Бесплатный фрагмент - Нереальная реальность — 2

Глава 1. Нереальная реальность

Нас окружает не настоящий мир. Истинные события всегда происходят за мгновение до того, как мы способны их воспринять. Мы всегда смотрим в прошлое. Наша субъективная реальность объективно нереальна.

Этот вывод — не предположение, не мистика и не фантастика. Это факт.

Всё дело в том, что скорость света, хоть и очень велика, но не бесконечна. Свету необходимо вполне определённое, хорошо измеряемое точной аппаратурой время, чтобы, отразившись от объекта, достичь ваших глаз. Световая волна, взаимодействуя с химическими соединениями в сетчатке глаза, даёт вам зрение.

Читая эту книгу, вы не видите её «сейчас». Вы видите её такой, какой она была миллиардную долю секунды назад. Если книга вдруг неожиданно растворится в пространстве, то вы узнаете об этом не в режиме истинно реального времени, а чуть позже.

Когда вы сидите с другом в баре за одним столом, но ваш стул находится немного ближе к барной стойке, то вы видите бармена, разливающего напитки на микросекунду раньше, чем ваш друг. Если бы этого промежутка времени было достаточно, чтобы успеть заменить бармена на барменшу, то каждый из вас наблюдал бы разную реальность. Но на Земле такой «фокус» не пройдёт. Не те масштабы.

Всё становится куда интереснее, если аналогичные рассуждения применить к космическим расстояниям. Когда вы смотрите на Солнце, вы не наблюдаете его «сейчас». Вы видите его таким, каким оно было чуть больше 8 минут назад. Если Солнце погаснет, вы узнаете об этом через 499 секунд. К счастью, оно будет светить ещё несколько миллиардов лет и в этом случае минутное расхождение несущественно.

Другое дело, галактические масштабы. Когда вы смотрите на ночное небо, то многих звёзд, которые вы «сейчас видите», давно уже нет. Как ни удивительно это прозвучит, но во Вселенной есть места, где Солнце «сейчас» уже погасло, а есть, где «сейчас» наша звезда ещё не зажглась.

Нереальная реальность почти не проявляется в повседневной жизни. Но если замедлить скорость света или разнести наблюдателей на огромные расстояния в пространстве, то откроются поистине фантастические возможности.

Новейшие научные открытия убедительно подтверждают тот парадоксальный вывод, что на наш повседневный опыт нельзя ни в коем случае полагаться при изучении многих физических явлений. Разумеется, на всех масштабах Мироздания имеются свои модели и закономерности. Но далеко не факт, что они повторяются именно на всех масштабах.

Более того, гипотеза о том, что всё в нашем мире имеет рациональное объяснение, может быть неверной.

Вселенная чрезвычайно разнообразна и, при желании, можно найти множество данных, подтверждающих практически любую теорию. В своих выводах надо опираться на фактическую информацию, а не на «здравый смысл».

Дело в том, что истинная реальность, по всей видимости, находится где-то вблизи сингулярностей, где повседневный опыт неприменим.

Рассуждать о глубинных свойствах Мироздания в логике «нашего» здравого смысла наивно. Я лично неоднократно наблюдал за последние годы, как то, что недавно казалось совершенно невероятным, со временем становилось непреложным научным фактом.

Процитирую одно замечательное высказывание известного физика-теоретика Фреда Алана Вольфа: «То, что я считал нереальным, теперь кажется мне в некотором роде более реальным, чем то, что я видел, как реальное, то теперь представляется мне нереальным».

Во второй части моей трилогии речь пойдёт о наиболее сложных вопросах современной космологии, физики и биологии. Их сложно объяснить простым языком. Однако, я уверен, что нет трудных проблем, а есть трудности с интеллектом. Поэтому единственным предварительным требованием к прочтению «Нереальной реальности» является лишь желание познать новое.

Глава 2. Пространство

В классическом понимании пространство служит средой, разделяющей различные объекты. На протяжении всей истории Вселенной пространство растягивается и растаскивает галактики друг от друга. Чем дальше расположены объекты, тем быстрее они удаляются друг от друга при расширении пространства.

В каком-то смысле пространство постоянно и непрерывно рождается из ничего. Расширение Космоса не останавливается ни на мгновение. Ежедневно Вселенная увеличивается на невообразимо гигантский объём, равный 1 000 000 000 000 000 000 кубических световых лет. Пространство похоже на непрерывно растягиваемую резину, но которая никогда не рвётся.

Однако, на сверхмикроскопических расстояниях пространство перестаёт быть гладким. Оно сильно искривляется, становится комковатым и бурлящим, неоднородным и пенистым.

Мы также знаем форму пространства. В нём сумма углов бесконечно большого треугольника всегда равна 180-и градусам. В этом смысле наша Вселенная плоская.

От классического понимания пространства сегодня необходимо отказаться. В квантовом мире объекты могут не быть независимыми и разделёнными какой-то средой. В таком случае пространство оказывается не фундаментальной величиной. Оно может быть из чего-то составлено.

Глава 3. Гравитация

Гравитация распространяет своё действие от одного объекта к другому. Поскольку это самая слабая из всех фундаментальных сил, уловить её частицы-переносчики (гравитоны) чрезвычайно сложно.

Два главных свойства гравитации — её слабость и её вездесущность. Всё, что существует в мире, принимает участие в гравитационном взаимодействии.

Гравитация в целом управляет эволюцией Вселенной, определяет движение звёзд и планет. В земных условиях она известна нам как сила взаимного притяжения.

Поскольку гравитация удерживает на орбитах такие массивные тела, как планеты, складывается впечатление, что это чрезвычайно могущественная сила. Однако, она является такой лишь применительно к гигантским объектам. На обычном уровне гравитация очень слаба. Каждый раз, поднимая что-то с земли, вы лично преодолеваете гравитационное притяжение целой планеты.

Гравитация — по-настоящему удивительная сила. Например, ускорение тела в гравитационном поле совсем не зависит от его массы. Всё движется с одинаковым ускорением, будь то человек или целая звезда.

Гравитационные волны существенно отличаются от электромагнитных. Электромагнитное взаимодействие сильно зависит от среды, в которой оно распространяется. Гравитация, при переходе из одной среды в другую, не изменяется.

Откуда «маломощная» гравитация берёт свою неисчерпаемую энергию? Ответ заключается в том, что, в отличие от иных фундаментальных сил, гравитация может брать энергию «взаймы».

Представьте, что вы прыгайте с высоты. Гравитация тянет вас вниз, то есть является источником энергии. Однако, при прыжке одновременно возрастает и кинетическая энергия вашего собственного движения. В реальной жизненной ситуации после прыжка вы приземлитесь на землю. Но если вы прыгните в воображаемую бесконечную космическую «яму», то будете падать вечно. При этом кинетическая энергия будет положительной и постоянно возрастать. А гравитация будет компенсировать её растущей отрицательной энергией. Чтобы вырваться из «ямы», вам придётся приложить усилия. То есть затратить положительную энергию и отдать энергетический «долг», взятый гравитацией. Поэтому вся сумма полной энергии нашей Вселенной и её гравитационной энергии равна нулю.

Науке известен ещё один очень интересный факт, связанный с гравитацией. Мы знаем, что между электронами действует сила электрического отталкивания и сила гравитационного притяжения. Соотношение этих величин составляет невообразимо огромное число 4х1042. Столь существенный разрыв между числовыми значениями двух фундаментальных сил сам по себе очень необычен для физики. Заинтересовавшись данным фактом, Поль Дирак установил, что точно таким же является соотношение между возрастом Вселенной и временем, за которое свет проходит атомное ядро. Это весьма любопытно и наводит на мысль, что данное число каким-то загадочным образом связано с возрастом Вселенной и увеличивается вместе с ним. Тогда гравитационная постоянная должна уменьшаться со временем.

Гравитация скрывает много тайн. Поэтому ещё в начале XX века она казалась таинственной силой, непонятным образом передающейся через пространство.

Главную загадку гравитации удалось разгадать Альберту Эйнштейну.

Глава 4. Теория относительности Эйнштейна

Свет — это вечный странник Вселенной. В обычных условиях он никогда не останавливается, постоянно путешествуя сквозь космическое пространство с максимально возможной в природе скоростью.

Что случится, если вы попробуете догнать свет?

На первый взгляд кажется, что если вы будете двигаться со скоростью света, то, когда поравняетесь с параллельными световыми волнами, те станут выглядеть для вас неподвижными. Часто такую картину можно наблюдать через иллюминаторы звездолётов в фантастических фильмах. Однако, это ошибочное представление. Остановившегося света не существует в принципе. Увидеть неподвижные жёлтые линии невозможно. Свет движется всегда и всегда с одинаковой скоростью.

Именно свет играет в физике заглавную роль. Сейчас мы разберёмся почему.

Основой специальной теории Эйнштейна является принцип относительности. Его суть состоит в том, что понятие движения относительно. Это означает, что, когда речь идёт о скорости и направлении движения любого объекта, обязательно следует уточнить, кто именно производит это измерение.

Этот постулат относится ко всем законам физики без исключения. Поэтому фраза «вы движетесь со скоростью 5 км/ч» не имеет физического смысла. Необходимо указать объект для сравнения, например, «вы движетесь со скоростью 5 км/ч относительно меня, находящегося в состоянии покоя».

Таким образом, абсолютного движения попросту нет. Движение всегда относительно других объектов.

Этот принцип работает на практике. Иногда, сидя в поезде, стоящем на станции, сложно определить, двинулись ли с места вы, или поехал соседний вагон за окном. А если в купе опущены шторы и темно, можно вообще спутать движение со стоянкой.

Аналогично, в самолёте, летящем с огромной скоростью, часто кажется, что вы неподвижно зависли в небе. Все эти двусмысленности возникают оттого, что вам не с чем сравнить. Любое движение приобретает смысл лишь при сравнении с другими объектами или наблюдателями, которые тоже движутся.

С чем сравнивать лучше всего? С чем-то эталонным. И во Вселенной есть только один такой универсальный параметр, независимый от точки отсчёта. Это свет.

Любой наблюдатель в любой области космоса скажет, что свет в вакууме всегда движется со скоростью 300 000 километров в секунду. И будет прав. Свет, испускаемый фарой неподвижно стоящего на Земле автомобиля равен скорости света, испускаемой фарой движущегося марсохода и равен скорости света, испускаемой любой звездой во Вселенной. Скорость света всегда неизменна. Свет от движущегося источника и от неподвижного всегда дойдёт до наблюдателя одновременно. Именно поэтому скорость света, а не какая-нибудь другая, играет столь важную роль в строении мира.

Никакой сигнал не сможет достичь вас быстрее фотона, испущенного одновременно с этим сигналом. Ничто в мире не способно обогнать свет. Хочу особо подчеркнуть, что этот предел установлен не только для материальных объектов. Он относится к любому виду информации.

Из принципа относительности Эйнштейн сформулировал две отдельные, но связанные теории: специальную (частную) и общую теорию относительности. Первая была опубликована в 1905 году, вторая — в 1916 году. Рассказ о них начну издалека.

