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

Автор книги: Брайан Грин

сообщить о нарушении

Текущая страница: 46 (всего у книги 52 страниц)

Практическая телепортация

Поскольку мы с вами, автомобиль «ДеЛориан» и всё остальное состоит из множества частиц, то следующим естественным шагом будет представить, как применить квантовую телепортацию к такой крупной совокупности частиц, что позволило бы перебрасывать макроскопические объекты из одного места в другое. Однако переход от телепортации одной частицы к телепортации макроскопической совокупности частиц сразу же ставит в тупик и находится далеко за пределами того, что многим исследователям представляется достижимым даже в отдалённом будущем. Но ради забавы представим себе, как могли бы осуществиться фантастические мечты Цайлингера.

Вообразим, что я хочу телепортировать свой «ДеЛориан» из Нью-Йорка в Лондон. Вместо пары сцепленных фотонов (необходимых для телепортации одного фотона) нам с Николасом потребуется по целому вместительному контейнеру частиц, содержащему достаточно протонов, нейтронов, электронов и т. д. для воссоздания «ДеЛориана», причём частицы в наших контейнерах должны быть попарно запутаны друг с другом (см. рис. 15.1). Мне также потребуется устройство для совместного измерения всех частиц, составляющих «ДеЛориан», с частицами, снующими туда-сюда в моём контейнере (аналог прибора для совместного измерения фотонов Aи B). Благодаря запутыванию частиц в двух камерах воздействие проведённого мною совместного измерения отпечатается в частицах, находящихся в камере Николаса в Лондоне (аналог того, как совместное измерение фотонов Aи Bотражается на фотоне C). Если я позвоню Николасу и сообщу ему результаты своего измерения (это будет дорогой звонок, так как мне потребуется передать 10 ³⁰результатов), то переданные мною данные скажут, какие манипуляции ему следует провести с частицами в своём контейнере (во многом подобно тому как я раньше передавал ему данные для манипуляции с фотоном C). Когда он закончит эти манипуляции, каждая частица в его контейнере окажется точно в том же квантовом состоянии, как каждая частица «ДеЛориана» (до того, как я провёл измерение), и так Николас получит«ДеЛориан». [97]97
  Квантовое состояние совокупности частиц (в отличие от индивидуальных частиц) отражает также связи между всеми частицами этой совокупности. Таким образом, точно воспроизводя квантовое состояние частиц, составляющих «ДеЛориан», мы гарантируем, что все они находятся в той же связи друг с другом; единственная разница будет состоять в том, что их положение в целом будет смещено из Нью-Йорка в Лондон.


[Закрыть]Тем самым будет осуществлена телепортация из Нью-Йорка в Лондон.

Рис. 15.1.Фантастический проект телепортации включает в себя два отдалённых друг от друга контейнера с попарно квантово запутанными частицами, а также устройство для совместного измерения частиц телепортируемого объекта с частицами одного из контейнеров. Результаты этих измерений затем дадут информацию, необходимую для манипулирования частицами второго контейнера с целью репликации объекта, – тем самым будет осуществлена его телепортация

Однако заметим, что каждый шаг этой макроскопической версии квантовой телепортации фантастичен. Объекты типа «ДеЛориана» имеют свыше миллиарда миллиардов миллиардов частиц. Хотя в экспериментах удаётся манипулировать с более чем одной парой сцепленных частиц, но эти эксперименты чрезвычайно далеки от того, чтобы набрать число частиц, характерное для макроскопических объектов. ^{199} Создание двух контейнеров сцепленных частиц находится далеко за переделами современных возможностей. Более того, совместное измерение даже двухфотонов явилось впечатляющим достижением. Сегодня даже невозможно вообразить совместное измерение миллиардов и миллиардов частиц. По современной беспристрастной оценке, можно заявить, что пройдут целые эпохи (если не вечность), прежде чем станет возможной телепортация макроскопического объекта – по крайней мере способом, описанным выше применительно к одной частице.

