Ткань космоса: Пространство, время и структура реальности (стр. 13 )

Итак, прекращая недоверие и усердно следуя законам физики и математики энтропии – концепциям, которые в совокупности говорят нам, что подавляюще более вероятно беспорядок будет возрастать как в будущее, так и в прошлое от любого заданного момента, – мы по шею погружаемся в зыбучий песок. И хотя это не может казаться приятным, по двум причинам это очень хорошая вещь. Во-первых, это показывает точно, почему недоверие к памяти и записям – нечто, над чем мы интуитивно насмехаемся, – не имеет смысла. Во-вторых, достигнув точки, где все наши аналитические построения оказались на грани коллапса, мы убедительно осознали, что мы должны были оставить нечто важное за пределами наших рассуждений.

Следовательно, чтобы избежать пучины объяснений, мы спросим себя: какие новые идеи или концепции помимо энтропии и симметрии законов природы относительно обращения времени нам нужны, чтобы вернуться к доверию к нашей памяти и нашим записям, – нашим ощущениям, что кубик льда при комнатной температуре тает, но не кристаллизуется, что сливки и кофе смешиваются, но не разделяются, что яйца разбиваются, но не восстанавливаются? Короче говоря, куда нас заведет, если мы пытаемся объяснить асимметричное разворачивание событий в пространстве-времени с энтропией, которая выше по направлению в наше будущее, но с энтропией, которая ниже по направлению в наше прошлое? Возможно ли это? Возможно. Но только если вещи имели весьма специфическое прошлое.[14]

(*)"Тесно связанный с этим момент заключается в том, что если мы должны убедиться, что мир, который мы видим прямо сейчас, только что образовался из полного беспорядка, то точно такие же рассуждения, – привлекаемые когда-нибудь позже, – потребуют от нас отказаться от наших текущих убеждений и, напротив, объяснить упорядоченный мир еще более ранней флуктуацией. Так что, на этом пути размышлений каждый следующим момент сводит на нет убеждения, содержащиеся в каждом предыдущем моменте, – очевидно невнятный способ объяснения космоса."

Яйцо, курица и Большой взрыв

Чтобы увидеть, что это означает, выберем в качестве примера изначальное низкоэнтропйное полностью сформированное яйцо. Как такая низкоэнтропийная физическая система возникла? Ну, возвратив назад доверие к нашей памяти и записям, мы все знаем ответ. Что яйцо возникает из курицы. И что курица появляется из яйца, которое появляется из курицы, которая появляется из яйца, и так далее. Но, как наиболее явно было подчеркнуто английским математиком Роджером Пенроузом,[15] эта история куриц и яиц на самом деле учит нас кое-чему глубокому и приводит к чему-то ясному.

Курица или, в этом смысле, любой живой организм есть физическая система с поразительно высокой упорядоченностью. Откуда возникла эта организация и как она поддерживается? Курица остается живой и, в особенности, остается живой достаточно долго, чтобы произвести яйца, питаясь и дыша. Пища и кислород обеспечивают ряд материалов, из которых живой организм извлекает требуемую ему энергию. Но имеется критическое свойство этой энергии, которое необходимо подчеркнуть, если вы в самом деле понимаете, что происходит. По ходу своей жизни курица, которая остается здоровой, принимает как раз примерно столько энергии в форме пищи, сколько она возвращает в окружающую среду, главным образом, в форме тепла и других отходов, генерируемых ее метаболическими процессами и ежедневной деятельностью. Если бы не было такого баланса между приходящей и уходящей энергией, курица становилась бы все более тяжелой.

Существенный момент, однако, в том, что все формы энергии не эквивалентны. Энергия, которую курица выдает наружу в окружающую среду в форме тепла в высшей степени неупорядочена – она чаще приводит к тому, что некоторые молекулы воздуха, тут и там толкущиеся вокруг, сталкиваются более интенсивно, чем в противном случае. Такая энергия содержит высокую энтропию – она распылена и перемешана с окружающей средой – и поэтому не может быть легко приспособлена для каких-либо полезных целей. Напротив, энергия, которую курица получает из ее пищи, имеет низкую энтропию и готова к использованию для важной деятельности по поддержанию жизни. Так курица, а фактически, всякая форма жизни является каналом для сбора низкоэнтропийной энергии и выдачи наружу высокоэнтропийной энергии.