Нам всем хорошо известно из личного опыта, что восприятие многих ситуаций двумя наблюдателями может быть различным. Например, когда вы едете в поезде, деревья за окном кажутся вам движущимися. Но для человека, стоящего на перроне, лес всегда неподвижен.

С вашей точки зрения сосед в купе сидит на месте. Однако, с точки зрения стороннего наблюдателя (человека на перроне), вы вместе с соседом промчались на поезде мимо него, то есть перемещаетесь в пространстве с достаточно большой скоростью.

Если в вагоне вы уроните книгу, то для вас она упадёт вертикально вниз. Однако, для человека на перроне она будет падать по параболе, потому что поезд движется.

С подобными ситуациями каждый из нас неоднократно сталкивался в жизни. Они настолько естественны и привычны, что никто не задумывается над вопросом о том, почему одна и та же картина воспринимается по-разному.

Здесь нужно уяснить один принципиальный момент. Важно не путать точку зрения и физические законы. Трактовка событий действительно зависит от наблюдателя. Но законы природы действуют объективно, говоря на научном языке — инвариантно. Кстати, сам Эйнштейн хотел назвать свою теорию относительности теорией инвариантности.

На самом деле, в описанных событиях проявляются самые глубинные и тонкие свойства природы, а именно: наблюдатели, находящиеся в относительном движении друг к другу, по-разному ощущают реальность. Более того, с точки зрения физики, их часы идут с разной скоростью. И это не парадокс и не ошибка измерения. Это фундаментальное свойство самого времени.

То же самое рассуждение применимо к расстоянию. Два движущихся наблюдателя получат разные значения длины предмета, проведя измерения совершенно одинаковыми рулетками.

Пространство и время воспринимаются разными наблюдателями по-разному. В этом постулате сосредоточена самая суть теории Эйнштейна.

Такой вывод достаточно сложно понять интуитивно. Пространство и время кажутся нам незыблемыми, абсолютными понятиями. В повседневном опыте мы не чувствуем последствий специальной теории относительности. Этому есть простое объяснение. Дело в том, что её эффекты зависят от скорости движения. В нашем мире ни человек, ни автомобиль, ни даже самолёт не развивают достаточной скорости, чтобы парадоксальные особенности теории Эйнштейна стали заметными для людей. И тем не менее на Земле наблюдатель, едущий в поезде, и наблюдатель, стоящий на перроне, по-разному воспринимают пространство и время.

Ещё один нюанс заключается в том, что для нас привычным является движение через пространство. Поэтому мы не учитываем тот факт, что все объекты без исключения всегда движутся сквозь время. До Эйнштейна считалось, что движение через пространство полностью отделено от движения во времени. Но оказалось, что они взаимосвязаны самым тесным образом.

Когда поезд стоит на станции, он стационарен в пространстве, однако продолжает двигаться сквозь время. Как только он отъезжает от перрона и набирает скорость, часть его движения сквозь время начинает тратиться на движение через пространство. Поэтому движение поезда во времени замедляется. Для движущегося поезда и его пассажиров время протекает медленнее, чем для тех наблюдателей, которые остались неподвижно стоять на перроне. Правда, расхождение крайне незначительно. Люди на Земле перемещаются относительно друг друга слишком медленно, чтобы почувствовать искажение хода времени. Другое дело, если вы перемещаетесь на космическом корабле, движущемся с околосветовой скоростью. Тогда эффекты специальной теории относительности проявляются во всей красе.

В обычной жизни мало кто задумывается о том, что течение его времени прямо зависит от скорости его движения. Но если бы вы ходили пешком со скоростью света, мир вокруг вас кардинально изменился. Ваше субъективное время стало бы течь совершенно по-другому.

Эйнштейн установил, что для движущегося наблюдателя время всегда течёт медленнее, чем для неподвижного. Ход времени зависит от скорости движения. При достижении скорости света время останавливается.

Эффект замедления времени — самый известный вывод специальной теории относительности. Движущийся объект перемещается во времени медленнее, чем стационарный, так как часть его движения отвлекается на перемещение в пространстве. Можно перераспределять скорости между двумя видами движения, но общая объединённая скорость всегда будет неизменной. Именно поэтому через пространство невозможно перемещаться быстрее света.

Достигнув световой скорости движения в пространстве, объект израсходует весь запас движения со световой скоростью сквозь время. Если что-то перемещается со скоростью света, то ход времени для него останавливается. Поэтому свет никогда не «стареет». У фотона нет возраста, он расположен вне времени. Даже если фотон был испущен в момент Большого Взрыва, он остался неизменным до сих пор.

Экспериментально установлено, что специальные сверхточные атомные часы замедляют ход, если их поместить на борт трансатлантического самолёта. Конечно, речь идет о стомиллиардных долях секунды. Если лететь на современном авиалайнере без посадки около ста лет, то вы станете моложе примерно на одну секунду. Неудивительно, что мы не замечаем подобного «омоложения». Замедление времени начинает по-настоящему ощущаться по мере приближения к скорости света. Если вы движетесь со скоростью 99% от световой, ваше время течёт в семь раз медленнее, чем у стационарного наблюдателя.

Движение оказывает аналогичное влияние на пространство. В движении длина поезда меньше, чем, когда он стоит на станции. Повторю ещё раз, что это не домыслы, а достоверные научные факты, сколь бы необычными они не казались. Движущийся поезд реально короче, чем стоящий.

Эйнштейн открыл, что пространство и время, которые до него казались абсолютными и независимыми, на самом деле тесно взаимосвязаны между собой и являются относительными. Фундаментальные физические свойства Вселенной напрямую связаны друг с другом.

Самое знаменитое уравнение Эйнштейна — E=mc2 — наглядно демонстрирует эту связь.

Энергия (E) и масса (m) не являются независимыми. Зная массу, можно определить энергию объекта, умножив её на квадрат скорости света. Зная энергию, аналогично можно установить массу. Таким образом, энергия и масса взаимозаменяемы. А поскольку квадрат скорости света — огромное число, то в очень маленькой массе можно сосредоточить гигантский объём энергии. Это две стороны одной медали. Энергия — это освобождённая материя, а материя — это огромное сосредоточение энергии, дожидающейся своего часа.

К сожалению, человечество уже знает о мощи, скрытой в формуле E=mc2 не только теоретически, испытав последствия атомных взрывов, когда в сокрушительную энергию превращались всего-то граммы радиоактивного вещества. Внутри такого небольшого материального объекта как ваше тело, заключено 7х1018 джоулей энергии. Это очень много. Если одномоментно высвободить такую энергию, то взорвётся несколько десятков водородных бомб.

В специальной литературе пространство и время, как правило, неразделимы и формулируются термином «пространство-время» как единый континуум. Нам с вами достаточно понимать это в том смысле, что нечто, верное и применимое для пространства, таким же образом истинно для времени.

Грандиозность выводов Эйнштейна заключается в том, что великому физику удалось доказать: наше мировоззрение неполно, интуитивно мы не ощущаем всё многообразие окружающего нас мира. Мы слишком медлительны, чтобы постичь истинную суть пространства-времени. Теория относительности Эйнштейна разгадала загадку и раскрыла нам природу фундаментальных характеристик Вселенной.

Постулаты специальной теории относительности поначалу привели к «невозможным» для учёных начала XX века следствиям. Тот факт, что ничто не способно превысить скорость света вступал в прямое противоречие не просто с отдельными законами, а с основой основ физики — теорией всемирного тяготения Исаака Ньютона. В чём суть возникшей коллизии?

Наш субъективный опыт уверенно подсказывает нам, что сила тяжести — явление повсеместное. Она удерживает нас с вами на Земле, а Землю на орбите вокруг Солнца. Закону всемирного тяготения беспрекословно подчиняются все материальные тела во Вселенной. В самых отдалённых галактиках планеты движутся вокруг звёзд точно также, как в нашей Солнечной системе.

Любая материя испытывает воздействие силы тяжести. Чем больше масса тела — тем больше сила взаимного притяжения. Однако, она уменьшается, если между массивными телами увеличивается расстояние. Соответственно, сила притяжения по теории Ньютона зависит исключительно от массы тел и расстояния между ними. В этом весь казус.

Теория всемирного тяготения предполагает, что если изменится масса объектов или дистанция между ними, то тела мгновенно отреагируют. Сила взаимного гравитационного притяжения возрастёт, либо ослабнет немедленно. Как же быть с тем фактом, что в соответствии со специальной теорией относительности абсолютным пределом является скорость света? Возникает нестыковка.

Если предположить, что Солнце внезапно исчезнет, то, согласно Ньютону, Земля мгновенно сойдет со своей орбиты, поскольку притяжение материнской звезды пропадёт. Но, согласно Эйнштейну, никакие данные, в том числе возмущения сил тяготения, не могут распространятся быстрее света. А свет достигает Земли от Солнца только через восемь минут.

Эйнштейн смог разрешить это противоречие. Он догадался, что в его теорию необходимо включить гравитацию. И что гравитация напрямую связана с движением.

Более того, он установил, что по своей сути они неотличимы. Сила, которая ощущается от гравитации — это та же самая сила, которая ощущается от ускорения. Поэтому, если вы ощущаете гравитацию, вы должны ускоряться.

Эйнштейн назвал этот постулат принципом эквивалентности. Он лёг в основу общей теории относительности, которая смогла объединить гравитацию и движение. Объединение базируется на ещё одном удивительном свойстве природы — кривизне пространства-времени. К искривлению приводит именно ускоренное движение.

Когда Эйнштейн установил, что ускоренное движение связано с искривлением пространства-времени, он понял каким образом работает сила притяжения. Учёный догадался, что гравитация есть ничто иное, как искривление пространства и времени. В результате, специальная теория относительности не только не отменила классическую механику Ньютона, а значительно усовершенствовала и расширила её.

В отсутствии материи или энергии пространство-время гладкое, не имеющее деформаций, «впадин» и «бугров». Но такие массивные объекты, как звёзды и планеты, искривляют вокруг себя саму его структуру. Пространство деформируется. Как будто твёрдый шар положили на упругое и тонкое резиновое полотно. Поэтому пространство во Вселенной — это не пустота. Это динамичная структура, форма которой меняется под воздействием находящихся в ней материальных тел.

Действительно, может создаться впечатление, что гравитация распространяется быстрее скорости света. Но это не так. Эйнштейн рассчитал насколько быстро «рябь» от деформаций переносится в пространстве от одного места к другому. Выяснилось, что кривизна пространства уменьшается при увеличении расстояния до массивного тела точно со скоростью света. Поэтому, если Солнце внезапно исчезнет, то мы некоторое время не почувствуем никаких изменений. После исчезновения звезды Земля будет оставаться на своем месте в структуре пространства-времени те же самые восемь минут, пока волна деформированного пространства не отбросит нашу планету с привычной орбиты.

