. И действительно, Беннетт с сотрудниками математически показали, что благодаря запутыванию с фотоном Bискажение, вносимое измерением, отпечатывается на удалённом фотоне C.

И вот что чрезвычайно интересно. Посредством измерения мы можем узнать, как связаны спины фотонов Aи B, но сам процесс измерения влияет на оба фотона. Однако благодаря квантовому запутыванию это измерение влияет и на фотон C(даже если фотон Cнаходится в тысячах километров от Aи B), и это позволяет нам изолировать эффект влияния и тем самым получить информацию, обычно теряющуюся в процессе измерения. Если я теперь сообщу Николасу результат своего измерения, то он узнает, как связаны спины фотонов Aи Bпосле измерения, и через фотон Cон получит доступ к результату влияния самого измерения. Это позволит Николасу использовать фотон Cдля того, чтобы, грубо говоря, вычесть влияние измерения и таким путём обойти препятствие, мешавшее копированию состояния фотона A. В действительности, Беннетт с сотрудниками детально показали, как путём простой манипуляции со спином фотона C(на основе информации о связи спинов фотонов Aи B) Николас может гарантированно сделать так, чтобы квантовое состояние фотона Cв точности воспроизводило состояние фотона A до измерения. Пока речь шла только о спине, но и другие характеристики квантового состояния фотона A(такие как вероятность нахождения на том или ином энергетическом уровне) могут быть скопированы аналогичным образом. Таким образом можно телепортировать фотон Aиз Нью-Йорка в Лондон. ^{196}

Как видно, квантовая телепортация включает в себя два этапа, на каждом из которых передаётся важная информация. Сначала мы выполняем совместное измерение фотона, предназначенного для телепортации, с фотоном из пары сцепленных фотонов. Изменение квантового состояния, связанное с актом измерения, благодаря квантовой нелокальности отпечатывается на удалённом партнёре из пары сцепленных фотонов. Таков первый этап – «квантовая часть» процесса телепортации. На втором этапе результат самого измерения сообщается по любому обычному каналу связи (телефон, факс, электронная почта...) – это «классическая часть» процесса телепортации. Комбинация этих двух этапов позволяет точно воспроизвести квантовое состояние фотона, предназначенного для телепортации, путём несложной операции (такой как вращение на некоторый угол вокруг определённой оси), применяемой к удалённому партнёру пары сцепленных фотонов.

Отметим две характерные черты квантовой телепортации. Поскольку начальное состояние фотона Aбыло нарушено в ходе измерения, то только фотон C теперь находится в том начальном состоянии. Нет двух копий исходного фотона A, так что этот процесс точнее назвать квантовой телепортацией, а не квантовым копированием. ^{197} Более того, хотя мы телепортировали фотон Aиз Нью-Йорка в Лондон (и фотон в Лондоне стал неотличим от того фотона, который был в Нью-Йорке), но мы так и не узнали квантовое состояние фотона A. Фотон Aв Лондоне обрёл ту же самую вероятность обладания спином относительно того или иного направления, какую имел фотон Aдо моего вмешательства, но мы не знаем, какова эта вероятность. Таков трюк, лежащий в основании квантовой телепортации. Возмущение, вызываемое актом измерения, препятствует нам узнать квантовое состояние фотона A, но в описанном подходе нам и не нужно знать квантовое состояние фотона, чтобы телепортировать его. Нам требуется знать, лишь один аспект его квантового состояния – то, что мы узнаем из совместного измерения с фотоном B. Квантовое запутывание с удалённым фотоном Cпредоставляет недостающую информацию для успешной телепортации фотона.

Осуществление этой стратегии квантовой телепортации явилось очень непростым делом. В начале 1990-х гг. пару запутанных фотонов можно было породить с помощью стандартной процедуры, но ещё никто никогда не осуществлял совместное измерение двух фотонов (описанное выше совместное измерение фотонов Aи B, называемое измерением состояния Белла). Заслуга групп Цайлингера и Де Мартини состоит в том, что они разработали оригинальную экспериментальную методику совместного измерения и реализовали её в лабораторных условиях. ^{198} В 1997 г. они достигли своей цели, став первыми группами, осуществившими телепортацию одной частицы.