Это осмысление сдвигает вопрос о том, откуда возникла низкая энтропия яйца, дальше на один шаг назад. Как получается, что источник энергии для курицы, пища, имеет столь низкую энтропию? Как мы объясним этот аномальный источник порядка? Если пища животного происхождения, мы приходим назад к исходному вопросу, как животные имеют такую низкую энтропию. Но если мы проследуем по пищевой цепочке, мы, в конечном счете, придем к животным (вроде меня), которые едят только растения. Как растения и производимые ими плоды и овощи поддерживают низкую энтропию? Через фотосинтез растения используют солнечный свет, чтобы разделить внешний углекислый газ на кислород, который возвращается назад в окружающую среду, и углерод, который растения используют для роста и цветения. Так мы можем проследить низкоэнтропийные источники энергии неживотного происхождения до Солнца.

Это передвигает вопрос объяснения низкой энтропии еще дальше на шаг назад: откуда взялось наше высокоупорядоченное Солнце? Солнце сформировалось около 5 миллиардов лет назад из первичного рассеянного облака газа, которое начало вращаться и сгущаться под воздействием взаимного гравитационного притяжения всех его составляющих частей. По мере того, как газовое облако становилось плотнее, гравитационное притяжение одной части к другой становилось сильнее, приводя облако в дальнейшем к схлопыванию в себя. И по мере того, как гравитация сильнее стискивала облако, оно разогревалось. В конечном счете, оно разогрелось достаточно, чтобы инициировались ядерные процессы, что сгенерировало достаточную уходящую вовне радиацию, чтобы помешать дальнейшему гравитационному сжатию газа. Родилась горячая, стабильная, ярко сияющая звезда.

Тогда откуда возникло рассеянное облако газа? Оно, вероятно, сформировалось из остатков старых звезд, которые достигли конца своей жизни, став сверхновыми, и исторгли свое содержимое в пространство. Откуда взялся рассеянный газ, отвечающий за появление этих ранних звезд? Мы верим, что газ сформировался как последствие Большого взрыва. Наши самые усовершенствованные теории возникновения вселенной – наши самые лучшие космологические теории – говорят нам, что в момент, когда вселенная была в возрасте пары минут, она была заполнена почти однородным горячим газом, состоящим грубо на 75 процентов из водорода, на 23 процента из гелия и из небольших количеств дейтерия и лития. Существенным моментом является то, что этот газ, заполняя вселенную, имел экстраординарно низкую энтропию. Большой взрыв дал старт вселенной в состоянии низкой энтропии, и это состояние явилось источником упорядоченности, которую мы видим в настоящее время. Иными словами, текущий порядок является космологическим реликтом. Теперь обсудим это важное объяснение немного более детально.

Энтропия и гравитация

Поскольку теория и наблюдения показывают, что в течение нескольких минут после Большого взрыва изначальный газ был однородно распределен по юной вселенной, вы можете подумать, обратившись к нашей ранней дискуссии о бутылке колы и ее молекулах углекислого газа, что изначальный газ был в высокоэнтропийном, неупорядоченном состоянии. Но это оказывается не верно. Наша ранняя дискуссия об энтропии, полностью игнорирующая гравитацию, делала здравую вещь, поскольку гравитация почти не играет роли в поведении минимальных количеств газа, выходящего из бутылки колы. И при этом предположении мы нашли, что однородно распределенный газ имеет высокую энтропию. Но когда имеет значение гравитация, история существенно отличается. Гравитация есть универсальная притягивающая сила; поэтому, если вы имеете достаточно большую массу газа, каждая область газа будет подталкиваться к каждой другой, и это заставит газ распасться на сгущения, что в некоторой степени подобно фрагментации воды на капельки на листе вощеной бумаги, вызванной поверхностным натяжением. Когда гравитация имеет значение, как это было в высокоплотной ранней вселенной, сваливание в кучу – а не однородность – является нормой; это и есть состояние, в направлении которого газ будет стремиться эволюционировать, как показано на Рис.6.5.

Даже если сгущения возникают более упорядоченными, чем исходный рассеянный газ – почти как игровая комната с игрушками, которые аккуратно разложены в сундуки и ящики, более упорядочена, чем комната, в которой игрушки однородно разбросаны по полу, – в расчете энтропии вам надо подсчитать вклады от всех источников. Для игровой комнаты уменьшение энтропии в процессе движения от дико разбросанных игрушек к игрушкам, которые все "упакованы" в сундуки и ящики, более чем компенсируется ростом энтропии от распадающегося жира и выделяемого тепла от родителей, которые потратили часы, чтобы все вычистить и привести в порядок. Аналогично, в первичном рассеянном газовом облаке вы найдете, что уменьшение энтропии при формировании упорядоченных сгущений более чем компенсируется за счет выделения тепла при сжатии газа и, в конце концов, за счет огромного количества тепла и света, высвобождающегося, когда начинают иметь место ядерные процессы.

