Брайан Грин. Ткань космоса: Пространство, время и структура реальности - Брайан Грин

Никто не знает. Но посмотрим, как далеко мы можем зайти и что за этим может последовать.

15 Телепортаторы и машины времени

Возможно, я просто испытывал недостаток фантазии давно в 1960е, но что на самом деле поразило меня, как невероятное, был компьютер на борту Энтерпрайза из сериала "Звездный путь". Моя восприимчивость времен начальной школы выдавала поэтическое разрешение на деформирующий пространство двигатель и на вселенную, населенную инопланетянами, говорящими на беглом английском. Но машина, которая могла – по запросу – немедленно показать картинку любого исторического персонажа, который когда-либо жил, дать техническую спецификацию для любой части оборудования, когда либо построенного, или обеспечить доступ к любой книге, когда-либо написанной? Это напрягало мои способности до отвергающего недоверия. В поздние 1960е этому ребенку было ясно, что никогда не может быть найден способ собрать, сохранить и подготовить доступ к такому богатству информации. Но, однако, менее чем через полстолетия я могу сидеть здесь на своей кухне с ноутбуком, беспроводным интернет-соединением и вызываемым голосом программным обеспечением и играть роль капитана Кирка, листая обширные хранилища знаний, – от основополагающих до легкомысленных, – не пошевелив и пальцем. Верно, скорость и эффективность компьютеров, изображенных в мире Звездного Пути двадцать третьего столетия, все еще вызывает зависть, но легко предугадать, что когда наступит та эра, наша технология превзойдет представленные ожидания.

Этот пример лишь один из многих, которые сделались штампом способностей научной фантастики предсказывать будущее. Но что может быть более манящим из всей массы приборов, чем те, в которых что-либо помещается в камеру, поворачивается переключатель и оно транспортируется в далекое место или иное время? Возможно ли, что мы однажды будем освобождены от скудного пространственного простора и временной эпохи, к которым мы были так долго привязаны, и узнаем самые удаленные сферы пространства и времени? Или это отличие между научной фантастикой и реальностью останется навсегда? Уже узнав о моей детской неспособности предвидеть информационную революцию, вы можете проверить мою способность предсказать будущие технологические прорывы. Итак, вместо того, чтобы рассуждать о вероятности того, что может быть, в этой главе я буду описывать, как далеко мы на самом деле зашли, как в теории, так и в практике, в направлении осуществления телепортаторов и машин времени, и что надо будет получить, чтобы идти дальше и добиться контроля над пространством и временем.

Телепортация в квантовом мире

В общепринятых описаниях научной фантастики телепортатор (или на сленге Звездного Пути, транспортер) сканирует объект, чтобы определить его детальное строение, и посылает информацию в удаленное место, где объект воссоздается. "Дематериализуется" ли сам объект, а его атомы и молекулы посылаются вдаль с шаблоном для обратной сборки их вместе, или используются атомы и молекулы, расположенные в точке приема, для выстраивания точной копии объекта, варьируется от одного фантастического воплощения к другому. Как мы увидим, научный подход к телепортации, разработанный в последнее десятилетие, ближе по духу к последней категории, и это вызывает два существенных вопроса. Первый является стандартной, но тяжелой философской головоломкой: Когда, если вообще когда-либо, точная копия должна быть идентифицирована, названа, рассмотрена или воспринята, как если бы она была оригиналом? Второй вопрос, является ли возможным, хотя бы в принципе, проверить объект и определить его строение с полной точностью, так, чтобы мы могли составить совершенный шаблон, по которому объект будет восстановлен?

Во вселенной, управляемой законами классической физики, ответ на второй вопрос должен быть – да. В принципе, атрибуты каждой частицы, составляющей объект, – идентичность, положение, скорость каждой частицы и так далее, – могут быть измерены с полной точностью, переданы в удаленное место и использованы как инструктивное руководство для воссоздания объекта. Сделать это для объекта, состоящего более чем из просто горстки элементарных частиц, должно быть до смешного за пределами досягаемости, но в классической вселенной преградой будет сложность, но не физика.