Но поскольку наука и техника постоянно отодвигает границы невозможного, я просто отмечу очевидное: телепортация макроскопических тел выглядит маловероятной. Но, как знать? Сорок лет назад компьютер «Энтерпрайза» тоже казался маловероятным. ^{200}

Загадки путешествия во времени

Несомненно, наша жизнь была бы другой, если телепортация была бы столь же простым делом, как почтовая пересылка или поездка на метро. Стали бы возможными невероятные путешествия, и само понятие путешествия в пространстве изменилось бы до такой степени, что скачок в удобстве и практичности привёл к фундаментальному изменению во взгляде на мир.

Но всё же воздействие телепортации на наше ощущение Вселенной было бы лишь бледной тенью по сравнению с тем переворотом, который вызвала бы возможность путешествия во времени. Всем известно, что при достаточном усилии и стремлении можно добраться, по крайней мере в принципе, в желаемую точку пространства. Хотя и существуют технологические ограничения на наши путешествия в пространстве, мы всё же путешествуем, хотя и в рамках этих ограничений, руководствуясь своим выбором и своими желаниями. Но как добраться из «сейчас» в «тогда»? Наш опыт определённо свидетельствует, что для этого существует только один маршрут: мы должны ждать – секунда за секундой, пока не наступит это «тогда». И это предполагает, что «тогда» следует за «сейчас». Если «тогда» предшествует «сейчас», то опыт говорит, что такого маршрута вообще не существует; путешествие в прошлое представляется невозможным. В отличие от путешествия в пространстве, путешествие во времени кажется чем угодно, но только не делом выбора и желания. Когда речь заходит о времени, нас тащит в одном направлении, хотим мы этого или нет.

Если бы мы могли путешествовать во времени столь же легко, как мы путешествуем в пространстве, наш взгляд на мир не просто бы изменился, а претерпел бы самый резкий сдвиг за всю историю нашего вида. Ввиду такого несомненного потрясения я часто поражаюсь тому, сколь мало людей осознают, что теоретические основы одного из видов путешествий во времени – путешествия в будущее – были заложены ещё в начале прошлого века.

Открыв природу пространства-времени в своей специальной теории относительности, Эйнштейн обрисовал схему перемещения в будущее. Если вы хотите увидеть, как будет выглядеть Земля через 1000, 10 000 или 10 млн лет, обратитесь к законам эйнштейновской физики, говорящим, как это сделать. Надо построить космический корабль, способный достигнуть скорости, скажем, 99,9999999996% от скорости света. Разогнавшись до этой скорости, вы несётесь в открытом космосе день, десять дней или чуть больше двадцати семи лет согласно вашим корабельным часам, а затем внезапно поворачиваете и летите к Земле, опять же, на предельной скорости. Когда вы вернётесь, на Земле пройдёт 1000, 10 000 или 10 млн лет. Таково бесспорное и экспериментально проверенное предсказание замедления времени с ростом скорости, о чём мы говорили в главе 3. ^{201} Конечно, поскольку мы очень далеки от того, чтобы строить космические корабли, развивающие такую скорость, то никто буквально не проверял эти предсказания. Но, как мы рассказывали ранее, замедление времени было проверено на коммерческих авиарейсах, скорость которых составляет лишь мельчайшие доли скорости света, а также на элементарных частицах, подобных мюонам, разгоняемым на ускорителях до скоростей, близких к скорости света (покоящиеся мюоны распадаются на другие частицы за две миллионные доли секунды, но чем быстрее они движутся, тем медленнее идёт их внутреннее время и тем дольше они живут с нашей точки зрения). Есть все основания полагать (и нет ни одной причины не верить в это), что специальная теория относительности верна, и даваемая ей стратегия путешествия в будущее будет работать так, как и предсказывается. Технология, а не физика, держит нас привязанными к своей эпохе. [98]98
  Хрупкость человеческого тела – другое практическое ограничение: ускорение, требующееся для достижения таких высоких скоростей за разумный промежуток времени, находится далеко за пределами того, что может выдержать тело. Также заметим, что замедление времени позволяет, в принципе, достигать невероятно отдалённых мест пространства. Если в галактику Андромеды запустить с Земли ракету, развивающую скорость в 99,999999999999999999% от скорости света, то нам потребовалось бы ждать её возвращения около 6 млн лет. Но при такой скорости время на ракете столь сильно замедляется по отношению к ходу времени на Земле, что сам космонавт по возвращении постареет только на восемь часов (если игнорировать тот факт, что космонавт не смог бы выдержать ускорение при разгоне, повороте и торможении).