Рис 6.5 Для гигантских объемов газа, когда гравитация имеет значение, атомы и молекулы эволюционируют из однородной равномерно распределенной конфигурации в конфигурацию, включающую все большие и все более плотные сгущения.

Это важный момент, который временами упускается из вида. Подавляющее стремление в направлении беспорядка не означает, что не могут формироваться организованные структуры вроде звезд и планет или организованные формы жизни вроде растений и животных. Могут. И, очевидно, формируются. Что определяет второй закон термодинамики, так это то, что при формировании порядка в целом происходит более чем компенсирующее генерирование беспорядка. Итог таблицы энтропийного баланса все еще находится в пассиве, даже если определенные составляющие становятся более упорядоченными. И из фундаментальных сил природы гравитация единственная, которая использует это свойство энтропии во всей полноте. Поскольку гравитация действует через громадные расстояния и является универсально притягивающей силой, она подстегивает формирование упорядоченных сгущений – звезд – которые испускают свет, который мы видим на чистом ночном небе, в полном согласии с итоговым балансом в пользу роста энтропии.

Чем более сжаты, плотны и массивны сгущения газа, тем больше общая энтропия. Черные дыры, наиболее экстремальная форма гравитационного сгущения и сжатия во вселенной, доводят это до предела. Гравитационное притяжение черной дыры настолько сильно, что ничто, даже свет, не может вырваться, что объясняет, почему черные дыры являются черными. Итак, в отличие от обычных звезд, черные дыры непреклонно удерживают всю энтропию, которую они произвели: ничто не может спастись от мощнейшего гравитационного захвата черной дыры.[16] Фактически, как мы будем обсуждать в Главе 16, ничто во вселенной не содержит больше беспорядка – больше энтропии – чем черная дыра.* Этому можно придать хороший интуитивный смысл: высокая энтропия означает, что огромное количество перестановок составляющих объекта проходят незамеченными. Поскольку мы не можем видеть внутренность черной дыры, для нас невозможно отследить любую перегруппировку ее составляющих, – какими бы ни были эти составляющие, – и отсюда черная дыра имеет максимальную энтропию. Когда гравитация доводит свою силу до предела, она становится самым эффективным генератором энтропии в известной вселенной.

(*)"Это значит, что черная дыра заданного размера содержит больше энтропии, чем все что угодно другое того же размера."

Теперь мы подошли к месту, где рулетка окончательно остановилась. Исходным источником порядка, низкой энтропии должен быть сам Большой взрыв. В ее самые ранние моменты, вместо того, чтобы быть заполненной чудовищными контейнерами энтропии вроде черных дыр, как мы ожидали из вероятностного рассмотрения, по некоторым причинам рождающаяся вселенная была заполнена горячей, однородной, газовой смесью водорода и гелия. Хотя эта конфигурация имеет высокую энтропию, когда плотность настолько низка, что мы можем игнорировать гравитацию, ситуация иная, когда гравитация не может быть проигнорирована; тогда такой однородный газ имеет экстремально низкую энтропию. По сравнению с черными дырами, рассеянный почти однородный газ был в состоянии с экстраординарно низкой энтропией. С тех пор всегда, в соответствии со вторым законом термодинамики, общая энтропия вселенной постепенно становится выше и выше; общее итоговое количество беспорядка постепенно возрастает. После примерно миллиарда лет или около того гравитация заставила изначальный газ сгуститься, и сгущения в конце концов сформировали звезды, галактики и некоторые более легкие сгущения, которые стали планетами. По меньшей мере одна такая планета имеет рядом звезду, которая обеспечивает относительно низкоэнтропийный источник энергии, который позволяет низкоэнтропийным формам жизни развиваться, и среди таких форм жизни со временем возникла курица, которая отложила яйцо, которое нашло свой путь к вашему кухонному столу и, к вашему огорчению, это яйцо продолжило неотвратимую траекторию к состоянию с более высокой энтропией, скатившись со стола и разбившись об пол. Яйцо разбивается скорее, чем восстанавливается, поскольку это продолжение стремления вперед к более высокой энтропии, которое было инициировано состоянием с экстраординарно низкой энтропией, с которого началась вселенная. Потрясяющий порядок в начале – это то, с чего все стартовало, и мы с тех пор живем всегда через последовательное разворачивание в направлении более высокого беспорядка.

