Томас Хертог – О происхождении времени. Последняя теория Стивена Хокинга (страница 51)
Но при этом ретроактивный характер квантовой космологии гораздо глубже ретроспективного подхода эволюции биологической. Биологи не станут говорить о множественных древах жизни, сосуществующих в призрачной суперпозиции друг с другом, пока не найдут ископаемых доказательств, подтверждающих их реальность. Пока этого не произошло, они предполагают, и вполне справедливо, что мы с самого начала были и остаемся частью данного древа жизни и что мы просто не знаем, какого именно, пока не сведем воедино все эти доказательства. Это различие происходит из того факта, что в биологической эволюции мы спокойно можем игнорировать квантовый уровень. В дарвиновской эволюции в любой точке ветвления различные возможные эволюционные пути тут же расходятся в разных направлениях, так как взаимодействующая среда, в которой развивается жизнь, немедленно размывает любую квантовую интерференцию. Другими словами, среда непрерывно, шаг за шагом преобразует суперпозицию древ жизни в отчетливо отделенные друг от друга древа эволюции, одно из которых – наше. В самом деле, для того чтобы генная мутация, вызванная квантовым событием, подверглась декогеренции, требуется лишь доля секунды. Следовательно, наше древо жизни эволюционировало независимо от других возможных древ задолго до того, как биологи принялись исследовать ископаемые окаменелости, пытаясь реконструировать историю древа, к которому они принадлежат. Сама физическая среда уже выполнила более фундаментальное квантовое наблюдение. Я не хочу, конечно, сказать, что то, что мы узнали о древе жизни, не имеет никакого значения – ведь, в отличие от среды, биологи способны интерпретировать свои находки и, возможно, даже использовать это знание, чтобы повлиять на будущие ветвления.
В отличие от биологии, квантовая космология задается вопросом о происхождении самой физической среды. Она спускается до самых основ, на уровень квантового наблюдения. И не только это – она стремится сделать это и в далекой области Большого взрыва, где предметом наблюдения становится то, как возникли сами законы физики. Переплетением призрачного мира суперпозиций здесь пренебрегать нельзя – оно приобретает критическое значение. Оно поднимает значение логики, направленной навстречу ходу времени, от простого ретроспективного элемента исследования истории Вселенной до ретроактивного компонента, который творит эту историю.
Именно на этом более глубоком уровне становятся критически важными нити, связывающие друг с другом три составные части нашей триады, которая уводит нас далеко за пределы ортодоксальной физики.
В конце 1970-х годов Джон Уилер предложил остроумный мысленный эксперимент, который во многом прояснил природу этого присущего квантовой Вселенной любопытного элемента обратной причинности. Эксперимент Уилера продемонстрировал, как в обычной квантовой механике частиц акт наблюдения может неуловимо повлиять на прошлое – и даже на отдаленное прошлое.
Уилер, наставник Фейнмана и Эверетта, работал с Бором над проблемой ядерного распада; затем во время Второй мировой войны он участвовал в Манхэттенском проекте. В 1950-х в Принстонском университете Уилер вдохнул новую жизнь в изучение общей теории относительности. Он начал с того места, на котором остановился Эйнштейн. В то время общая теория относительности сделалась глухой провинцией физической науки: она была подкреплена всего одним точным количественным наблюдением – измерением смещения перигелия Меркурия, и двумя качественными аргументами – расширением Вселенной и отклонением луча света в поле тяготения. В целом ее часто рассматривали просто как раздел математики, при этом даже не очень интересный. Но, как говорил Уилер, теория относительности слишком важна, чтобы доверять ее математикам. Поэтому он взялся за ее возрождение. Он прочел в Принстоне первый курс теории относительности. Слушатели этого курса получили самую фантастическую привилегию из всех, которой когда-либо удостаивались студенты-физики: выездное занятие в виде визита к Альберту Эйнштейну в его дом на Мерсер-стрит, с чаепитием и обсуждением физических проблем.
Как и Стивен, Уилер, по всей видимости, отличался безграничным научным оптимизмом. Его творческое воображение и способность сосредотачивать внимание на самых важных вопросах физики вдохновили целые направления исследований на десятилетия вперед. Когда в 2008 году в возрасте 97 лет он скончался, в его некрологе, помещенном в New York Times, было процитировано высказывание Фримена Дайсона: «Поэтически Уилера можно уподобить пророку – он, как Моисей, озирает с горной вершины Обетованную землю, которую его народ однажды унаследует».
Рис. 44. Джон Уилер читает лекцию о различиях между классической и квантовой механикой. Принстон, 1967 г.