[Закрыть]

Гораздо более трудные вопросы возникают, когда мы начинаем думать о другого рода путешествиях во времени – путешествиях в прошлое. Несомненно, вы знакомы с некоторыми из них. Например, есть стандартный сценарий, в котором вы путешествуете в прошлое и предотвращаете собственное рождение. Можно обойтись и без насилия – достаточно устроить так, чтобы ваши родители не встретились. Парадокс ясен: если вы никогда не рождались, то как же вы появились на свет и, в частности, перенеслись в прошлое и воспрепятствовали встрече своих родителей? Чтобы перенестись в прошлое и воспрепятствовать встрече своих родителей, вы должны были родиться; но если бы вы родились, перенеслись в прошлое и воспрепятствовали встрече своих родителей, то вы бы неродились. Мы упёрлись в логический тупик.

Сходный парадокс, предложенный философом из Оксфорда Майклом Дамметтом и подчёркнутый его коллегой Дэвидом Дойчем, дразнит ум немного другим образом, но, возможно, ещё больше сбивает с толку. Расскажу об этом парадоксе на обыденном примере. Представьте, что я создал машину времени и перенёсся на десять лет в будущее. После короткого ланча в японском ресторанчике «Тофу-для-Вас» (сеть ресторанов быстрого обслуживания, вытеснившая «Макдоналдс» после глобальной эпидемии коровьего бешенства, навсегда отбившей охоту к чизбургерам) я иду в ближайшее интернет-кафе и читаю о достижениях в теории струн за последние десять лет. И здесь меня поджидает сюрприз. Я обнаруживаю, что были решены все проблемы теории струн. Теория теперь полностью разработана и успешно используется для объяснения свойств всех известных частиц. Получено неопровержимое доказательство существования дополнительных измерений и теоретические предсказания, касающиеся суперсимметричных партнёров частиц – их массы, электрические заряды и т. д. – только что были подтверждены с помощью Большого адронного коллайдера. Больше нет никаких сомнений: теория струн является единой теорией Вселенной.

Но меня поджидает ещё больший сюрприз, когда я начинаю читать, благодаря кому достигнут столь великий прогресс. Революционная статья была написана годом ранее не кем иным, как Ритой Грин – моей матерью. Я шокирован. Не подумайте о непочтительности: моя мать – чудесная женщина, но она не учёный и не может понять, как это кто-то может быть учёным, и, к примеру, прочла лишь первые несколько страниц «Элегантной Вселенной», после чего отложила её в сторону и сказала, что из-за этой книги у неё разболелась голова. Так как же она смогла написать главную статью в теории струн? Читая её статью, я поражаюсь её простому и всё же глубочайшему прозрению и вижу в конце, что она благодарит меняза годы интенсивных занятий по физике и математике после её посещения семинара Тони Роббинса [99]99
  Один из последователей нейролингвистического программирования (НЛП), нестандартного подхода к психологии и человеческой коммуникации. Очень популярен в США благодаря своим публичным семинарам, после которых его участники запросто проходят по раскалённым углям, не получая никаких ожогов. (Прим. перев.)