В этом ошеломляющая связь, которую мы выводили на протяжении целой главы. Разбивающееся яйцо говорит нам нечто глубокое о Большом взрыве. Оно говорит нам, что Большой взрыв дал начало экстраординарно упорядоченному нарождающемуся космосу.

Та же идея применима ко всем другим примерам. Причина, по которой подбрасываемые заново в воздух нескрепленные страницы Войны и мира приходят в состояние высшей энтропии, в том, что они исходно начинали в такой высоко упорядоченной низкоэнтропийной форме. Их начальная упорядоченная форма подготовила их к росту энтропии. И напротив, если страницы изначально были полностью вне числового порядка, подбрасывание их в воздух вряд ли внесет разницу, влияющую на энтропию. Так что еще раз возникает вопрос: как они становятся такими упорядоченными. Ну, Толстой написал их и представил в таком порядке, а печатник и переплетчик следовали его инструкциям. А высоко упорядоченные тело и ум Толстого и издателей книги, которые позволили им по очереди создать том такого высокого порядка, могут быть объяснены путем следования той же цепочке рассуждений, которую мы уже прошли для яйца, что еще раз приведет нас назад к Большому взрыву. Как насчет частично растаявших кубиков льда, которые вы видели в 10:30 вечера? Теперь, раз уж мы доверяем памяти и записям, вы вспомните, что еще перед 10:00 вечера бармен кинул сформированные кубики льда в ваш стакан. Он взял кубики льда из морозильника, который был разработан умелым инженером и изготовлен талантливым механиком, которые способны создавать нечто такого высокого порядка потому, что они сами являются высоко организованными формами жизни. И опять мы последовательно приводим их высокую организацию к высоко упорядоченному началу вселенной.

Необходимое добавление

Откровение, к которому мы пришли, заключается в том, что мы можем доверять нашей памяти о прошлом с более низкой, а не более высокой энтропией, только если Большой взрыв – процесс, событие или явление, которое привело вселенную к существованию, – дал старт вселенной в экстраординарно специфическом, высоко упорядоченном состоянии с низкой энтропией. Без этого важного добавления наши ранние рассуждения, что энтропия должна расти как в будущее, так и в прошлое от любого заданного момента, приводят нас к заключению, что весь порядок, который мы видим, возник из случайной флуктуации из обыкновенного неупорядоченного состояния высокой энтропии, к заключению, которое, как мы видели, подрывает сами рассуждения, на которых оно основано. Но включая в наш анализ маловероятную низкоэнтропийную начальную точку вселенной, мы теперь видим, что корректное заключение таково, что энтропия растет по направлению в будущее, поскольку вероятностные рассуждения полностью работают и не имеют противоречий в данном направлении; но энтропия не растет в прошлое, поскольку это использует возможность, входящую в конфликт с нашим новым условием, что вселенная начиналась в состоянии с низкой, а не высокой, энтропией.[17] Так что условия рождения вселенной оказываются решающими для направления стрелы времени. Будущее в самом деле есть направление роста энтропии. Стрела времени – факт, что вещи начинаются подобно этому и заканчиваются подобно тому, но никогда не начинаются подобно тому и не заканчиваются подобно этому, – начинает свой полет в высоко упорядоченном, низкоэнтропийном состоянии вселенной при ее зарождении.[18]

Остающаяся загадка

То, что ранняя вселенная задает направление стреле времени, является чудесным и вызывающим удовлетворение заключением, но мы не все сделали. Остается огромная загадка. Как так получилось, что вселенная началась в такой высокоупорядоченной конфигурации, организовав вещи так, чтобы на протяжении миллиардов лет следовать порядку, когда все может медленно эволюционировать через равномерно менее упорядоченные конфигурации по направлению ко все более и более высокой энтропии? Не надо упускать из вида, насколько это поразительно. Как мы отмечали, с точки зрения вероятности намного более естественным было бы то, что частично растаявшие кубики льда, которые вы видели в 10:30 вечера, стали такими в результате статистической флуктуации, возникшей в стакане жидкой воды, чем что они начались с еще менее вероятного состояния полностью сформированных кубиков льда. А что верно для кубиков льда, то в несметное количество раз более верно для целой вселенной. Говоря на языке вероятности, в захватывающей дух степени более вероятно, что все, что мы сейчас видим во вселенной возникло из редкого, но всеми-так-часто-ожидаемого статистического отклонения от полного беспорядка, а не медленно эволюционировало из еще более маловероятной, неправдоподобно более упорядоченной, поразительно низкоэнтропийной стартовой точки, которую требует Большой взрыв.[19]

