Ткань космоса. Пространство, время и текстура реальности - Брайан Грин

Вычисление квантово-механических средних требует хорошей технической подготовки. Полное понимание того, как, когда и где подсчитываются средние, требует концепций, над формулировками которых физики интенсивно работают до сих пор. Но один ключевой урок может быть извлечён легко: квантовая механика представляет собой арену предельно свободного выбора: каждый возможный «выбор», который может быть сделан при переходе объекта отсюда туда, включён в квантово-механическую вероятность, связанную с соответствующим переходом.

Классическая и квантовая физика трактуют прошлое очень по-разному.

Усечение истории

С нашим классическим восприятием чрезвычайно трудно представить один неделимый объект — электрон или фотон — одновременно двигающимся вдоль более чем одного пути. Даже те из нас, кто имеет высочайший самоконтроль, с трудом бы справились с соблазном взглянуть украдкой: по какой траектории на самом деле следует по пути к детектору электрон или фотон, проходя через экран с двойной щелью или светоделитель. Почему не установить маленькие детекторы перед каждой щелью в эксперименте с двумя щелями, чтобы сказать точно, пролетает электрон через одно отверстие, через другое или через оба (в то же время оставляя электрону возможность проследовать в направлении главного детектора)? В эксперименте со светоделителем почему не поставить на каждом пути от светоделителя маленький детектор, который определит, какой путь выбрал фотон, левый, правый или оба (опять-таки, позволяя фотону сохранить движение к детектору)?

Ответ таков — вы можете ввести эти дополнительные детекторы, но если вы это сделаете, вы обнаружите два обстоятельства. Первое: каждый электрон и каждый фотон всегда будут обнаружены только одним из детекторов; так что вы можете определить, по какому пути следует каждый электрон или фотон, и вы увидите, что он всегда двигается по одному или другому пути и никогда по обоим. Второе: итоговые результаты, записанные главным детектором, изменились. Вместо того чтобы получить интерференционную картину, как на рис. 4.3б и 7.1б, вы получите результаты, ожидавшиеся классической физикой, как на рис. 4.3а. Введя новые элементы — новые детекторы, — вы непреднамеренно изменили эксперимент. И изменения таковы, что парадокс, который вы вот-вот готовы были разгадать, — пропал. Теперь вы знаете, какой путь выбрала каждая частица, откуда же взяться интерференции с другим путём, который частица демонстративно не выбрала? Причина следует немедленно из результатов последнего раздела. Ваше новое наблюдение выделило те истории, которые могли предшествовать всему, что бы могло обнаружить ваше новое наблюдение. И поскольку это наблюдение определило, какой путь выбрал фотон, мы рассматриваем только те истории, которые соответствуют прохождению по этому пути, что приводит к уничтожению возможности интерференции.

Нильс Бор обобщил это, используя свой принцип дополнительности. Каждый электрон, каждый фотон, всё, что угодно, имеет как свойства частицы, так и волновую природу. Это дополняющие друг друга свойства. Размышление только в рамках концепции обычной частицы — в которых частица движется вдоль одной-единственной траектории — неполно, поскольку оно отбрасывает волновые свойства, демонстрируемые интерференционными эффектами.[43] Размышление только в волновых рамках неполно, поскольку оно отбрасывает корпускулярные стороны явления, демонстрируемые измерениями, в которых обнаруживаются локализованные частицы, что может быть зафиксировано, например, в виде отдельной точки на экране (см. рис. 4.4). Для воссоздания полной картины явления необходимо принимать во внимание обе взаимнодополнительные стороны. В любой данной ситуации вы можете сделать одну сторону более заметной, в зависимости о того, какие вы выберете взаимодействия. Если вы позволяете электронам проходить от источника к экрану без наблюдения, могут проявиться их волновые свойства, в результате получится интерференция. Но если вы наблюдаете электрон в пути и вы знаете, какой путь он выбрал, тогда вы будете не в состоянии объяснить интерференцию. Реальность приходит на помощь. Ваше наблюдение отсекает ветви квантовой истории. Оно заставляет электрон вести себя подобно частице; поскольку частицы двигаются тем или иным путём, интерференционная картина не формируется, так что нечего и объяснять.

Природа делает фантастические вещи. Она ходит по краю. Но старательно лавирует и уклоняется от фатальных ударов логических парадоксов.