Гравитация — это искажение пространства одним телом, что направляет движение других. Любой объект искривляет пространство. Это универсальный принцип. Вы тоже его постоянно искривляете вокруг собственного тела. Но ваша масса ничтожна по сравнению с планетой или звездой, поэтому никаких аномальных гравитационных искажений вы лично не производите.

Гравитация проявляется как деформация пространства-времени под воздействием массы. Сила тяжести только кажется нам силой. А по сути она является внешним проявлением искривления пространства-времени. Мы «умышленно» прижаты к Земле, потому что наши тела постоянно стремятся «соскользнуть» в пространственно-временное углубление, созданное планетой.

Таким образом, гравитация — это кривизна.

Электромагнитные и звуковые волны движутся по пространству, а гравитационные волны — внутри самого пространства. Они являются искажениями в геометрии пространства. Гравитация не является силой, действующей на наши тела. Она является следствием геометрии пространства-времени. Материя направляет искривление пространства-времени, а пространство-время направляет движение материи.

Чем сильнее гравитация, тем сильнее искривляется время. Кривизна времени означает, что скорость его течения зависит от положения наблюдателя. Вообще, описание любого физического события зависит от системы отсчёта, в которой находится наблюдатель. Пространственно-временные флуктуации проявляют себя как колебания гравитационного поля. Образно можно назвать это пространственно-временной рябью в океане Мироздания.

Теория относительности проверена в многочисленных экспериментах. Она раскрыла тайны гравитации в классическом мире. Однако, не объясняет процессы, происходящих в сильных гравитационных полях. То есть тогда, когда образуются сингулярности в начале и конце эволюции Космоса, а также в чёрных дырах. В этих экстремальных условиях величины, характеризующие пространство-время, становятся бесконечными. А это противоречит классической физике. Видимо, теория относительности неполная, если речь идёт об описании сильных гравитационных полей, где её уравнения перестают работать. Она как бы сама подсказывает, что граница её применимости находится вблизи точки сингулярности. А учёным всегда хочется преодолевать границы. Поэтому теория относительности наверняка не является последним словом в физике.

Завершая разговор о великом открытии Эйнштейна, хочу рассказать ещё об одном потрясающем и строго научном факте.

Он заключается в том, что в эту самую секунду вы движетесь со скоростью света. Кажется, что это совершенно невозможно, но это так, и прямо следует из специальной теории относительности: общая скорость движения через пространство и движения через время всегда равна скорости света.

Только вообразите себе: прямо сейчас вы несётесь со скоростью 300 000 км/с и даже не замечаете этого.

Несмотря на то, что со скоростью света может двигаться только свет, это верно лишь для движения через пространство. Ситуация меняется, когда речь идет о тесно переплетённом пространстве-времени, об объединённом движении через этот континуум. Движение через пространство и движение через время всегда взаимно дополнительны. Когда объект движется в пространстве, часть его движения во времени отвлекается. Чуть выше я рассматривал эту ситуацию, когда рассказывал о движении поезда. Но такой же подход применим к любому материальному объекту, в том числе к человеческому телу.

Удивительно, но время и пространство во Вселенной непосредственно зависят в том числе от вас, точнее от того, как вы двигаетесь именно сейчас. Это не трюк и не розыгрыш. Так реально устроено Мироздание.

Глава 5. Кот Шрёдингера

Свой знаменитый мысленный эксперимент Эрвин Шрёдингер предложил в 1935 году. Он демонстрирует как макро- и микромир взаимодействуют между собой.

Представьте себе, что в изолированный закрытый ящик помещён воображаемый кот, механизм с радиоактивным атомным ядром, а также колба с ядовитым газом. По условиям эксперимента ядро может распасться в течение часа с вероятностью 50/50. Если ядро распадётся, то смертельный механизм будет приведён в действие, колба с ядом разобьётся, и кот погибнет. Если ядро не распадётся, кот останется жив. Задача заключается в том, чтобы во время эксперимента, не открывая ящика, определить — жив кот или мёртв.

Несмотря на то, что этот мысленный опыт похож на злую шутку, а «несчастный» кот постоянно становится субъектом околонаучных спекуляций, отношение учёных к проблеме, поднятой Шрёдингером, более чем серьёзное. Дело в том, что от решения предложенной задачи ни много ни мало зависит ответ на вопрос о полноте понимания наукой современной физики.

Если экспериментатор откроет ящик, он обязательно увидит только одно из двух конкретных состояний — «ядро распалось, кот мёртв», или «ядро не распалось, кот жив». Но как определить статус кота, не открывая ящика?

Пока он закрыт, система «ядро-кот» находится в состоянии «ядро распалось, кот мёртв» с вероятностью 50%, и в состоянии «ядро не распалось, кот жив» с точно такой же вероятностью 50%. Выходит, что кот, сидящий в закрытом ящике, одновременно и жив, и мёртв.

Но ведь мы точно знаем, что это невозможно. Просто не существует состояния, промежуточного между жизнью и смертью.

Хуже того, поскольку вероятность обоих исходов равнозначна, получается, что судьба кота становится ясной лишь тогда, когда ящик открывается. То есть, результат эксперимента зависит от поведения экспериментатора, точнее от момента времени наблюдения кота.

Следовательно, невозможно объективно установить, когда кот перестаёт находиться в неопределённом состоянии и оказывается либо живым, либо мёртвым. Получается, что физический процесс зависит в прямом смысле этого слова от взгляда наблюдателя.

Для учёных во времена Шрёдингера такой вывод был равнозначен краху всей науки. В классическом мире субъективные действия экспериментатора не могут влиять на объективные законы природы. В чём же дело?

Ответ дала квантовая физика.

Глава 6. Квантовая физика

Всю энергию во Вселенной мы наблюдаем в виде пучков, которые называются квантами. Самый известный из них — квант света — фотон.

В привычном нам макромире энергия переносится двумя способами. Во-первых, материальными частицами при движении. Во-вторых, волнами. Таким образом, все носители энергии могут быть либо корпускулярными (состоящими из частиц), либо волновыми.

Общепринятая точка зрения заключается в том, что классическая физика описывает мир в макроскопическом масштабе, а квантовая механика начинает работать только на уровне мельчайших частиц. Но чем больше мы познаём реальность, тем больше появляется аргументов в пользу того, что наш мир в целом квантовый. Это заставляет пересмотреть многие традиционные взгляды на Вселенную.

Границу между макромиром, в котором действуют классические законы физики, и микромиром, в котором действуют законы квантовой механики, определяет постоянная Планка. Постоянная Планка используется во всех главных уравнениях квантовой механики. Она устанавливает минимальный предел пространства, после которого начинают сказываться неопределённые законы квантового мира.

Значение постоянной Планка выражается числом 0.0000000000000000000000000000006626 Дж/с. Длина Планка = 0.00000000000000000000000000000000001 сантиметра.

На меньшем расстоянии понятие пространства становится бессмысленным.

Чтобы понять, насколько это маленькая величина, приведу такое сравнение: если размер атома увеличить до размера видимой Вселенной, то длина Планка будет равна длине обыкновенной трости.

Время Планка примерно =10—44 секунды. Это временной интервал, необходимый свету, чтобы преодолеть длину Планка. Ниже него общепринятое понятие времени также бессмысленно.

Планковские значения характеризуются тем, что на их границах квантовые флуктуации пространства-времени становятся определяющими и чрезвычайно сильными. На этих масштабах привычные нам законы физики перестают работать.

Первый квантовый эксперимент был проведён ещё в 1801 году Томасом Юнгом. Это очень известный опыт с двумя щелями при котором через экран с двумя маленькими отверстиями проходит свет. Когда Юнг разместил позади этого экрана другой, сплошной и тёмный, то, к своему удивлению, обнаружил на нём не две точки света, а волновой узор. В те годы это было совершенно необъяснимо.

Сейчас мы точно знаем, что столь поразительный результат эксперимента может означать лишь одно — квант одновременно является и частицей, и волной.

Это сложно сразу осознать.

В привычном мире мы имеем дело либо с частицами (условно говоря — «шарик»), либо с волной (условно говоря — «рябь» на поверхности). В повседневной жизни мы представляем свет как волну. Но на самом деле в квантовом мире он может быть частицей — фотоном. Напротив, электрон и другие частицы могут вести себя как волны. Это свойство называется дуальностью или двойственностью квантового мира. В котором, как выяснилось, наши представления о «нормальном» поведении материи неприменимы.

По-настоящему поразительные результаты были получены в XX веке, когда появилась техническая возможность проверить опыт Юнга на современной аппаратуре. Учёным удалось пропустить через экран с двумя щелями единственный фотон.

«Здравый смысл» подсказывал экспериментаторам, что один квант уж точно не может быть волной. Следовательно, он способен пройти только через одну щель, а не через обе одновременно.

Тем не менее, при испускании отдельного фотона на заднем тёмном экране вновь образовались полосы волновой интерференции, словно фотон прошёл через обе щели.

Аналогичные результаты были получены и для космологических расстояний, когда с целью пропуска сквозь щели улавливались фотоны, испущенные миллиарды лет назад квазарами, чрезвычайно отдалёнными от нас космическими объектами.

Неоднократно продублированные эксперименты убедительно доказали, что частицы из одного источника всегда интерферируют друг с другом. И тогда, когда интервал их испускания составляет доли секунды, и тогда, когда он равен миллиардам лет.

Причём, неважно где это происходит — в земной лаборатории или на краю Вселенной.

Дальнейшие исследования дали настолько неправдоподобную картину реальности, что Альберт Эйнштейн или Нильс Бор, наверное, поставили бы на кон свою научную репутацию против подобного «шарлатанства».

Обнаружилось, что, двигаясь через экран, частицы перемещаются не по прямой и не по кривой. Они вообще не прибегают к какому-то обходному маневру. Частицы предпочитают самое «рациональное» решение — они проходят одновременно по всем возможным путям.

Я не ошибся и это не опечатка в тексте книги. Частицы пробегают именно по всем возможным путям, даже тем, которые могут лишь теоретически возникнуть в воображении.

Например, в одном из способов они обязательно достигнут щели строго сквозь ваш старый дырявый ботинок. Совершенно неясно, как относится к этому факту — с чувством обречённости или с чувством юмора. Я предпочитаю второе.

Самое смешное, но фантастика здесь только начинается. Проходя по всем возможным траекториям, частицы начинают грубо нарушать базовые физические законы. Они перемещаются быстрее света, меняют массу, возникают ниоткуда и пропадают в никуда. Происходят «невозможные» в нашем понимании события. Как это объяснить?

На самом деле ответ прост и парадоксален одновременно. Аномальное поведение частиц — это не невозможные, а просто крайне маловероятные события. Но, маловероятные для нашего классического макромира. А в квантовом мире они случаются постоянно, поэтому их необходимо учитывать при любых расчётах.

Вероятность глубоко встроена в саму структуру реальности. Очень важно зафиксировать этот вывод, иначе невозможно понять самую суть квантовой физики, которая кардинально отличается от классической. Осознать квантовый мир возможно лишь отказавшись от «очевидных» законов, действие которых каждый из нас ежедневно наблюдает в окружающем макромире.