И еще, когда мы разбирались со случайностями и представляли, что все скачком стало существовать за счет статистической флуктуации, мы оказались в затруднительном положении: что, грубо говоря, тогда означают сами законы физики? Так мы склонились к сопротивлению случаю и пришли к низкоэнтропийному Большому взрыву как к объяснению стрелы времени. Теперь загадка в том, чтобы объяснить, как началась вселенная в такой маловероятной, высоко упорядоченной конфигурации. Это и есть вопрос, к которому привела стрела времени. Все это сводится к космологии.[20]

Мы будем заниматься детальным обсуждением космологии в Главах с 8 по 11, но сначала отметим, что наше обсуждение времени страдает серьезным дефектом: все, что мы говорили, основывалось исключительно на классической физике. Теперь рассмотрим, как квантовая механика влияет на понимание времени и наши поиски его стрелы.

7 Время и кванты

ПРОНИКНОВЕНИЕ В ПРИРОДУ ВРЕМЕНИ ИЗ КВАНТОВОЙ ОБЛАСТИ

Когда мы думаем о чем-то, подобном времени, о чем-то, внутри чего мы находимся, о чем-то, что полностью включено в наше повседневное существование, о чем-то настолько всепроникающем, то невозможно отключиться – даже на мгновение – от общепринятого языка, наши рассуждения формируются под определяющим влиянием наших ощущений. Эти повседневные ощущения являются классическими; с высокой степенью точности они соответствуют законам физики, установленными Ньютоном более чем три столетия назад. Но из всех открытий в физике за последние сто лет квантовая механика идет дальше и глубже самых потрясающих, поскольку она подрывает всю концептуальную схему классической физики.

Так что стоит расширить наши классические ощущения путем рассмотрения некоторых экспериментов, которые обнаруживают удивительные особенности того, как квантовые процессы разворачиваются во времени. В этом широком смысле мы продолжим далее обсуждение предыдущей главы и поинтересуемся, есть ли стрела времени в квантовомеханическом описании природы. Мы получим ответ, но такой, который все еще дискуссионен даже среди физиков. И он еще раз приведет нас назад, к истокам вселенной.

Прошлое в соответствии с квантовым подходом

Вероятность играла центральную роль в последней главе, но я пару раз акцентировал внимание на том, что она возникает только вследствие ее практического удобства и полезности информации, которую она предоставляет. Отслеживание точного движения 1024 молекул Н2О в стакане воды находится далеко за пределами наших вычислительных возможностей, и, даже если бы это было возможно, что мы стали бы делать с итоговой горой данных? Определить из списка, содержащего 1024 положений и скоростей, были ли кубики льда в стакане, будет геркулесовой задачей. Так что вместо этого мы обращаемся к вероятностным рассуждениям, которые вычислительно доступны и, более того, имеют дело с макроскопическими свойствами – порядок против беспорядка; например, лед против воды, – которыми мы обычно и интересуемся. Но в памяти держим, что при этом не подразумевается, что вероятность фундаментально вшита в ткань классической физики. В принципе, если бы мы точно знали, как вещи ведут себя в настоящий момент, – знали бы положения и скорости каждой отдельной частицы, составляющей вселенную, – классическая физика говорит, что мы могли бы использовать эту информацию для предсказания, как вещи будут себя вести в любой заданный момент в будущем или как они себя вели в любой заданный момент в прошлом. Будете вы на самом деле следовать за их развитием момент за моментом или нет, в соответствии с классической физикой вы можете говорить о прошлом и будущем, в принципе, с уверенностью, которая определяется деталями и точностью ваших наблюдений настоящего момента.[1]

Вероятность в настоящей главе также будет играть центральную роль. Но, поскольку вероятность является неизбежным элементом квантовой механики, это фундаментально изменяет наше представление о прошлом и будущем. Мы уже видели, что квантовая неопределенность не допускает одновременного знания точных положений и точных скоростей. Соответственно, мы также видели, что квантовая физика предсказывает только вероятности, что то или иное будущее будет реализовано. Мы уверены в этих вероятностях, нет сомнений, но, поскольку это все же вероятности, мы понимаем, что имеется неизбежный элемент случая, когда приходится предсказывать будущее.