Случайность истории

Эти эксперименты поразительны. Они обеспечивают простое, но мощное доказательство того, что наш мир управляется квантовыми законами, найденными физиками в XX в., а не классическими законами, найденными Ньютоном, Максвеллом и Эйнштейном, — законами, которые мы сегодня признаём как эффективные и успешные для приблизительного описания событий в достаточно больших масштабах. Мы уже видели, что квантовые законы бросают вызов обычным представлениям о том, что происходило в прошлом, — о ненаблюдаемых событиях, которые ответственны за то, что мы видим в настоящее время. Некоторые простые вариации упомянутых экспериментов выводят наше интуитивное представление о том, как события разворачиваются во времени, на ещё более высокий, ещё более удивительный уровень.

Первый вариант называется экспериментом с отложенным выбором, и был предложен в 1980 г. выдающимся физиком Джоном Уилером. Эксперимент неожиданно наталкивает на странно звучащий вопрос: зависит ли прошлое от будущего? Отметим, что это отличается от вопроса, можем ли мы вернуться назад и изменить прошлое (это мы обсудим в главе 15). Эксперимент Уилера, который был проведён и детально проанализирован, вскрывает удивительное переплетение, взаимосвязь между событиями, которые, как мы считаем, имели место в прошлом, даже в удалённом прошлом, и событиями, которые мы рассматриваем как происходящие прямо сейчас.

Чтобы почувствовать физику, представьте, что вы коллекционер произведений искусства, и что мистер Смитерс, председатель нового Общества распространения красоты и искусств Спрингфилда, пришёл взглянуть на различные произведения, которые вы выставили на продажу. Однако вы знаете, что на самом деле его интересует «Дородный Монти», картина в вашей коллекции, которую вы никогда не считали стоящей, но которая является одной из картин, доставшихся вам по завещанию вашего любимого дядюшки Монти Бернса, так что решение продать её требует некоторых эмоциональных усилий. После прихода мистера Смитерса вы беседуете о вашей коллекции, прошедших аукционах, текущем шоу в Метрополитен; и вдруг вы узнаёте, что когда-то Смитерс был главным помощником вашего дядюшки. К концу разговора вы решаете, что хотите расстаться с «Дородным Монти»: имеется так много произведений, которые вы хотели бы иметь, и вы должны немного ограничивать себя, иначе ваша коллекция станет бесформенной. В отношении коллекционирования произведений искусства вы всегда говорили себе, что иногда качество важнее количества.

Когда вы размышляете об этом решении ретроспективно, кажется, что вы на самом деле уже решились на продажу до прихода мистера Смитерса. Хотя вы всегда имели определённую привязанность к «Дородному Монти», вы долго осторожничали в сборе всё разрастающейся коллекции, а эротически-ядерный реализм конца XX в. является устрашающей областью для любого, даже самого закалённого коллекционера. Хотя вы помните, что перед приходом вашего посетителя вы думали, что не знаете, что делать, но с вашей текущей точки зрения кажется, как если бы вы на самом деле знали. Не то чтобы будущие события повлияли на прошлые, но ваша совместная встреча с мистером Смитерсом и ваше последующее выражение желания продать картину освещают прошлое так, что возникают определённые мысли, кажущиеся со временем бесспорными. Это как если бы встреча и ваше выражение желания помогли вам признать решение, которое уже было принято и только ожидало своего выхода на сцену. Будущее помогло вам рассказать более полную историю о том, что произошло в прошлом.

Конечно, в этом примере будущие события влияют только на ваше восприятие или интерпретацию прошлого, так что события не являются ни головоломными, ни удивительными. Но эксперимент с отложенным выбором Уилера переносит это психологическое переплетение будущего и прошлого в квантовую область, где оно обретает точный смысл, но не становится от этого менее поразительным. Мы начнём с эксперимента на рис. 7.1а, изменённого путём настройки лазера так, что он испускает отдельный фотон за один раз, как на рис. 7.1б, а также путём присоединения нового детектора фотонов сразу за светоделителем. Если новый детектор выключен (см. рис. 7.2б), мы возвращаемся к исходным настройкам эксперимента и фотоны на фотографическом экране дают интерференционную картину. Но если новый детектор включён (рис. 7.2а), он указывает нам, каким путём движется каждый фотон: если он обнаруживает фотон, значит, фотон выбрал этот путь, если он не обнаруживает фотон, значит, фотон выбрал другой путь. Такая информация о выборе пути, как уже говорилось, вынуждает фотон вести себя подобно частице, так что волновая интерференционная картина больше не создаётся.