[Закрыть], позволившего преодолеть ей свои внутренние страхи и пробудить в себе физика. Ну и ну, – думаю я. Она пошла на этот семинар после того, как я отправился в будущее. Лучше бы мне побыстрее вернуться в своё время, чтобы начать с ней занятия.

Ладно, я возвращаюсь в своё время и начинаю знакомить свою мать с теорией струн. Но дело идёт туго. Проходит год, проходит второй. И хотя она старается изо всех сил, прогресса почти нет. Я начинаю беспокоиться. Мы продолжаем занятия ещё пару лет, но прогресс минимален. Теперь я по-настоящему обеспокоен. Осталось не так уж много времени до того, как должна выйти та самая революционная статья. Как же она напишет её? Наконец, я принимаю важное решение. Когда в будущем я читал эту статью, она произвела на меня такое впечатление, что прочно отпечаталась в моей памяти. Так что вместо того чтобы предоставить моей матери самой делать своё открытие – что кажется всё менее и менее вероятным – я говорю ей, что написать, а затем проверяю и убеждаюсь, что она изложила всё, что я помню. Она публикует статью, и вскоре та переворачивает весь мир физики. Появляется всё, что я запомнил из своего путешествия в будущее.

А теперь загадка. Кого благодарить за революционную статью моей матери? Конечно, не меня. Я узнал о результатах, прочтя о них в статье. Но как благодарить мою мать, если она лишь записала то, что я ей сказал? Конечно, настоящий вопрос не в том, кого благодарить – вопрос в том, оттуда появилось новое знание, новое прозрение и новое понимание, представленное в статье моей матери. На кого или что можно указать и заявить: «Благодаря этому человеку или этому компьютеру появились новые результаты?» У меня, как и у моей матери, не было никаких прозрений, а никто другой не причастен к этому делу, и мы не использовали компьютер. Тем неё менее, каким-то непостижимым образом эти великолепные результаты появились в статье моей матери. Видимо, в мире, позволяющем путешествовать как в прошлое, так и в будущее, знание может материализоваться из воздуха. Это, несомненно, очень странно, хотя, возможно, и не так парадоксально, как в ситуации воспрепятствования собственному рождению.

Что же нам делать с таким парадоксом и такой странностью? Следует ли нам заключить, что хотя законы физики позволяют нам путешествовать в будущее, но любая попытка перенестись в прошлое обречена на неудачу? Некоторые думают, что это несомненно так. Но, как мы сейчас увидим, существуют пути, позволяющие обходить эти коварные вопросы. Это не означает, что путешествие в прошлое возможно – это отдельная проблема, которую мы затем вкратце рассмотрим – но это показывает, что путешествие в прошлое не может исключаться теми парадоксами, которые мы только что обсуждали.

Пересмотр загадок

Вспомним, как в главе 5 мы обсуждали течение времени с точки зрения классической физики и пришли к образу, существенно отличающемуся от нашего интуитивного представления. Аккуратные рассуждения привели нас к представлению о пространстве-времени как о глыбе льда с навечно замороженными моментами времени, в отличие от известного образа времени как реки, уносящей нас от одного момента к другому. Эти замороженные моменты группируются в представление о «сейчас» – события, произошедшие одновременно, – разными наблюдателями, движущимися друг относительно друга. Мы также использовали равнозначную метафору, в которой пространство-время рассматривается как буханка хлеба, которую можно нарезать на отдельные ломтики под различными углами.

Но, безотносительно к метафорам, урок главы 5 состоит в том, что моменты – события, составляющие блок пространства-времени, – просто существуют. Они безвременные. Каждый момент – каждое событие – существует точно так же, как существует каждая точка пространства. Моменты не приходят внезапно в жизнь при освещении их «прожектором» настоящего времени наблюдателя; такой образ согласуется с нашей интуицией, но не выдерживает логического анализа. Моменты не меняются. Моменты существуют. Освещённость этим «прожектором» – просто одно из множества свойств, составляющих момент. Это прекрасно иллюстрирует рис. 5.1, дающий хотя и не реальную, но наглядную перспективу, на которой в едином взгляде охватываются все события, составляющие историю Вселенной; они все там – неподвижные и неизменные. Различные наблюдатели не согласятся в том, какие события происходят одновременно – они нарезают блок пространства-времени под разными углами, – но весь блок в целом с составляющими его событиями буквально универсален.