Приведу такой пример. В классической науке, имея качественную аппаратуру, вы очень точно можете измерить положение трёх планет в космическом пространстве. Более того, опираясь на дополнительные данные, вы можете с помощью мощного компьютера рассчитать местоположение каждой из планет на её орбите в какой угодно момент времени, как в прошлом, так и в будущем. Например, совсем не сложно определить космические координаты Земли, Марса или Венеры на тысячу лет вперёд и назад. И это будут окончательные, неизменные результаты. Планеты никогда не будут произвольно перескакивать с одной орбиты на другую, ведя себя непредсказуемым образом. Даже если произойдёт какой-то глобальный катаклизм, например, погибнет Солнце, всё равно можно предсказать как изменятся орбиты планет, какие из них погибнут в огне звёздного коллапса, а какие будут выброшены в межзвёздное пространство. Весь вопрос лишь в мощности вычислительного оборудования для столь сложных расчётов.

Квантовая физика совсем другая. Если вы проведёте эксперименты с участием трёх частиц, вы никогда не получите одинаковые результаты измерения. На первый взгляд, они вообще будут казаться случайными. Но многократно повторив опыт, вы обнаружите важные закономерности. Каждая из трёх частиц, а также их группы будут с определённой, просчитываемой, вероятностью оказываться в конкретном месте.

Современные учёные умеют производить такие вычисления. Вероятностные предсказания квантовой механики всегда соответствуют экспериментальным данным. Поэтому никто из физиков не сомневается в правильности её законов. Некоторые части квантовой теории проверены с точностью до миллиардных долей. Её базовые принципы не просто экспериментально подтверждены, а лежат в основе работы огромного количества реальных приборов и устройств.

Люди привыкли к тому, что все вещи всегда находятся в определённом состоянии. Основной постулат квантовой механики состоит в том, что даже если произвести очень точные измерения, то, в самом лучшем случае, можно лишь предсказать вероятность того или иного события.

Вероятность главенствует в мире.

Максимум, что можно предсказать, это вероятность того, что та или иная составная часть природы будет найдена здесь или там. Квантовая механика описывает мир, в котором всё находится в неопределённости.

Для упрощения восприятия темы я приводил пример с тремя планетами. Однако, если быть точным, то классическая физика утверждает, что когда мы знаем информацию о текущем состоянии каждой частицы в космосе, то используя физические законы, можно рассчитать, как Вселенная выглядела бесконечно далеко в прошлом и какой она будет в бесконечно далёком будущем.

Квантовая механика опровергает этот вывод. Невозможно узнать точное положение даже одной частицы, не говоря уж о космосе в целом. Максимально, что можно сделать — предсказать вероятность того или иного события.

Ещё недавно нам казалось, что все объекты Вселенной, приведённые в движение в далёком прошлом, с фатальной неизбежностью двигаются в сторону строго определённого будущего. Квантовая механика разрушила эти представления.

Конечно, во Вселенной работают строгие фундаментальные законы. Но они устанавливают лишь вероятность того или иного сценария будущего и не способны определить, какое именно будущее наступит в действительности.

Вселенная глобально не стационарна. Она основана на вероятностном раскладе. И здесь очень важно не запутаться в терминах.

Нельзя сравнивать вероятность в квантовом мире с той вероятностью, с которой мы встречаемся в обычной жизни. Например, с игрой в рулетку в казино.

Игрок уверен, что существует некая совершенно точная, но не 100%- ная вероятность выпадения шарика на то или иное число. Но это совсем не так. Достаточно иметь необходимые вычислительные мощности и полные знания о физических параметрах участников процесса игры и окружающего пространства, чтобы абсолютно точно, со 100%- ной вероятностью, установить, в ячейке с каким числом остановится шарик после броска крупье.

Разумеется, человек за игровым столом не в состоянии сопоставить все эти значения и произвести необходимые расчёты. Слишком уж много данных необходимо учесть, поэтому такие вычисления не способен сделать даже самый мощный компьютер. Пока что. Невозможность подобного — просто дефицит транзисторов, который никоим образом не связан с фундаментальными свойствами природы.

В противоположность этому, в квантовом мире вероятность буквально встроена в самые основы Мироздания. Поэтому, известное утверждение Эйнштейна, что «Бог не играет в кости», можно интерпретировать в том смысле, что никакой игры вселенского масштаба нет по той простой причине, что само фундаментальное описание материи имеет вероятностный характер.

Законы квантовой механики действуют везде, в том числе в человеческом теле. И это не просто вопрос масштаба. Ещё недавно мы были убеждены в том, что всё в мире происходит определённым чередом. Однако, выяснилось, что все события во Вселенной «подвешены» в неопределённом состоянии и могут происходить частично тем и частично иным образом. Квантовые эффекты сложно увидеть на больших масштабах. Но дело не в размере, а в сложности понимания принципов взаимодействия квантовых систем, которые, с нашей точки зрения, противоречат здравому смыслу.

Возникает естественный вопрос. Если всё в мире имеет вероятностный характер, тогда почему классическая физика так точно предсказывает движение больших тел?

Ответ заключается в том, что макрообъект состоит из огромного количества частиц. Каждая из них в отдельности может вести себя «неадекватно», может даже нарушать законы классической физики. Но, крайне маловероятно, что миллиарды миллиардов частиц одновременно станут «нарушителями».

Теоретически возможно отклонение движения макрообъекта от предсказываемого законами Ньютона. В принципе, в следующее мгновение планета Земля может внезапно оказаться в Туманности Андромеды. И это абсолютно не противоречит ни одному закону физики. Однако, вероятность этого события настолько мала, что всего времени жизни Вселенной не хватит, чтобы хотя бы один раз увидеть подобное чудо в реальности.

В микромире ситуация иная. Вероятно, что какая-то одна частица, ещё сегодня утром бывшая частью вашей утренней чашки кофе, сейчас входит в состав чашки вечернего коктейля инопланетянина в другой галактике. Не будем забывать, что в чашке кофе содержится больше атомов, чем стаканов воды во всех океанах на Земле. При такой математике неудивительно, что какой-то микроскопический «экстремал» повёл себя не по правилам и моментально «улетел» из Млечного Пути.

Чем меньше объект, тем больше «размазываются» его вероятностные варианты. Слишком много местоположений в макромире, где отдельная маленькая частица может находиться с достаточной вероятностью. Именно поэтому в микромире квантовая природа реальности проявляется во всей полноте.

Квантовую механику сложно понять, потому что она противоречит нашей интуиции. Мне сложно описать её базовые принципы в знакомых вам терминах и фразах, так как смысл многих понятий можно передать лишь приблизительно. Поэтому постоянно приходится прибегать к аналогиям. Конечно, это очень грубые приближения. Но иного выхода нет, поскольку неизвестно, с какой стороны ждать подвоха.

Квантовая механика привнесла в науку элемент абсолютной непредсказуемости. Для одних расчётов удобно рассматривать частицы, как волны. Для других — волны, как частицы. Где-то применимо одно описание, где-то совершенно другое. Почему Природа опирается на столь необычный математический аппарат абсолютно непонятно.

Ещё один завораживающий квантовый эффект — запутанность частиц.

Физики установили, что измерение одной квантовый системы оказывает мгновенное воздействие на сцепленную с ней. Причём, эта связь сохраняется между частицами, даже если они расположены на разных концах Вселенной.

Запутанность связывает частицы вне зависимости от их местоположения и сил взаимодействия между ними. Это могут быть два электрона в разных галактиках. Запутанность влечёт за собой противоречащее «здравому смыслу» явление — нелокальность, то есть возможность взаимодействия объектов без непосредственного контакта и без помощи каких-либо сил, передающих действие в пространстве. Это экспериментально подтверждённый квантовый эффект.

Если измерить электрон на Земле, то его сцепленный партнёр моментально отреагирует на измерение. Где бы он ни находился в необъятных просторах космоса. Каким-то совершенно непостижимым образом частица «узнаёт» о поведении партнёра сразу же.

Каждая частица обладает собственным моментом вращения, известным как спин. В тот момент, когда измеряется спин одной частицы, её «родственная» частица мгновенно начинает крутиться с той же скоростью, но в противоположном направлении. Даже, если одна из частиц находится на одном краю Вселенной, а другая — на противоположном.

Только представьте себе странность подобной ситуации. Предположим, у вас есть два одинаковых маленьких шарика. Один — на Земле, а второй — вы каким-то необычным образом забросили в Туманность Андромеды. Как только вы закрутите шарик здесь, тот, который в другой галактике, моментально начнёт крутиться с той же скоростью, но в противоположном направлении. Напомню, что расстояние от нас до Туманности Андромеды луч света способен преодолеть лишь за 2.5 миллиона лет. Неужели информация может распространяться быстрее света?

Нет, постулаты теории Эйнштейна не нарушаются. Запутанность квантового состояния не позволяет отправить информацию и энергию на другой конец Вселенной из-за принципа запрета Паули. Он утверждает, что две взаимосвязанные частицы в одной системе не могут существовать в одном состоянии. Хотя, по факту, взаимозависимость партнёров проявляется именно со сверхсветовой скоростью. Информационная связь частиц является очень прочной и мгновенной. Доказано, что она не зависит от пространства, времени и скорости света.

Поразительно осознавать, что, согласно квантовой механике, что-то, что вы делаете здесь и сейчас, может быть мгновенно связано с тем, что происходит на другом краю Вселенной. Два объекта могут быть разделены космологическим расстоянием и всё же быть не полностью независимыми друг от друга. Их объединяет квантовая связь.

Мы знаем, что классическая система всегда делится на части. Её общие свойства зависят от свойств составляющих компонентов.

Запутанная система совершенно другая. Её невозможно разделить. Запутанные частицы, разделённые огромным расстоянием в пространстве, связывают весь космос в единое целое.

Получается, что такие главные категории классической физики, как пространство и время, неожиданно уходят на дальний план.

Главным фактором структуры реальности оказывается запутанность квантовых состояний. Для поддержания связи между квантовыми системами пространство и время не нужно. За этим выводом следуют чрезвычайно глубокие последствия.

Если классическая теория вторична, то мы просто вынуждены рассматривать пространство и время как категории, выводимые из другой физики. Более фундаментальной. Такой физики, где пространство и время отсутствуют.

Теперь на время вернёмся к нашему коту в коробке, чтобы понять ещё один базовый постулат квантовой механики — принцип Суперпозиции.

Из эксперимента Шрёдингера следует вывод о том, что пока наблюдатель не откроет коробку, кот будет одновременно пребывать в состоянии «жив-мёртв». С точки зрения классической физики такие альтернативные, взаимоисключающие состояния не могут быть реализованы одновременно. Кот либо жив, либо мёртв, но никак не комбинация того и другого.

Однако, в квантовой физике у объекта может быть парадоксальное объединённое состояние «жив-мёртв», то есть ни то, ни другое, а как бы между ними. Именно такое положение называется Суперпозицией.