Когда приходится описывать прошлое, также имеется критическое отличие между классической и квантовой физиками. В классической физике в связи с ее равноправным рассмотрением всех моментов времени события, приводящие к чему-нибудь, что мы наблюдаем, описываются с использованием в точности того же языка, с применением в точности тех же характерных свойств, которые мы используем для описания самого наблюдения. Если мы видим огненный метеор в ночном небе, мы говорим о его положении и его скорости; если мы реконструируем, как он там возник, мы также говорим об однозначной последовательности положений и скоростей, когда метеор несся через пространство к Земле. Хотя в квантовой физике, раз уж мы нечто наблюдаем, мы вводим особую область, в которой мы знаем что-нибудь со 100 процентной определенностью (игнорируя проблемы, связанные с точностью нашего оборудования, и подобные им). Но прошлое – под которым мы специально понимаем "ненаблюдаемое" прошлое, время перед тем, как мы, или кто-нибудь, или что-нибудь проводит данное наблюдение, – остается в обычной области квантовой неопределенности, в области вероятностей. Даже если мы измеряем положение электрона прямо здесь прямо сейчас, то моментом раньше все, что он имел, это вероятности быть здесь, или там или вообще вон там.

И, как мы видели, это не значит, что электрон (или, в том же смысле, любая частица) на самом деле находился только в одном из этих возможных положений, но мы просто не знаем, в каком.[2] Скорее, есть основания полагать, что электрон был во всех положениях, поскольку каждая из вероятностей – каждая из возможных историй – вносит вклад в то, что мы в настоящий момент наблюдаем. Вспомним, мы, очевидно, видели это в эксперименте, описанном в Главе 4, в котором электроны принуждались пролетать через две щели. Классическая физика, которая полагается на всеми поддерживаемое убеждение, что события имеют однозначные обычные истории, будет утверждать, что каждый электрон, попавший на экран детектора, прошел либо через левую щель, либо через правую щель. Но этот вид прошлого собьет нас с пути: он предсказывает результаты, показанные на Рис. 4.3а, которые не согласуются с тем, что происходит на самом деле, как показано на Рис. 4.3b. Наблюдаемый интерференционный узор может быть объяснен только путем включения перекрывания между чем-то, что проходит через обе щели.

Квантовая физика обеспечивает именно такое объяснение, но при этом радикально меняет наши взгляды на прошлое – наши описания того, как отдельная вещь, которую мы наблюдаем, стала такой. В соответствии с квантовой механикой вероятностная волна каждого электрона проходит через обе щели, и, поскольку части волны, выходящие из каждой щели, смешиваются, итоговое распределение вероятности проявляется в интерференционной картине, и следовательно, положения падения электрона на экран распределяются так же.

По сравнению с повседневным опытом, это описание прошлого электрона в терминах пересекающихся волн вероятности совершенно необычно. Но, отбросив на ветер осторожность, вы можете предложить рассмотреть это квантовомеханическое описание на один шаг дальше, что приводит к еще более причудливо звучащей возможности. Возможно, что каждый индивидуальный электрон сам в действительности путешествует через обе щели на своем пути к экрану, и итоговые данные возникают из интерференции между этими двумя классами историй. Есть соблазн думать о волнах, выходящих из двух щелей, как о представляющих две возможные истории для индивидуального электрона, – проходящего через левую щель или проходящего через правую щель, – и, поскольку обе волны вносят вклад в то, что мы наблюдаем на экране, квантовая механика, возможно, говорит нам, что обе потенциальные истории электрона также вносят вклад.

Удивительно, эта странная и чудесная идея – дитя разума нобелевского лауреата Ричарда Фейнмана, одного из самых оригинальных физиков двадцатого века, – обеспечивает совершенно жизнеспособный путь рассуждений о квантовой механике. Согласно Фейнману, если имеются альтернативные пути, по которым может быть достигнут заданный результат, – например, электрон попадает в точку на экране детектора, пролетев через левую щель, или попадает в ту же точку, но пролетев через правую щель, – тогда, в некотором смысле, все альтернативные истории происходят и происходят одновременно. Фейнман показал, что каждая такая история будет давать вклад в вероятность того, что их общий результат будет реализован, и, если эти вклады аккуратно сложить друг с другом, результат будет совпадать с полной вероятностью, предсказываемой квантовой механикой.

