Маркус Чаун - Гравитация. Последнее искушение Эйнштейна

Если верить стандартной космологической модели, также известной как модель расширения, когда-то Вселенная была так мала, что не содержала практически никакой информации. Сегодня учёные полагают, что всё было наоборот: информации в ней было ровно столько, сколько требовалось, чтобы описать местоположение каждого атома во Вселенной. На вопрос, откуда взялась эта информация, отвечает квантовая теория, в которой информация является синонимом случайности. Каждое случайное квантовое событие, произошедшее с момента Большого взрыва, например распад радиоактивного атома, добавляет Вселенной информации и сложности. Когда Эйнштейн говорил, что Бог не играет в кости, он был абсолютно не прав. Если бы Бог не играл в кости, Вселенной вообще не было бы или по крайней мере, в ней бы не происходило ничего интересного. См. главу «Random Reality» в книге: Chown M. The Never-Ending Days of Being Dead. — London: Faber & Faber, 2007.

См. главу 7.

Heisenberg W. Physics and Philosophy. — London: Penguin Classics, 2000.

Интерференция — это определяющая характеристика волн. Если две волны накладываются друг на друга и их пики совпадают, они усиливают друг друга и происходит конструктивная интерференция. Если же высшая точка одной из волн совпадает с нижней точкой другой волны, то они гасят друг друга и происходит деструктивная интерференция. Именно этот эффект продемонстрировал опыт Томаса Юнга в 1801 году (см. главу 5).

Строго говоря, вероятность обнаружения частицы в каком-либо месте равна квадрату волновой амплитуды в определённой точке. Вероятность всегда представляет собой число от 0 до 1, где 0 соответствует нулевой вероятности, а 1 — 100%-ной.

Большинство физиков полагают, что квантовые системы изолированы и что они перестают действовать в соответствии с квантовыми законами в результате процесса, называемого декогерентностью. Важно понять, что учёные ни разу не наблюдали квантовое поведение напрямую. Когда человеческий глаз регистрирует фотон, тот оставляет свой отпечаток на сотнях атомов. Именно его воспринимает мозг (то есть, по сути, всё, что мы видим, — это мы сами). Сотни атомов трудно удержать в суперпозиции (волны прекращают накладываться друг на друга, наступает декогерентность), и квантовые свойства утрачиваются. Однако, если бы все эти атомы можно было удержать в суперпозиции, квантовые эффекты, в принципе, могли бы проявляться в любых масштабах. Сегодня физики пытаются достичь этого, например построить «квантовый компьютер», основанный на способности квантовых систем одновременно проводить множество процессов. С другой стороны, Роджер Пенроуз полагает, что квантовые эффекты не могут проявляться во всех возможных масштабах и что существует порог массы, за которым происходит переход от квантовой физики к классической. Какая из сторон права, выяснится в результате экспериментов. См.: Chown M. Quantum Theory Cannot Hurt You. — London: Faber & Faber, 2006.

Соотнесение квантового мира, где всё существует в диапазоне вероятностей, и повседневного мира, где существование каждой вещи строго определено, — это фундаментальная и глубокая задача. Существует как минимум 13 интерпретаций квантовой теории, которые пытаются сделать это, и все они предсказывают одни и те же результаты для каждого возможного эксперимента. Возможно, самой невероятной интерпретацией является теория множественных миров, предложенная Хью Эвереттом III в 1957 году. Согласно ей каждая волна в суперпозиции описывает отдельную реальность. Например, если атом кислорода находится в суперпозиции двух волн, одна из которых описывает его расположение в левой части комнаты, а вторая — в правой, на самом деле он находится в обоих местах одновременно, но в двух параллельных реальностях.

Это поразительное открытие сделал французский математик Жозеф Фурье (1767–1830), который обнаружил, что, поместив две синусоиды с разной длиной волны и в разных фазах (то есть с рассинхронизированными пиками относительно друг друга) в суперпозицию, можно создать волну абсолютно любой формы, к примеру квадратную. Можно предположить, что как атомы являются базовыми строительными блоками материи, так и синусоиды — волн.

См. главу 8.

Сам Гейзенберг по-другому объяснял свой принцип неопределённости. Он говорил, что волновая природа любого тела, благодаря которой мы можем его видеть, делает невозможным определение его местоположения. Именно это учили десятки студентов-физиков. Но Гейзенберг был не прав. Принцип неопределённости не имеет никакого отношения к измерению. Неопределённость — это внутреннее свойство субмикроскопического мира. См.: Brumfiel G. Quantum uncertainty not all in the measurement: A common interpretation of Heisenberg’s uncertainty principle is proven false // Nature. — 11 September 2012.

Представьте себе группу, которая состоит из движущихся мимо наблюдателя световых волн. Из-за существования неопределённости в её местоположении (d x ) можно предположить, что и время прохождения волн мимо наблюдателя (d t ) тоже не определено и равно d x / c , где с — это скорость света. А из-за неопределённости импульса (d p ) также возникает неопределённость энергии (d E ), равная d p × c . Так как d p × d x > ℎ/2π, следовательно, d E × d t > ℎ/2π. В данном случае волна (очень удачно) движется со скоростью света, но этот результат верен и для более общих случаев, когда волновая группа представляет квантовую частицу, хотя в этом случае демонстрация будет более сложной.

Квантовый вакуум — это неизбежный результат двух факторов, первым из которых является существование силовых полей. Как уже упоминалось, физики рассматривают фундаментальную реальность как огромное море таких полей. В этой картине, известной как теория квантового поля, фундаментальные частицы — всего лишь локализованные выступы или узелки в поле. Электромагнитное поле изучено лучше всего, а также имеет наибольшее влияние на наш мир, потому что именно оно соединяет атомы в наших телах (и прочих предметах) воедино. Электромагнитное поле может колебаться бесчисленным количеством различных способов, и каждый вид осцилляции соответствует волне с определённой длиной. Представьте себе морские волны, которые могут быть как огромными валами, так и лёгкой рябью. Можно интуитивно предположить, что в космическом вакууме вообще нет электромагнитных волн, и это было бы действительно так, если бы не одна небольшая оговорка в принципе неопределённости Гейзенберга. Это, казалось бы, невинное утверждение имеет огромные последствия, так как требует, чтобы каждая из бесконечного количества осцилляций электромагнитного поля имела минимальный уровень энергии в соответствии с принципом неопределённости. Иными словами, существование каждого варианта колебаний — это не вероятность, а точный факт. Итак, квантовый вакуум вовсе не пуст. Наоборот, в нём наблюдается невероятная концентрация энергии, даже бо́льшая, чем внутри атомного ядра. Мы не замечаем этого по той же причине, по которой не видим воздух: он повсюду одинаковый.