В реальном мире мы не наблюдаем «мёртво-живого» кота, но в квантовой реальности это возможно. Именно взаимозависимость частиц в Суперпозициях приводит к их запутанности.

Суть в том, что состояния квантово-механической системы являются векторами. Поэтому их можно складывать и умножать. Значит, возможна любая комбинация этих состояний. Принцип Суперпозиции объясняет каким образом объект «одновременно» находится в разных местах.

Каким образом частица покидает состояние Суперпозиции и проявляется в классическом мире?

Обычно люди думают, что частицы похожи на маленькие шарики. Но это совсем не так.

Скорее они напоминают небольшие облачка.

Наиболее вероятно «отловить» частицу, обнаружить её во время измерения в самой «плотной» части облачка. Конечно, это условное описание для наглядности. Никаким бесформенным объектом частица в реальности не является.

Она вообще не объект в общепринятом понимании этого термина. Дело не в том, что мы не знаем координаты частицы. Их просто не существует в принципе. Частицы нужно рассматривать как возбуждения квантового поля.

В 1926 году Макс Борн предположил существование в природе так называемой волны вероятности. Её невозможно увидеть или измерить. Она простирается через всё пространство Вселенной. Волна вероятности представляет собой функцию координаты частицы. Борн назвал её волновой функцией.

Квадрат этой функции определяет вероятность обнаружения частицы в том или ином месте пространства. Отдельную частицу можно обнаружить только в одном месте. Но распределение множества частиц по разным местам подобно волне. Волновая функция определяет вероятность попадания частицы в одно из этих мест. Пик волны — это точка максимальной вероятности, указывающая, в каком месте пространства скорее всего окажется частица. С течением времени пик волны смещается в пространстве в соответствии с математическим уравнением, предложенным Шрёдингером. То есть, в квантовом мире частица ведёт себя подобно волне.

Суперпозиция квантовых состояний распространяется не только на отдельную частицу, но и на их группу. Поскольку частицы спутаны между собой, то волновая функция Суперпозиции всей квантовой системы одновременно описывает качества каждой частицы, её составляющей.

Суперпозиция распадается в тот момент, когда вы измеряете, или, если угодно, наблюдаете положение частицы. Открыв коробку, вы увидите живого или мёртвого кота. Аналогично, частица моментально среагирует на акт наблюдения и займет определённое место в пространстве.

Разумеется, вы не в буквальном смысле слова смотрите на частицу, а измеряете её положение. Её волна вероятности в этом месте поднимается на самый пик, достигая ста процентов, а во всех остальных местах коллапсирует. Каждый раз при взгляде на вероятностную неопределённость, она «схлопывается», превращаясь в привычную реальность.

При наблюдении волны вероятности она мгновенно коллапсирует везде, кроме одного выделенного места. Таким образом, реальность базируется на вероятностных волнах, при этом увидеть их невозможно, потому что сам акт наблюдения разрушает подобный план.

Волновая функция уничтожается самим актом наблюдения и объект становится реальным. Соответственно, главное предназначение волновой функции заключается в том, что она позволяет нам узнать точную вероятность обнаружения объекта в конкретном состоянии.

Физики сегодня в целом понимают механизм преобразования вероятностного квантового мира в привычный нам материальный. Однако, к сожалению, по-настоящему глубокого осознания того, что представляет собой волновая функция, нет.

Сложность в том, что не ясно, почему и каким образом частица «выбирает» единственный из множества вариантов будущего. Совершенно непонятно вследствие чего из бесконечного числа альтернатив реализуется именно «наше» Мироздание.

В 1952 году Дэвид Бом выдвинул идею причинной интерпретации квантовой механики. Учёный предположил, что, помимо волновой функции, во Вселенной существуют дополнительные «скрытые» переменные.

Всё неопределённое — на самом деле чётко определено. Реальность — реальна. И Природа прекрасно знает значения этих «скрытых» переменных. И частица тоже знает. А вот люди — нет.

По мнению Бома, электрон находится в строго определённом месте, а волновая функция как бы направляет частицу в разные стороны, определяя её колебательные движения. Никакого коллапса волновой функции нет, и она никуда не исчезает. Делая измерения, мы просто обнаруживаем место, где всё это время находилась частица. Но мы не знаем, какая она сейчас и какая будет в следующее мгновение. Однако, всё же влияем на неё самим актом своего наблюдения.

Базовая волна, или, говоря по-другому, квантовый потенциал Мироздания исходит из «скрытой», недоступной обычному наблюдению области Вселенной и направляет поведение частиц в нашем мире.

Глубинный уровень реальности Бом назвал «скрытым» порядком, где состояния частиц строго закодированы. Наша реальность или «явный» порядок основывается на «скрытом» и происходит из него.

При таком подходе, странное поведение частиц является не более, чем поверхностным человеческим восприятием. На самом деле оно организовано на глубинном уровне и определяется квантовым потенциалом. Вселенная во всех пространственных масштабах является квантовой. Классическая физика просто является удобным приблизительным описанием природы.

Может ли быть, что вся Вселенная является частью огромной сверхволновой функции? Теоретически, да.

Поскольку каждая частица связана с волной, то последняя обладает информацией о вероятности обнаружения частицы в любой точке. Ранняя Вселенная в момент Большого Взрыва была микроскопической. Этот момент характеризуется максимальным переплетением всех сил и энергий. Если сегодня частица способна существовать одновременно во многих состояниях, то можно допустить, что когда Вселенная сама была размером, сопоставимым с размером частицы, то она тоже существовала во многих состояниях. Именно такое исходное положение может описывать гипотетическая сверхволновая функция.

Интересно, что при таком подходе внутри Вселенной наблюдатель не нужен. А снаружи? Это вопрос.

Во всяком случае, понятно, что сверхволновая функция может существовать только в весьма отличном от нашего «сверхпространстве». Логично допустить, что в таком мире в принципе допустимо присутствие «сверхнаблюдателя».

Акт наблюдения вообще является неотъемлемой частью квантовой механики именно как катализатор выделения реального события из общей неопределённости. До того, как кто-либо измерит положение частицы, бессмысленно спрашивать, где она находится. Она никогда не занимает никакого определённого места. Оно возникает лишь тогда, когда на частицу кто-то «смотрит». До и после наблюдения она имеет лишь потенциальное положение, определяемое волной вероятности.

Важно понять суть данного вывода. Ошибочно думать, что частица имеет какое-то положение, а мы просто не можем его определить, пока не «посмотрим». Никакого «места тайного пребывания» нет. Увидев частицу, мы не фиксируем ранее объективно существующий «кусочек» реального мира. Мы эту реальность создаём сами актом своего наблюдения. И это просто поразительно.

Квантовая механика требует присутствия наблюдателя. Сама по себе она не предсказывает единственного результата наблюдения. Она предлагает множество сценариев. При этом определяет вероятность реализации каждого из них. Но сами события становятся реальными и покидают квантовую неопределённость лишь под влиянием наблюдения.

Здесь существует большая проблема — квантовая механика не может объяснить, как будет выглядеть мир в наше отсутствие. Это умозаключение порождает удивительные вопросы. Если дерево упадёт в лесу, где его никто не наблюдает, то произведёт ли оно грохот? Если вы повернулись спиной к дереву и не смотрите на него, продолжает ли оно пребывать в реальном мире или его волна вероятности расплывается? Остался ли лес на своём месте, когда вы отвернулись?

Ещё одной проблемой квантовой теории является вопрос разделения мира.

Допустим, вы производите измерение частицы в лаборатории. Я, в свою очередь, в это время наблюдаю за вами со стороны через стекло из соседней лаборатории. С вашей точки зрения, между вами и наблюдаемой частицей можно провести разделительную линию. Вы и частица — две независимых, отдельных системы. На ваш взгляд.

Однако, для меня, как для стороннего наблюдателя, и вы, и частица и вся ваша лаборатория являются единой системой. С моей точки зрения.

Получается, что вы и я описываем две разные грани реальности. То, что вы рассматриваете как измерение вами частицы, я расцениваю как две взаимодействующие физические системы — частицу и вас. И непонятно, мнение кого из нас, в принципе равноценных наблюдателей, более «правильное». Кто наблюдает «по-настоящему верно», вы или я?

Любую квантовую систему невозможно измерить, не нарушив её состояния. Чем больше информации извлечено при измерении, тем сильнее нарушение. Правильное описание квантового измерения должно включать в себя не только измеряемый объект и измерительное устройство, но и наблюдателя. Особенно интересным представляется соображение, что даже не просто наблюдателя, а его сознания, в котором отображается результат измерения. Может быть, критически важным является не просто наблюдение, а именно осознанное наблюдение?

В этой связи, наиболее принципиальной проблемой квантовой механики является вопрос о том, что значит «правильно» наблюдать.

Обязательно ли в качестве наблюдателя должен выступать человек? Или, как указывал Эйнштейн, достаточно беглого взгляда мыши. А, может, хватит воздействия бактерии для того, чтобы волновая функция «схлопнулась».

Если же необходимо обязательное участие разума, то какое именно существо можно назвать допустимым наблюдателем?

Например, является ли таковым робот или специально настроенная «смотрящая на космос» компьютерная программа?

Кто наблюдал Вселенную до момента появления разумного человека на Земле? Внеземной интеллект или гипотетическое «чистое сознание»?

Наконец, что произойдет с миром, когда в очень далёком будущем существование любого наблюдателя станет физически невозможным из-за разрушения материи?

Есть ли разница между тем, что «знает» Природа и тем, что «знает» наблюдатель? Например, в случае кота Шрёдингера представляется очевидным, что, когда экспериментатор еще «не знает» жив кот или нет, Природа или какой-то «истинный сверхнаблюдатель» уже должны точно «знать». Это очень важный философский вопрос.

Глубокий подход к пониманию квантовой механики предложил Ричард Фейнман.

Представьте себе, что вам надо пересечь комнату по оптимальному маршруту. Для решения этой несложной практической задачи в классическом мире вы просто пойдете по кратчайшему пути от точки А до точки В.

В квантовом мире такой подход неприемлем. В нём вы должны учесть все возможные пути, соединяющие А и В. Не просто прямые, удобные, оптимальные, кратчайшие дороги, а буквально все. Все внутрикомнатные и внутридомовые, внутрирайонные и внутригородские траектории, вообще все возможные варианты прохождения по Земле, в том числе через Северный Полюс и вершину Эвереста. Но это только начало.

Квантовая теория распространяется на всю Вселенную. Поэтому вы должны учесть также пути, которые ведут вас из одного конца комнаты в другой через Луну и Марс, ближайшую звезду и центр Млечного Пути, через Туманность Андромеды и даже те, которые распространяются назад во времени вплоть до момента Большого Взрыва.

Неважно, что практически все эти маршруты кажутся вам необычными, дурацкими, нереальными, противоречащими «здравому смыслу» и «житейскому опыту». По законам квантового мира надо учесть все пути без какого-либо исключения.