Фейнман назвал этот подход к квантовой механике суммированием по историям (или суммированием по путям); он показал, что вероятностная волна объединяет все возможные варианты прошлого, которые могли предшествовать данному наблюдению, и хорошо проиллюстрировал, что, чтобы преуспеть там, где классическая физика пасует, квантовая механика рассматривает значительно более широкие рамки истории.[3]

В страну Оз

Имеется вариация эксперимента с двумя щелями, в которой интерференция между альтернативными историями делается еще более явной, поскольку два пути к экрану детектора разделены более сильно. Немного проще описать эксперимент, используя фотоны вместо электронов, так что мы начинаем с фотонного источника – лазера – и стреляем им в направлении так называемого лучевого разветвителя. Этот прибор сделан из наполовину посеребренного зеркала, похожего на те, что используются для наблюдения (подглядывания), которое отражает половину падающего на него света, позволяя другой половине проходить насквозь. Начальный одиночный луч света, таким образом, разветвляется на два, левый луч и правый луч, аналогично тому, что происходит с лучом света, который сталкивается с двумя щелями в двухщелевом опыте. Используя подходящим образом расположенные полностью отражающие зеркала, как показано на Рис. 7.1, два луча возвращаются назад друг к другу и далее вниз к местоположению детектора. Рассматривая свет как волну, как в описании Максвелла, мы ожидаем – и, несомненно, находим – интерференционную картину на экране. Длина перемещения для всех путей, за исключением центральной точки на экране, немного отличается для левого и правого пути, так что пока левый луч может достичь гребня в заданной точке экрана детектора, правый луч может достичь гребня, впадины или некоторого промежуточного состояния. Детектор записывает объединенную интенсивность двух волн, и отсюда мы получаем характерную интерференционную картину.

(а) (b)

Рис 7.1 (а) В эксперименте с лучевым разветвителем лазерный свет разделяется на два луча, которые путешествуют двумя отдельными путями к экрану детектора; (b) Интенсивность излучения лазера может быть снижена, так что он выстреливает индивидуальные фотоны; фотоны воздействуют на местоположения на экране, со временем выстраивая интерференционную картину.

Отличие классики и квантов становится очевидным, если мы радикально понизим интенсивность лазера, так что он будет испускать отдельные фотоны, скажем, один фотон в несколько секунд. Когда отдельный фотон попадает в лучевой разветвитель, классическая интуиция говорит, что он либо пройдет насквозь, либо будет отражен. Классические рассуждения не позволяют даже намека на любой вид интерференции, поскольку тут нечему интерферировать: все, что мы имеем, это отдельные, индивидуальные, особые фотоны, проходящие от источника к детектору, один за одним, некоторые по левому пути, некоторые по правому. Но когда проводится экспримент, индивидуальные фотоны со временем рисуют почти как на Рис. 4.4, давая интерференционную картину, как на Рис. 7.1b. В соответствии с квантовой физикой причина в том, что каждый зарегистрированный детектором фотон может дойти до детектора или двигаясь по левому пути, или двигаясь по правому пути. Так что мы обязаны объединить эти две возможные истории при определении вероятности, что фотон попадет на экран в той или в другой выделенной точке. Когда левая и правая вероятностные волны для каждого индивидуального фотона сливаются таким образом, они дают волнистую вероятностную картину волновой интерференции. Так что, в отличие от Дороти (Элли), которая была сбита с толку, когда Пугало (Страшила) указал сразу налево и направо, показывая ей направление в страну Оз, данные могут быть объяснены полностью через представление, что каждый фотон двигается в направлении детектора сразу и левым и правым путями.

Предварительный выбор

Хотя мы описали смешивание возможных историй в ситуации только пары отдельных примеров, этот способ мышления о квантовой механике является общим. В то время как классическая физика описывает настоящее как имеющее единственное прошлое, вероятностные волны квантовой механики увеличивают арену истории: в формулировке Фейнмана наблюдаемое настоящее представляет смесь – особый вид усреднения – всех возможных прошлых, совместимых с тем, что мы сейчас наблюдаем.