Во вселенной, управляемой законами квантовой физики – нашей вселенной – ситуация намного более тонкая. Мы узнали, что акт измерения выделяет один из мириадов потенциальных атрибутов объекта, чтобы избавиться от квантового тумана и получить определенную величину. Когда мы наблюдаем частицу, например, определенные свойства, которые мы видим, не отражают в общем случае туманную квантовую смесь атрибутов, которую она имеет в момент перед тем, как мы бросили взгляд.[1] Таким образом, если мы хотим скопировать объект, мы встанем перед лицом квантовой ловушки. Чтобы скопировать, мы должны произвести наблюдение, так мы узнаем, что копировать. Но акт наблюдения вызывает изменения, так что, если мы копируем то, что мы видим, мы не копируем то, что было перед тем, как мы посмотрели. Это наводит на мысль, что телепортация в квантовой вселенной недостижима не просто вследствие практических ограничений, возникающих из сложности, а вследствие фундаментальных ограничений, присущих квантовой физике. Тем не менее, как мы увидим в следующей секции, в начале 1990х международная ко физиков нашла оригинальный способ обойти это заключение.

Что касается первого вопроса, безотносительно к взаимоотношениям между копией и оригиналом, квантовая физика дает ответ, который и точный, и ободряющий. В соответствии с квантовой механикой каждый электрон во вселенной идентичен любому другому, так как все они имеют точно одинаковую массу, точно одинаковый электрический заряд, точно одинаковые свойства слабого и сильного ядерных взаимодействий и точно одинаковый полный спин. Более того, наше хорошо проверенное квантовомеханическое описание говорит, что этим исчерпываются атрибуты, которые электрон может иметь; электроны все одинаковы по отношению к своим свойствам, и больше не имеется свойств для рассмотрения. В том же смысле каждый up-кварк такой же, как и любой другой up-кварк, каждый down-кварк такой же, как и любой другой down-кварк, каждый фотон такой же, как и любой другой фотон, и так далее для всех других видов частиц. Как было обнаружено квантовыми практиками много десятилетий назад, частицы могут рассматриваться как самые мелкие из возможных пакетов поля (например, фотоны являются мельчайшими пакетами электромагнитного поля), и квантовые физики показали, что такие мельчайшие составляющие одного и того же поля всегда идентичны. (Или, в схеме теории струн, частицы одного вида имеют одинаковые свойства, поскольку они являются одинаковыми колебаниями единственного вида струн).

Что может отличаться у двух частиц одного вида, так это вероятности, что они находятся в различных положениях, вероятности, что их спины направлены в особых направлениях, и вероятности, что они имеют особые скорости и энергии. Или, как более лаконично говорят физики, две частицы могут иметь различные квантовые состояния. Но если две частицы одного вида находятся в одинаковом квантовом состоянии, – исключая, возможно, то, что одна частица имеет высокую вероятность быть здесь, а другая частица имеет высокую вероятность быть вон там, – законы квантовой механики гарантируют, что они неразличимы, не только на практике, но и в принципе. Они совершенные близнецы. Если кто-то поменяет положения частиц (более точно, поменяет вероятности того, что две частицы находятся в любом данном положении), то не будет никакого способа отличить это.

Таким образом, если мы представим, что в начале частица находится здесь,* и как-то поместим другую частицу того же вида в точно таком же квантовом состоянии (с той же вероятностью ориентации спина, энергией и так далее) в некоторое удаленное место, итоговая частица будет неотличима от оригинальной, и процесс будет в точности тем, что называется квантовой телепортацией. Конечно, если оригинальная частица сохраняется в процессе нетронутой, вы можете захотеть назвать процесс квантовым клонированием или, возможно, квантовым факсимильным копированием. Но, как мы увидим, научная реализация этих идей не защищает оригинальную частицу, – она неизбежно модифицируется во время процесса телепортации, – так что мы не столкнемся с этой таксономической дилеммой.

(*) "Поскольку телепортация начинается с чего-то, находящегося здесь, и пытается сделать так, чтобы оно появилось в удаленном месте, в этой секции я часто буду говорить, как если бы частицы имели определенные положения. Чтобы быть более точным, я всегда должен говорить "начиная с частицы, которая имеет высокую вероятность находиться здесь" или "начиная с частицы, которая имеет 99 процентов шансов находиться здесь" с аналогичным языком, используемым, когда частица телепортирована, но для целей краткости я использую неточный язык."