Квантовая механика вносит свои поправки в этот классический взгляд на время. Например, в главе 12 мы видели, что на чрезвычайно малых масштабах пространство и пространство-время неизбежно становятся волнистыми и колеблющимися. Однако (см. главу 7) концепция времени в квантовой механике зависит от решения проблемы квантового измерения. Один из подходов к этой проблеме – многомировая интерпретация – особенно уместен для решения парадоксов, возникающих в связи с путешествиями во времени, и мы рассмотрим этот подход в следующем разделе. А пока мы останемся в рамках классической интерпретации квантовой механики и посмотрим, как с помощью представления о блоке пространства-времени можно обходить загадки, связанные с путешествием во времени.

В качестве примера рассмотрим парадокс, возникающий в том случае, если вы решите отправиться в прошлое и воспрепятствовать встрече своих родителей. Интуитивно мы представляем, как это могло бы произойти. Перед вашим путешествием в прошлое ваши родители встретились, скажем, ровно в полночь 31 декабря 1965 г. на новогодней вечеринке, а затем ваша мать родила вас. Затем, много лет спустя, вы решили переместиться в прошлое – в 31 декабря 1965 г. – и, оказавшись там, изменить события; в частности, вы намереваетесь помешать встрече ваших родителей и тем самым воспрепятствовать своему зачатию и рождению. Но давайте теперь посмотрим на это интуитивное представление с точки зрения более корректного описания времени на образе блока пространства-времени.

Сразу же видно, что по своей сути это интуитивное представление бессмысленно, поскольку в нём предполагается, что моменты могут меняться. В интуитивном представлении рисуется, что полночь 31 декабря 1965 г. «изначально» была моментом встречи ваших родителей, но ваше вмешательство «впоследствии» меняет события, так что в полночь 31 декабря 1965 г. ваших родителей разделяют целые километры, если не континенты. Проблема такой смены событий состоит в том, что моменты на самом деле не меняются; как мы видели, они просто существуют, и всё. Существует единый блок пространства-времени, постоянный и неизменный. Бессмысленно представление, что «сначала» момент был таким, а «затем» стал другим.

В вашем путешествии в 31 декабря 1965 г., когда вы якобы «оказались» там, вы всегда там и были, вы всегда там и будете, вы никогда не были не там. 31 декабря 1965 г. не наступает дважды – один раз, когда вас там нет, а второй раз – когда вы прибываете туда на машине времени. С точки зрения безвременной перспективы рис. 5.1 вы существуете – статично и неизменно – в различных точках блока пространства-времени. Если сегодня вы настраиваете свою машину времени так, чтобы она переместила вас в момент 23:50 31 декабря 1965 г., то этот момент должен быть среди всех точек пространства-времени, в которых вас можно найти. Но это значит, что ваше присутствие в канун наступающего 1966 г. является вечнойи неизменнойхарактеристикой блока пространства-времени.

Это ведёт к ещё более странным выводам, но снимает сам парадокс. Например, это значит, что вы появляетесь в блоке пространства-времени ровно в 23:50 31 декабря 1965 г., но до этого момента не будет и следа вашего существования. Это странно, но не парадоксально. Если ошарашенный парень видит, как вы внезапно появляетесь «из ниоткуда» в 23:50 и с расширенными от страха глазами спрашивает, откуда вы взялись, вы можете спокойно ответить: «из будущего». В этом сценарии, по крайней мере до сих пор, нет логических противоречий. Интереснее станет тогда, когда вы попытаетесь выполнить свою миссию и удержать своих родителей от их встречи. Что же произойдёт? Что ж, повертев блок пространства-времени, мы неминуемо придём к выводу, что вы не сможете осуществить задуманное. Применение концепции изменения к моменту времени имеет не больше смысла, чем если бы вы решили подвергнуть скалу психоанализу. Ваши родители встречаются в полночь 31 декабря 1965 г., и ничтоне может изменить это, поскольку их встреча является неизменным событием, вечно занимающим своё место в блоке пространства-времени.

