Коллектив авторов - Квантовый мир. Невероятная теория в самом сердце мироздания

Рис. 7.5. Понимание квантовой таинственности может помочь в получении правильной перспективы.

И все же осторожность по-прежнему необходима. Прежде всего исследователи по-прежнему пытаются разработать метод, позволяющий проследить эволюцию квантовой системы. Для этого им нужно понять, где конкретные свойства, например масса частицы, подходят под их описание. Если они смогут сделать все правильно, это может дать больше, чем просто обоснование квантовой теории: возможно, это откроет новый путь к объединению общей теории относительности с квантовой механикой. Этот метод может привести нас к описанию квантовой гравитации, которую давно мечтают создать «теоретики всего».

Одним альтернативным объяснением тонкостей суперпозиции является идея, что волновые функции могут коллапсировать случайно, сами собой. Такой объективный коллапс был бы редким, но поразительным явлением. Ждите коллапс волновой функции одиночной частицы – и, возможно, вы будете ждать дольше, чем просуществует Вселенная. Но если собрать вместе много частиц, то ваши шансы быстро возрастут. С несколькими миллиардами частиц, возможно, вам придется ждать всего лишь несколько секунд до того, как волновая функция одной из них сколлапсирует и запустит коллапс остальных.

Это предположение могло бы объяснить многие непонятные явления и нерешенные задачи квантовой теории. Мы не видим призрачные квантовые эффекты у больших объектов, например котов или Луны, потому что при таком количестве взаимодействующих частиц их волновые функции легко коллапсируют или вообще не образуются. А в ранней Вселенной было лишь вопросом времени, когда волновая функция вещества сколлапсирует в неравномерное распределение, из которого образуются звезды и галактики.

Теория объективного коллапса также имеет интуитивное объяснение и для проблемы наблюдателя. Человеческое тело состоит из более чем одного миллиарда миллиардов миллиардов атомов, которые содержат еще большее число частиц. Наблюдатель, влезающий даже в надежно изолированную квантовую аппаратуру, становится квантово запутанным с ней, и их сколлапсировавшая волновая функция затем заставляет любую находящуюся поблизости несколлапсировавшую волновую функцию тоже коллапсировать.

Также дает о себе знать и спонтанный коллапс волновой функции. Когда волновая функция исчезает, на ее месте возникает нечто новое – определенное положение, количество информации или импульс энергии. Каждый коллапс выпускает лишь крохотное количество энергии, так что в повседневных масштабах мы его не замечаем. Но во Вселенной в целом это создание энергии довольно значительно. Возможно, оно даже решит величайшую космологическую головоломку всех времен и народов – раскроет природу до сих пор не объясненной «темной энергии», которая, по всей видимости, приводит к ускорению расширения Вселенной (см. главу 8).

Для объяснения рождения и роста нашей Вселенной мы в течение века полагались на теорию относительности Эйнштейна, а именно на общую теорию относительности. Но пришло время идти дальше. Сейчас понятия квантовой механики начали просачиваться из их храма физики частиц, чтобы присоединиться к теории относительности на бескрайних межзвездных пространствах. И хотя подлинная космическая роль кванта остается туманной – речь идет о недоказанных теориях и догадках, связанных с кротовыми норами, черными дырами и суперструнами, – множество физиков считают, что эти необыкновенные новые идеи предвещают долгожданное объединение теории квантовой гравитации, которая вконце концов раскроет причины Большого взрыва иприроду пространства ивремени.

Мы живем в квантовой Вселенной. Посмотрите внимательно вокруг, и вы обнаружите, что все мы являемся запутанными волнами комплексной вероятности. В большинстве разделов физики основополагающая квантовая реальность демонстрирует невиданное богатство мира, в котором мы живем. Все частицы, обнаруженные нами, вместе с электромагнитными и ядерными силами описываются квантовой теорией поля, которая может предсказать результаты каждого эксперимента, который когда-либо был или будет проведен. Но есть одна область физики, где введение законов квантовой механики приносит больше головной боли, чем пользы, – это гравитация.

Исаак Ньютон был первым, кто предложил закон физики, описывающий гравитацию. Однако наше современное понимание исходит от Альберта Эйнштейна, чья общая теория относительности учит нас, что гравитация, которую мы знаем, – на самом деле изгиб и искривление пространства и времени. Мы не можем отделить гравитацию от пространственно-временной арены, на которой мы живем. Чтобы примирить квантовую механику с гравитацией, нам нужно разобраться, как законы квантовой механики с их случайностью и неопределенностью могут быть применимы к пространству и времени. Это – вызов квантовой гравитации.

Если вас интересуют подробности только тех процессов, что задействуют малые объемы энергии, то будет довольно просто последовательно совместить общую теорию относительности и квантовую механику в область, которая называется эффективной теорией поля. Но при манипуляции высокими энергиями все становится сложнее. Принцип неопределенности Гейзенберга говорит нам, что положение частицы немного размыто – вы никогда не сможете сказать наверняка, где она находится. В квантовой гравитации те же идеи распространяются на пространство и время. Место, где вы сидите, постоянно флуктуирует, поскольку испытывает квантовые дрожания. То же самое относится и к «теперь», которое вы переживаете. Рассматривая их на достаточно больших расстояниях и временных отрезках, мы просто не замечаем эти флуктуации. Именно в этом случае работает эффективная теория поля. Но как только мы уменьшаем масштабы, случайность усиливается, при этом пространство и время испытывают более бурные флуктуации. Цель квантовой гравитации – разобраться в этих флуктуациях на малых масштабах.

В науке мы обычно проводим опыты, чтобы продвинуться вперед, но в случае квантовой гравитации это несколько затруднительно. Нашим самым мощным микроскопом является Большой адронный коллайдер – ускоритель частиц на встречных пучках в ЦЕРН в Женеве. Рабочий масштаб его исследования Вселенной составляет 10 –20метров. Каким бы он ни был крохотным, это все равно в миллион миллиардов раз больше масштаба, на котором мы ожидаем заметить флуктуации пространства и времени. В настоящее время наши лучшие эксперименты пока далеки от наблюдения эффектов квантовой гравитации.