В случае экспериментов с двумя щелями и с лучевым разветвителем для электрона или фотона имеются два пути, чтобы дойти от источника до экрана детектора, – идти налево или идти направо, – и только при комбинировании возможных историй мы приходим к объяснению того, что мы наблюдаем. Если барьер имеет три щели, мы должны принять во внимание три вида историй; с 300 щелями нам необходимо включить вклады целого множества результирующих возможных историй. Если мы представим, доведя это до предела, что прорезано гигантское количество щелей, – так много, что, фактически, барьер эффективно исчезает, – квантовая физика говорит, что каждый электрон тогда будет двигаться по любой возможной траектории на своем пути до выделенной точки на экране, и только объединяя вероятности, связанные с каждой такой историей, мы можем объяснить итоговые данные. Это может звучать странно. (Это и есть странно). Но такое причудливое рассмотрение прошедших времен объясняет данные на Рис. 4.4, на Рис. 7.1b и любой другой эксперимент, проводимый с микромиром.

Вы можете поинтересоваться, насколько буквально вы должны принимать описание через сумму по историям. Электрон, который попадает на экран детектора, действительно делает это путем прохождения вдоль всех возможных путей, или рецепт Фейнмана есть просто хитрая математическая выдумка, которая дает правильный ответ? Этот вопрос относится к ключевым вопросам для оценки правильной природы квантовой реальности, так что я хотел бы дать вам определенный ответ. Но я не могу. Физики часто находят эту картину предельно полезной для представления огромного скопления объединяемых историй; я использую эту картину в моих собственных исследованиях настолько часто, что она определенно ощущается реальной. Но это не то же самое, что сказать, что она реальна. Суть в том, что квантовые вычисления недвусмысленно называют нам вероятность, что электрон упадет в ту или иную точку экрана, и эти предсказания согласуются с данными опыта, пятнами на экране. Раз уж проверка теории и ee предсказательная полезность взаимосвязаны, история, о которой мы говорим, как именно электрон достигает данной точки на экране, мало уместна.

Но конечно, вы продолжаете настаивать, мы можем решить проблему, что же на самом деле происходит, путем изменения экспериментальных условий так, что мы можем теперь наблюдать также и предполагаемую размытую смесь возможных прошлых, вливающихся в наблюдаемое настоящее. Это хорошее предложение, но уже известно, что тут имеется препятствие. В Главе 4 мы изучили, что вероятностные волны непосредственно не наблюдаемы; а поскольку объединяющиеся истории Фейнмана есть ничто иное, как особый способ размышлений о вероятностных волнах, они тоже должны ускользать от прямых наблюдений. И они ускользают. Наблюдения не могут зацепить отдельные индивидуальные истории; скорее наблюдения отражают средние по всем возможным историям. Так что, если вы измените условия опыта, чтобы наблюдать электроны в полете, вы увидите, что каждый электрон проходит через ваш дополнительный детектор в том или ином месте; вы никогда не увидите размытые множественные истории. Когда вы используете квантовую механику, чтобы объяснить, почему вы видели электрон в том или ином месте, ответ будет включать усреднение по всем возможным историям, которые могут привести к этому промежуточному наблюдению. Но само наблюдение имеет доступ долько к историям, которые уже соединены. Наблюдая за электроном в полете, вы просто сдвигаете назад обозначение того, что вы считаете историей. Квантовая механика жестко рациональна: она объясняет, что вы видите, но не позволяет вам видеть объяснение.

Вы можете далее спросить: почему тогда классическая физика, – физика здравого смысла, – которая описывает движение в терминах единственных историй и траекторий, в целом применима ко вселенной? Почему она так хорошо работает в объяснениях и предсказаниях движения чего угодно, от бейсбольного мяча до планет и комет? Как тогда приходит неочевидность в каждодневной жизни странного пути, по которому прошлое, по-видимому, разворачивается в настоящее? Причина, коротко обсужденная в Главе 4 и которую мы вскоре подробно изучим с высокой точностью, в том, что бейсбольные мячи, планеты и кометы относительно велики, как минимум, по сравнению с частицами вроде электрона. А в квантовой механике чем больше что-то есть, тем более несимметричным становится усреднение: все возможные траектории дают вклад в движение бейсбольного мяча в полете, но обычный путь – один единственный путь, предсказываемый законами Ньютона, – дает вклад намного больше, чем все остальные пути вместе. Для больших объектов оказывается, что классические пути дают в гигантской степени доминирующий вклад в усредненный процесс, так что они и являются единственными, к которым мы привыкли. Но когда объекты малы, вроде электронов, кварков и фотонов, многие различные истории дают вклад ориентировочно одного порядка, и отсюда все они играют важную роль в усредненном процессе.

Из за большого объема этот материал размещен на нескольких страницах: 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20 21 22 23 24 25 26 27 28 29 30 31 32 33 34 35 36 37 38 39 40 41 42