Теперь, поразмыслив над этим, вы, вероятно, вспомните, что когда-то в детстве, когда вы спросили своего отца, как он сделал предложение вашей матери, он ответил, что вовсе и не собирался это делать. Он и был-то едва знаком с вашей матерью, прежде чем задал ей сокровенный вопрос. Но за десять минут до наступления Нового Года, будучи на вечеринке, он был так ошарашен внезапным появлением какого-то человека «из ниоткуда» – человека, заявившего, что пришёл из будущего, – что, повстречав вашу мать, он тут же сделал ей предложение.

Дело в том, что полный и неизменный набор событий в пространстве-времени обязательно увязывается в самосогласованное целое. Вселенная имеет смысл. Если вы отправляетесь в 31 декабря 1965 г., значит, такова ваша судьба. В блоке пространства-времени некто присутствует в 23:50 31 декабря 1965 г., но его нет там ранее. На воображаемой, внешней перспективе рис. 5.1 мы можем непосредственно увидеть это; мы также видим, что этот «некто», несомненно, – вы сами. Чтобы все эти события имели смысл, вы должныотправиться в 1965 г. Более того, с внешней перспективы рис. 5.1 нам видно, что ваш отец задаёт вам вопрос сразу после 23:50 31 декабря 1965 г., пугается, бежит от вас прочь и ровно в полночь встречается с вашей матерью; чуть дальше в блоке пространства-времени мы видим венчание ваших родителей, ваше рождение, затем ваше детство и, позднее, ваш вход в машину времени. Если путешествие в прошлое было бы возможным, мы не могли бы объяснять события некоторого времени только более ранними событиями; однако совокупность всех событий обязательно бы составляла непротиворечивую связную историю.

Как уже подчёркивалось ранее, это никоим образом не означает, что путешествие в прошлое возможно. Это лишь означает, что обозначенные парадоксы, такие как воспрепятствование собственному рождению, сами полны логических изъянов. Путешествуя в прошлое, вы сможете изменить его ничуть не больше, чем значение числа π. Если вы отправляетесь в прошлое, значит, вы уже были там, вы будете там, и всегда будете составлять часть прошлого, того самого прошлого, которое привело к тому, что вы отправились в него.

С внешней перспективы рис. 5.1 это объяснение и строгое, и связное. Обозревая совокупность событий в блоке пространства-времени, мы видим, что они сцеплены в своеобразный космический «кроссворд». Всё же, с вашей точки зрения 31 декабря 1965 г., ход событий ещё более загадочен. Выше я заявил, что даже если вы твёрдо намерены воспрепятствовать встрече своих родителей, вам никак не удастся это сделать. Вы можете наблюдать за их встречей. Вы можете даже способствовать их встрече, возможно, неумышленно, как я описал ранее. Вы можете даже несколько раз возвращаться в прошлое, каждый раз намереваясь воспрепятствовать союзу ваших родителей. Но осуществление вашего замысла означало бы изменение чего-то, по отношению к чему концепция изменения не имеет смысла.

Но даже понимая всё этого, мы не можем удержаться от вопроса: что же не даёт вам осуществить свой замысел? Если вы находитесь на новогодней вечеринке в 23:50 и видите свою мать, что мешает вам увести её? Или же, если вы видите своего молодого отца, что мешает вам – в конце концов, скажем прямо – выстрелить в него? Разве у вас нет свободы воли? Вот где, как полагают некоторые, квантовая механика может сказать своё веское слово.