Рассмотрев такой сценарий, Фейнман проделал сложнейшие вычисления, называемые функциональным интегрированием. Он приписал каждому пути определённую математическую величину. Сложение величин всех возможных путей дало вероятность перехода из точки А в точку B в соответствии с постулатами квантовой механики. Проще говоря, учёный произвел математическое суммирование всех возможных траекторий.

Итог, полученный Фейнманом, оказался поистине поразительным. Выяснилось, что сумма величин, включающих пути, большинство из которых прямо нарушают законы Ньютона и Эйнштейна, в среднем уравновешивалась и давала очень небольшое число. Но, самое главное заключалось в том, что наибольшей итоговой величиной обладал тот самый первый путь на основе классической физики, когда вы просто не задумываясь пересекаете комнату по оптимально короткому маршруту.

Это чрезвычайно важный научный результат.

Получается, что путь, основанный на «здравом смысле», является наиболее вероятным с точки зрения квантовой механики.

Говоря по-другому, как бы странно это ни казалось, каждый раз просто идя по комнате, вы каким-то неведомым образом сопоставляете и исследуете все пути, ведущие к далёким звёздам и Большому Взрыву, суммируете их, и останавливаете свой выбор на наиболее вероятном. Причём путь, который привел бы вас прямиком в другую галактику, отклонён от классического на очень незначительную величину. Но, на наше счастье, эта дорога очень маловероятна, иначе все земляне уже давно бы разбрелись по просторам Вселенной.

И это не фантастическая гипотеза. Это сама природа квантовых флуктуаций, представляющих пути, сумма которых весьма мала.

Проверенные математические способы формулировки квантовой теории сегодня базируются именно на интегралах по траекториям. Поэтому можно утверждать, что наше представление о реальности, основанное на «здравом смысле», на поверку оказывается всего лишь наиболее вероятным состоянием из бесконечного числа возможных.

В мире очень немного людей, кто понимает квантовую механику на интуитивном уровне, то есть улавливает самую суть того, что в действительности происходит вокруг нас. И это вполне объяснимо, так как такое понимание практически полностью разрушает привычное представление о реальности.

Сужу по собственному опыту. Чем больше я стал разбираться в квантовой механике, тем нелепее она для меня выглядит. Но верность этой теории неоднократно измерена с высочайшей точностью. Несмотря на кажущуюся абсурдность, она является самой точной физической теорией в современной науке.

Мне почему-то кажется, что дальнейшее развитие квантовой физики, неизбежно приведёт к ещё более потрясающим результатам. Наука только начинает разбираться в истинной структуре Мироздания. Не удивлюсь, если более совершенная теория будет ещё сильнее противоречить «здравому смыслу».

Если вы мало что поняли, прочитав эту главу, не переживайте — именно так и должно быть.

Квантовая механика по своей сути не приспособлена к осознанию именно человеческим мозгом. Наш организм эволюционирует в классическом мире, мир лёгких частиц — не наш. Поэтому в квантовой теории немудрено запутаться даже самому проницательному читателю. В этом вы равны, например, тому же Эйнштейну. Главное в другом. Для понимания квантовой физики совершенно не обязательно вызубрить соответствующие уравнения, надо стремиться интуитивно уловить её принципы. А это большая проблема.

Чёткого понимания ни природы Реальности, ни реальности Природы у нас пока что нет.

Глава 7. Парадоксы квантового мира

Мир квантовой механики таит в себе множество удивительных загадок. Одним из примеров является парадокс Эллсберга.

Представьте такую ситуацию. В непрозрачную ёмкость кладут 90 одинаковых красных, чёрных и жёлтых шаров. Известно, что красных из них ровно 30. Количество чёрных и жёлтых неизвестно. Вам предлагают два раза поспорить о том, шар какого цвета будет вытащен наугад. В каждом споре у вас есть два альтернативных варианта выбора.

В первом споре:

Вариант №1 — вы победите, если случайно достанут красный шар.

Вариант №2 — вы победите, если случайно достанут чёрный шар.

Во втором споре:

Вариант №3 — вы победите, если случайно достанут красный или жёлтый шар.

Вариант №4 — вы победите, если случайно достанут чёрный или жёлтый шар.

Признаюсь, когда я впервые познакомился с парадоксом Эллсберга, то практически сразу, можно сказать, интуитивно, выбрал вариант №1 в первом споре и вариант №4 во втором. Не удивлюсь, если такой же выбор сделали вы. Во всяком случае, подавляющее большинство людей предпочитают именно эти варианты пари, другие альтернативы выбирают очень редко.

Подобные результаты теста труднообъяснимы. Даже поверхностный математический расчёт показывает, что нет никаких объективных оснований предпочесть один вариант другому. Во всех случаях шансы выиграть спор примерно равны. Следовательно, все четыре возможных альтернативы должны получать примерно по 25% голосов тестируемых. Тем не менее, большинство людей выбирает вполне определённую комбинацию №1 и №4. Но почему?

Видимо, дело в том, что в этом тесте человеческое сознание сталкивается с логикой квантового мира и в этот момент происходит нечто необычное.

Вначале испытуемый имеет дело с вероятностью. Он быстро просчитывает, что шанс случайно вытащить красный шар составляет 33,3%.

Но на следующем этапе теста испытуемый сталкивается с неопределённостью. Он не может рассчитать вероятность получения нужного шара. Соотношение чёрных и жёлтых шаров может быть и 30 к 30, и 59 к 1. Следовательно, совершая выбор, надо объединить известную вероятность с неизвестной. Классическая логика принятия решения перестаёт работать.

Но на основании чего делается выбор, как правило, совершенно математически некорректный? Напрашивается почти фантастическое объяснение. Неужели большинство людей строит свой выбор на логике квантового мира, как раз известного своей парадоксальностью?

Когда учёные просчитали на компьютере, какие из вариантов спора предпочтительны с точки зрения теории квантовой вероятности, то получили ожидаемый, но от этого не менее удивительный ответ — первый и четвёртый. Чем это объяснить? Пока что совершенно непонятно.

Зато, некоторые квантовые загадки физикам, возможно, удалось решить. Так, в частности, сегодня сформулировано достаточно правдоподобное объяснение неопределённого состояния нашего кота в коробке.

Решение связано с хорошо известным явлением декогеренции, при котором любая система неизбежно смешивается с внешней средой.

Смысл в том, что при проведении эксперимента невозможно абсолютно изолировать кота от внешнего мира. Он все равно контактирует с коробкой, воздухом, элементарными частицами, космическим излучением. И все эти взаимодействия неизбежно искажают волновую функцию.

Любой внешний контакт может вызвать её коллапс. И тогда она естественным образом распадается на две не взаимодействующие волновые функции мёртвого и живого кота. А это значит, что кот уже жив или мёртв до самого акта наблюдения — открытия коробки.

Чтобы кот находился в Суперпозиции, его волновая функция должна быть строго синхронизирована. Это состояние называется когеренцией. Его можно создать в очень сложной лаборатории, но в реальном мире полностью изолировать объект от окружающей среды вряд ли возможно.

Это достаточно убедительное объяснение, однако, оно по-прежнему не даёт ответа на главные вопросы.

Как Природа «выбирает» в какое состояние должна коллапсировать волновая функция?

Кто или что определяет итоговое состояние кота?

Декогеренция показывает разделение двух волновых функций, но ответа на главный вопрос — жив кот или мёртв — по-прежнему нет.

Более того, «злоключения» кота Шрёдингера на этом не закончились. Таинственный квантовый мир припас ещё одну, связанную с ним, загадку, известную как парадокс друга Вигнера.

Юджин Вигнер усложнил мысленный эксперимент с котом и на выходе получил результат, ещё более шокирующий, чем изначальный. Суть модернизированного опыта в следующем.

Допустим, когда экспериментатор открывает ящик, он обнаруживает состояние «атом не распался, кот жив». Учёный абсолютно убеждён в этом, для него это неоспоримый факт, он лично видит довольного мурлыкающего кота.

В то же время вне лаборатории находится друг Вигнера, который пока что не знает, жив кот, или мёртв. Для него по-прежнему система находится в состоянии Суперпозиции. Но как только Вигнер сообщит ему результат эксперимента, друг также признает кота живым.

Теперь предположим, что друзей у учёного несколько. Разумеется, каждый из них признает кота живым лишь тогда, когда получит абсолютно достоверную информацию о реальном состоянии животного от своего друга-экспериментатора.

А что если друзей очень-очень много, что если с Вигнером дружит всё человечество или, того хуже, многочисленные инопланетные учёные?

И здесь возникает парадоксальный нюанс.

Получается, что сколь долго не делись информацией с друзьями, в бескрайнем космосе всегда найдётся хоть кто-то, кто не знает истинное состояние кота и уверен, что система всё ещё находится в состоянии Суперпозиции.

То есть, объективно, кота можно будет признать достоверно живым лишь тогда, когда о результате эксперимента будет сообщено всем без исключения наблюдателям во Вселенной, что трудно реализуемо, если вообще возможно в принципе.

Но до тех пор в масштабе Космоса кот Шрёдингера всегда остаётся одновременно полуживым и полумёртвым.

Глава 8. Принцип неопределённости Гейзенберга

В квантовой механике частицы не движутся по заданным траекториям, как в классической физике Ньютона. Движение элементарной частицы определяется её волновой функцией, развёрнутой в пространстве.

Мы никогда не можем быть уверены в исходном состоянии квантовой частицы, и не способны установить её точного местоположения и параметров движения. Более того, чем лучше мы знаем одну из характеристик частицы, тем меньше нам известно о другой. Грубо говоря, если мы знаем точное местоположение элементарной частицы, мы не имеем ни малейшего представления об её скорости. Если же мы вычислим её скорость, мы не способны сказать, где она находится.

Всё вышесказанное вытекает из принципа неопределённости, который был сформулирован Вернером Гейзенбергом в 1927 году.

Неопределённость состоит в том, что мы можем знать, где находится квантовая частица в пространстве, или как она движется, но мы не можем знать то и другое одновременно. Какую бы точную аппаратуру для вычисления мы не использовали, результата не будет. Дело ни в погрешности измерения, ни в технологической примитивности приборов, это фундаментальное свойство Вселенной, вплетённое в саму ткань физических законов. Мы не способны предсказать, где будет находиться квантовая частица в каждый конкретный момент времени.

Что мы можем определить точно, так это вероятность того, где она будет находиться. Иногда вероятность равна 1, то есть становится определённостью. Тогда прогнозируемый результат будет на 100% получен, что можно использовать на практике при создании квантовых приборов.

Согласно принципу неопределённости, частица не существует, пока её положение не измерит наблюдатель. То есть, пока этого не произошло, частица одновременно находится везде и нигде. Это потрясающее свойство квантового мира в корне противоречит нашему представлению о наблюдаемой реальности.