В своем мысленном эксперименте, который должен был прояснить роль наблюдения и причинности в квантовой теории, Уилер для простоты рассматривал не вселенные, а частицы. Сегодня эта схема известна под названием эксперимента с отложенным выбором; она представляет собой вариант эксперимента с двойной щелью. Опыт с двойной щелью, облучаемой частицами света, впервые выполнил английский ученый-энциклопедист Томас Юнг в XVIII веке. В современной версии этого эксперимента свет падает на две параллельные щели, прорезанные в препятствии, и затем попадает на установленную позади них фотопластинку. На пластинке образуется интерференционная картина из светлых и темных полос, так как расстояния, которые световые волны преодолевают от каждой щели до данной точки экрана, вообще говоря, различны. Квантовая природа света начинает проявляться, когда мы резко уменьшаем интенсивность источника света, превращая поток волн в скудный ручеек фотонов, испускаемых поодиночке. Так же, как и в эксперименте с электронами, который я описал в главе 3, приход каждой индивидуальной частицы – фотона – проявляется как крошечное пятно на фотопластинке. Но если мы некоторое время будем проводить этот опыт в условиях столь низкой интенсивности, то совокупность точек столкновений фотонов с экраном начнет образовывать интерференционную картину. Квантовая механика объясняет это, описывая каждый индивидуальный фотон как распространяющуюся волновую функцию, которая на щелях разделяется на части, а за щелями распространяется дальше и переплетается сама с собой, создавая картину высоких и низких вероятностей того, где каждый фотон будет попадать на пластинку.
Но если экспериментатор решит «сжульничать», поставив вблизи каждой щели по детектору с целью отследить, какой из путей – или оба вместе – выберут фотоны, тогда интерференционная картина больше появляться не будет. Вместо нее фотонные пятна в совокупности образуют на пластинке две яркие параллельные полосы, два совершенно раздельных классических следа – напротив одной и другой щели. Это происходит потому, что приемники действуют, как и облачка частиц вблизи каждой щели на рис. 42, – они выполняют акт наблюдения, который заставляет волновые участки, выходящие из обеих щелей, разделяться. Спрашивая у фотонов, через какую из щелей они собираются проскользнуть, детекторы вынуждают волновые функции фотонов проявить корпускулярную природу света.
Уилер, однако, придумал остроумный вариант эксперимента Юнга, в котором детекторы размещены не вблизи щелей, а подальше – вблизи фотопластинки (см. рис. 45). По сути, он представил себе, что пластинка заменена на жалюзи и пара детекторов размещена позади них, причем каждый приемник направлен на одну из щелей. Если мы закроем жалюзи, эксперимент даст то же, что и прежде: волновые функции фрагментов фотона-волны переплетаются и образуют интерференционную картину. Но если мы откроем створки жалюзи, фотоны пройдут сквозь них и детекторы помогут нам определить, через какую щель они прошли. Таким образом, для каждого отдельного фотона экспериментатор сможет решить, в каком режиме проводить эксперимент – другими словами, какой вопрос задавать, и значит, выявлять ли корпускулярную или волновую природу частиц света.
Замечательная догадка Уилера заключалась в том, что мы можем отложить наш выбор – открывать створки жалюзи или оставить их закрытыми – до самого момента, когда фотон достигнет пластинки. Создается поистине загадочная ситуация. Откуда фотон, уже прибывший к преграде, знает, вести ему себя как волна и распространяться по обоим путям или как частица и распространяться лишь по одному из них, в зависимости от будущего выбора экспериментатора? Очевидно, что фотоны не могут знать заранее, откроет экспериментатор жалюзи или закроет. С другой стороны, они не могут и отложить свое решение: быть ли им волной или частицей. Ведь если фотону надо приготовиться к возможности, что жалюзи будут закрыты, его волновая функция разделится при столкновении с преградой так, что комбинация обоих фрагментов волны сможет образовать наблюдаемую интерференционную картину. Это, однако, рискованно – ведь если жалюзи окажутся в конце концов открытыми, потому что экспериментатор в последний момент решил, что он хочет знать, по какому пути пошел фотон, то у волнообразного интерферирующего фотона появятся трудности.
Рис. 45. Вариант опыта Юнга с двойной щелью и частицами света. Вместо фотопластинки в правой части рисунка установлены жалюзи, а позади них – пара детекторов, каждый из которых направлен на одну из щелей. Экспериментатор, управляющий детекторами, может отложить свое решение – оставить створки жалюзи закрытыми и тем самым выполнить опыт Юнга в его исходной постановке, в которой получается интерференционная картина, или открыть створки и тем самым определить, через какую щель фотон прошел – до того момента, когда каждый индивидуальный фотон достигнет створок жалюзи. Мы могли бы подумать, что такой отложенный выбор будет сбивать фотоны с толку. Ничего подобного: природу обмануть не удается. Фотоны всегда «угадывают» выбор экспериментатора, демонстрируя тем самым, что акт наблюдения в квантовой теории неуловимо влияет на прошлое.