Вокруг вас множество хорошо знакомых материальных объектов и все они ведут себя вполне определённым образом. Стол не превращается в стул, а затем в шкаф. Вы точно можете предсказать, что Солнце не «зависнет» в одной точке неба на два дня. Потому что есть фундаментальные физические законы классического мира. Исходя из этого, вы уверенно знаете, как могут и как не могут «вести себя» окружающие вас материальные объекты. На основании такого, вполне справедливого заключения, вам кажется, что и всё остальное во Вселенной должно подчиняться, пускай необычным и сложным, но все-таки достаточно определённым правилам.

Когда выясняется, что на самом фундаментальном уровне реальности царит полная неразбериха, это шокирует неподготовленного читателя. Квантовый мир кажется не просто загадочным, а пугающим, противоречащим самому фундаменту Природы.

Тем не менее, факты игнорировать невозможно. Нашим миром правит принцип неопределённости. Природа по какой-то причине ограничила нашу способность предсказывать будущее. Мы не способны адекватно оценить не то что дальнейшее, но даже текущее состояние Вселенной.

Сейчас, когда вы читаете эти строки, вокруг вас в буквальном смысле этого слова бурлит невообразимо запутанная, необычайно сложная и недоступная интуитивному пониманию квантовая жизнь, где абсолютно ничто не определено. Но именно на том, недоступном вашему восприятию уровне, располагаются истинные кирпичики Мироздания.

Все, окружающие вас большие и привычные материальные объекты, не более, чем проекции истинной реальности. И эта настоящая реальность — неопределённая. Определённой, фиксированной, она становится лишь в момент измерения внешним наблюдателем, в том числе, вами лично.

Поняв суть принципа неопределённости Гейзенберга, создаётся впечатление, что наш мир специально устроен так, что в нём никто и никогда не способен предсказать будущее.

Глава 9. Квантовые «чудеса»

Физика разрешает «чудеса».

Согласно квантовой теории, существует минимальная вероятность того, что может случиться всё, что угодно.

Можно даже просчитать, например, вероятность того, что вы пройдёте сквозь стену, нарушив при этом принцип запрета Паули. Шансов у вас микроскопически мало, но они объективно есть.

Пробуйте. Один раз в триллион лет у вас наверняка получится.

Объясняемые физикой чудеса возможны.

Более того, само зарождение нашей Вселенной следует признать уникально необычным событием.

Возможно, момент Большого Взрыва был «чудесным» квантовым переходом вещества в новое состояние.

В любом случае, наш мир появился в результате очень маловероятного стечения обстоятельств.

Глобальная мечта разумного создания в нашей Вселенной — способность овладеть квантовыми вероятностями.

Тогда станут реальными самые фантастические идеи, такие как сверхсветовые путешествия или перемещение во времени.

Например, достижение далёких звёзд за считанные секунды очень маловероятно, но прямо не запрещено квантовой физикой. Если овладеть такой технологией, то любое невозможное станет возможным.

Конечно, человечество ещё не готово взяться за решение задачи по искусственному изменению вероятностей происхождения событий.

Но, как знать, может, наши далёкие потомки подчинят себе законы квантового мира.

Артур Кларк совершенно справедливо писал, что, если авторитетный учёный утверждает, что нечто невозможно, он почти наверняка не прав, поскольку любая достаточно ушедшая вперёд технология практически неотличима от магии.

Почему возможность необычных явлений очень мала?

Во-первых, волна вероятности обычно имеет значительную величину в ограниченной области пространства и ослабевает по мере удаления от неё.

Во-вторых, что ещё более важно, чрезвычайно маловероятно, что не одна, а огромное множество частиц одномоментно поведут себя экстремально. Поэтому в жизни мы не сталкиваемся с такими вероятностными проявлениями квантовой механики как самосборка разбитой чашки.

Волновая функция простирается далеко вглубь Космоса. Есть вероятность мгновенного перемещения вашего тела в любую точку Вселенной через 5 секунд. Это не противоречит законам квантовой физики. Но чрезвычайно маловероятно. Поэтому такие возможности люди просто игнорируют, как несбыточные.

Однако, не стоит забывать, что вы являетесь неделимой составляющей глобального квантового мира. Законы запутанности вполне применимы к частицам вашего тела. Всегда, когда кто-то наблюдает вас, происходит коллапс вашей волновой функции. Это означает, что частицы, взаимосвязанные с вашей волновой функцией в ту же секунду проявляют себя где-то ещё. Может быть, на другом краю Галактики. Задумайтесь об этом интересном и полностью научном факте.

Наблюдение вас здесь и сейчас может мгновенно повлиять на что-то, происходящее в миллиарде световых лет от Солнца и это влияние распространяется со сверхсветовой скоростью.

Это поразительный вывод, показывающий фундаментальное единство квантового мира.

Глава 10. Масса

Все окружающие нас объекты обладают массой. Мы воспринимаем этот факт, как само собой разумеющийся. Хотя на кажущийся простым вопрос «откуда возникает масса?», неподготовленному человеку ответить сложно.

На самом деле это очень принципиальный вопрос для физиков. До недавнего времени именно отсутствие ответа на него, не позволяло считать Стандартную модель Вселенной полной.

Действительно, почему некоторые элементарные частицы имеют массу, а другие нет? Откуда она появляется и почему так избирательно?

По какой причине масса отличается у разных частиц, причём, иногда, очень значительно? Например, верхний кварк тяжелее нейтрино в 600 млрд. раз.

Наконец, почему значение массы у каждой элементарной частицы строго определено?

В 1964 году Питер Хиггс предположил существование вездесущего квантового поля, пронизывающего весь реальный мир. Именно оно, позже названное полем Хиггса, наделяет объекты массой.

То есть, масса у элементарной частицы появляется вследствие её взаимодействия с полем Хиггса.

Механизм обретения массы похож на прилипание пыли к шарику, катящемуся по смазанной клеем поверхности. По мере своего перемещения по липкой плоскости, шарик становится тяжелее. Аналогично набирают вес частицы, перемещаясь в многомерном пространстве сквозь вязкое квантовое поле.

Таким образом, масса представляет собой сопротивление тела ускорению. В результате своих взаимодействий с вездесущим полем Хиггса элементарные частицы сопротивляются попыткам изменить их скорость и приобретают массу.

Почему частицы имеют различные массы?

Объяснение состоит в том, что разные виды частиц взаимодействуют с полем Хиггса по-своему. С физической точки зрения, чем труднее что-либо двигать, тем оно массивнее. Если частица слабо взаимодействует с полем Хиггса, плавно двигаясь через него, то сопротивление будет небольшим, и такая частица имеет малую массу. Наоборот, чем существеннее частица взаимодействует с полем Хиггса, тем большую массу она приобретает. Массы объектов очень разнообразны, потому что различные типы частиц взаимодействуют с полем Хиггса с большей или меньшей силой.

Все мы состоим из электронов, протонов и нейтронов. Когда вы перемещаетесь в пространстве, то движется не ваше тело, а электроны и кварки. Поле Хиггса, взаимодействуя с ними, препятствует их ускорению. И это «торможение» элементарных частиц вы ощущаете, как массу объекта, то есть вес вашего тела. Прилагаемые вами любые усилия ежесекундно борются с сопротивлением поля Хиггса.

Частица массы называется бозоном Хиггса. Он электрически нейтрален, поэтому при нормальных условиях обнаружить его очень сложно. Для этого надо на световой скорости «ударить» частицей с очень высокой энергией по полю Хиггса. Это вызовет его колебание и появление бозона — переносчика массы, который можно зарегистрировать.

Словно масса к элементарной частице, к бозону Хиггса «прилипло» название «частица Бога». На самом деле ничего сверхъестественного в нём нет. Это один из рядовых элементов Стандартной модели. Но — сверхважный. И, пожалуй, самый неуловимый во всей истории науки. В первую очередь, именно для подтверждения существования бозона был сконструирован самый масштабный и дорогостоящий прибор, когда-либо созданный человечеством — Большой адронный коллайдер.

Усилия тысяч учёных были сконцентрированы на поиске бозона Хиггса в течение многих лет. Это, пожалуй, была главная цель всей современной науки. Наконец, «частицу Бога» удалось «поймать».

О величайшем открытии было объявлено 4 июля 2012 года, то есть точно в день моего сорокалетия. И как после этого не поверить в мистику?

Глава 11. Космологический горизонт

Космическое пространство кажется очень однородным. На самом деле, в нём, как на Земле, есть отдельные области и регионы. Их границы называются горизонтами.

Хотя Вселенная выглядит одинаково во всех направлениях, в ней каждое мгновение происходят качественные изменения. С каждой секундой Вселенная расширяется со скоростью 71 километр на мегапарсек и становится немного старше. Эти два факта означают, что постоянно увеличивается область пространства, которую может достичь свет, испущенный из определённой точки.

Этот вывод очень важен, поскольку выясняется, что в космосе есть регионы, в которые в принципе, как ни старайся, не смогут проникнуть не только материальные объекты, но даже лучи света с Земли.

Представьте, что вы хотите поразить неприятеля лазером, но ничего не выходит, вопреки классическим законам физики. Световой луч не может достичь цели, либо не успевая за темпом расширения пространства, либо попадая не в то время.

Скорость света является максимально возможной для связи каких-либо событий между собой. Вы можете через минуту серьёзно повлиять на что-то важное, происходящее в вашем городе, используя радиоволны.

Видимо, какое-то ваше экстраординарное действие способно оказать мгновенное и существенное влияние на ход истории в целом на Земле. Однако, чтобы бы вы не предпринимали, какие бы силы не прикладывали, это никаким образом не скажется на том, что произойдёт через 60 секунд на Марсе.

Расстояние от Земли до Марса превышает одну световую минуту, а никакое воздействие, прямое, либо информационное не способно превысить скорость света. Вы физически не способны предупредить друга на красной планете, что через минуту ему грозит беда.

Между прочим, авторы фантастических фильмов всегда ошибаются, когда показывают переговоры экипажа звездолёта с базой на Земле в «прямом эфире». На самом деле, если космический корабль находится в другой галактике, для установления связи понадобятся миллионы лет. Правда, есть обходные маневры, но об этом поговорим в третьей части книги.

Я уже писал, что когда мы смотрим на звёзды, то в действительности видим прошлое. Сейчас мы наблюдаем Туманность Андромеды такой, какой она была 2.5 млн. лет назад. И если за это время с галактикой что-то произошло, мы никак не способны не только повлиять на событие, но даже узнать о случившемся.

Дальние регионы Вселенной, способные вступить в причинную связь, постоянно удаляются от нас. Максимально доступное нам прошлое распространяется на время, когда Вселенной было 300 000 лет. Мы фиксируем эту эпоху, наблюдая фотоны реликтового излучения. То есть, диаметр сферы причинной связи в тот период составлял триста тысяч световых лет. Поскольку Вселенная с того времени существенно расширилась, соответственно значительно возрос и объём областей, взаимодействие между которыми принципиально возможно.

На сегодня видимая Вселенная имеет в поперечнике 1 000 000 000 000 000 000 000 000 километров.

В космологии часто используется термин «горизонт событий». Так называется граница области пространства-времени, события внутри которой не могут оказать никакого влияния на внешнего или внутреннего наблюдателя.

Горизонт событий прошлого разделяет события, на которые можно повлиять от тех, на которые нельзя.

Горизонт событий будущего отделяет события, о которых хоть что-либо можно узнать пусть и в очень далёкой перспективе, от событий, о которых что-либо узнать невозможно в принципе. Такие потенциальные взаимосвязи ограничиваются скоростью света, поскольку никакая информация не способна распространяться быстрее.

Предел возможной наблюдаемости обозначается как космологический горизонт. Это не физическая граница, а фактор восприятия. Эту область обычно называют наблюдаемой Вселенной. Какова она сегодня?

Если бы пространство не расширялось, то максимально удалённый от нас объект находился в четырнадцати миллиардах световых годах. Именно такое расстояние свет преодолел со времени Большого Взрыва. Но поскольку Вселенная расширяется, то область пространства, пересекаемого лучом света, также расширилась за время его пути в межзвёздном пространстве.

Расчёты показывают, что текущее расстояние до самых удалённых из наблюдаемых сейчас объектов составляет порядка 46-и млрд. световых лет. Однако, горизонт событий Вселенной отстоит от Солнечной системы примерно на 16 млрд. световых лет. Свет галактик, находящихся сейчас дальше этой области не сможет достичь Земли никогда, потому что пространство на расстоянии, которое сейчас соответствует 16-и млрд. световых лет, будет расширяться слишком быстро. Мы можем наблюдать галактики лишь до момента пересечения ими космологического горизонта. О последующих событиях в них мы никогда ничего не узнаем.

Глава 12. Отрицательная энергия

Согласно законам Ньютона, минимально возможная энергия — это состояние абсолютного покоя. Однако, квантовая механика утверждает, что никакая система никогда не находится в состоянии абсолютного покоя.

Если представить себе две параллельные незаряженные металлические пластины, расположенные на микроскопическом расстоянии друг от друга, а между ними только вакуум, то с классической точки зрения, они никак не могут влиять друг на друга. У них нет суммарного заряда, нет ни электромагнитного, ни гравитационного, ни любого другого взаимодействия.

Большинство людей воспринимают вакуум как полную пустоту. На самом деле, эта кажущаяся «пустота» насыщена огромным количеством постоянных квантовых событий.

Вакуум полон так называемых виртуальных частиц. В нём всё время возникают пары электрон-позитрон. Родившись на мгновение, они аннигилируют, снова растворяясь в вакууме.

В 1933 году Хендрик Казимир высказал предположение, что две вышеописанные металлические пластины способны притягиваться друг к другу, как по волшебству, исходя из законов квантовой теории.

Поскольку вакуумное пространство между ними не совсем пустое, то некоторое количество виртуальных частиц неизбежно оказывает на пластины определённое внутреннее давление. Пусть оно невелико, но всё же суммарно выше нуля.

С другой стороны, снаружи пластин виртуальных частиц неизмеримо больше, чем в области микроскопического расстояния между ними. Следовательно, внешнее давление на металл значительно выше. Поэтому возникает сила, толкающая пластины друг к другу.

Мы не видим этого эффекта, потому что физически не способны наблюдать взаимодействие объектов на планковском масштабе. Но это не отменяет того факта, что в квантовом мире под давлением виртуальных частиц вакуума, пластины сближаются. Эффект Казимира проявляется на пограничных областях пластин в виде поляризации вакуума. Это экспериментально подтверждённый факт.

И вот здесь начинаются интригующие события. Сближаясь, два любых физических объекта притягиваются. В этом случае из них можно извлечь некоторое количество энергии. Известно, что при уменьшении потенциальной энергии тел, их взаимное притяжение при сближении проявляется в полном объёме. Но раз мы отняли у металлических пластин кинетическую энергию, вывод прост — их собственная энергия становится меньше, чем нуль. То есть, отрицательной.

Конечно, сложно себе представить, как столь знакомая нам энергия, воспринимаемая исключительно со знаком «плюс», может быть со знаком «минус». Однако, это научный факт.

Во Вселенной есть отрицательная энергия. И, как вы увидите в дальнейшем, её роль в структуре Мироздания может быть ключевой.

Глава 13. Вакуум

Последние научные достижения позволяют смело утверждать, что вакуум — самый загадочный физический объект в космосе. Возможно, именно в нём скрыта большая часть массы и энергии всей Вселенной.

В классическом понимании космического пространства вакуум действительно является безжизненной пустотой. Но в квантовом мире это необычайно активная среда, особое состояние, в котором нет привычных материальных частиц.

Частицы в вакууме рождаются и почти мгновенно гибнут, аннигилируя друг с другом. У них нет реальной жизни, вроде они есть, а вроде их нет. Поэтому их называют виртуальными, не предназначенными для получения и передачи сигналов. Энергия для образования виртуальных частиц берётся «взаймы» из самого вакуума и очень быстро возвращается назад после их аннигиляции.

Вакуум перенасыщен флуктуациями конденсированных квантовых полей, которые наделяют пустое пространство отрицательной энергией. Такая субстанция, содержащая огромное разнообразие частиц в скрытом виде, явно не является примитивной. Это сложная среда, которая может находиться в различных энергетических состояниях. Свойства и типы элементарных частиц в них различаются.

Вакуум доминирует в наблюдаемой Вселенной. Он равномерно заполняет весь космос и присутствует везде. По плотности энергии вакуум превосходит все остальные формы космической материи вместе взятые. Поскольку вакуум главенствует, то именно он в конечном итоге определяет геометрию пространства-времени, а также свойства материальных объектов. Однако, на сам вакуум никакое воздействие невозможно.

Вакуум всегда действует, но никогда не испытывает на себе противодействия.

Главной особенностью вакуума является отрицательное давление. Он упругий и может растягиваться, словно резина. Обладая огромным отрицательным давлением, вакуум отталкивает. Результатом воздействия энергии вакуума является расширение Вселенной.

Квантовое состояние, соответствующее локальному минимуму энергии, называется «ложным» вакуумом. Это максимально возможное метастабильное положение в течение определённого периода времени. Но, одновременно, оно потенциально внутренне неустойчиво и может мгновенно распасться.

«Ложный» вакуум подобен плотине на реке, которая кажется находящейся в стабильном состоянии, но на самом деле испытывает огромное давление воды, которое способно разрушить сооружение в одночасье.

Аналогтично внутри «ложного» вакуума сосредоточена огромная энергия. Исходя из теории относительности, он должен иметь огромное натяжение, которое создаёт отталкивающий гравитационный эффект.

Согласно теории инфляции, именно распад «ложного» вакуума вызвал Большой Взрыв.

Глава 14. Дополнительные измерения

Мы живем в трёхмерном мире. Для оценки пространственного положения объекта необходимо получить три вида информации: ширину, длину и высоту. Чтобы определиться, когда вы находитесь в том или ином месте, следует ввести четвёртую координату — время. Для правильной ориентации, важно понимать, не только «где», но и «когда». Именно поэтому наше Мироздание описывается как пространственно-временной континуум.

В 1920-х годах в работах Теодора Калуцы и Оскара Клейна впервые была сформулирована идея о существовании компактных измерений. Они предположили, что кроме обычных, в структуру реальности встроены микроскопические, скрученные измерения.

Калуца абстрактно предположил, что существует ещё одно направление, пятый блок информации о пространственном положении объекта, помимо длины, ширины, высоты и времени. И попробовал рассчитать, что при этом получится. Результат оказался удивительным.

Выведенные учёным математические формулы утверждали, что во Вселенной есть параллельные миры. Но очень миниатюрные.

В гипотетической вселенной Калуцы с дополнительным измерением гравитация и электромагнетизм становятся единой пространственно-временной рябью. А ведь именно объединение фундаментальных сил в единую теорию является самой вожделенной мечтой физиков. То есть, Калуца получил математическое решение одной из важнейших проблем всей науки, объединив уравнения гравитации Эйнштейна и уравнения электромагнетизма Максвелла.

В свою очередь, Клейн рассчитал, что дополнительное измерение свёрнуто в сверхмалую окружность размером с планковскую длину, то есть 0.000000000000000000000000000000001 сантиметра. Оно присутствует везде. В каждой точке пространства есть эта крохотная окружность. Более современные расчёты показывают, что минимальный размер дополнительного измерения может быть значительно больше планковского, но все же крайне малым — 0.00000000000000001 сантиметра. Поэтому его всё равно невозможно разглядеть современными приборами.

Клейн доказал — то, что верно для отдельного объекта, может быть верно и для всей структуры Вселенной, что большие и маленькие измерения могут быть вписаны в единую ткань пространства.

Поначалу эта идея воспринималась как фантастика. Но сегодня учёные практически уверены в том, что Вселенная имеет дополнительные измерения. Они могут быть двух видов: протяжёнными, доступными для нашего восприятия, или же компактными, которые очень сложно обнаружить. Эта концепция известна как теория Калуцы-Клейна.

На самой ранней стадии эволюции Вселенной все измерения были сильно искривлены и составляли неделимое целое. Три известных нам измерения в своё время совершенно точно тоже были микроскопическими.

Из теории относительности мы знаем, что пространство эластично. Поэтому логично предположить, что со временем некоторые измерения увеличились в размере и расширяются до сих пор. При этом сохранились другие измерения, которые до настоящего момента всё ещё остаются компактными.

В каждой точке привычного нам пространства присутствуют невидимые, свёрнутые в петли самой необычной формы, дополнительные измерения.

Они вписаны в саму структуру Мироздания, они везде.

Когда вы идёте по улице, то перемещаетесь не только в трёх протяжённых измерениях, но, одновременно, и в компактных. Такой мир сложно представить, но можно очень точно описать математически.

Главная загадка заключается в том, почему три пространственных измерения развернулись, а остальные остались туго свёрнутыми в микроскопические области?

Если они не распрямились, то какая неведомая сила сдерживает их?

Ещё один стратегический вопрос — почему макроскопических измерений именно три?

Ответ на последний вопрос состоит в том, что трёхмерность предпочтительнее других вариантов размерности для физики нашей Вселенной. При меньшем числе измерений не могут существовать сложные структуры. При большем числе измерений не могут возникнуть устойчивые атомы. Поэтому наш мир таков, как есть.

Но привычная нам структура Мироздания отнюдь не означает, что в природе не могут существовать отделённые от нас параллельные миры с иной размерностью.

Как вообразить себе параллельные измерения? Есть несколько подходящих аналогий.

Представьте очень длинную и тонкую трубку, наподобие соломинки для коктейля. Её поверхность содержит два измерения. Первое — большое продольное, визуально наблюдаемое как длинное, вертикальное. Второе — короткое в виде окружности, закрученное вокруг трубки.

Хотя поперечный размер намного меньше продольного, рассматривая трубку вблизи, вы без труда оцените её объём, поймёте, что её поверхность представляет собой двумерный цилиндр. Но стоит отойти на некоторое расстояние, и трубка будет выглядеть как одномерная прямая линия. Издалека вы не видите её толщину. Поэтому можно ошибочно предположить, что поверхность подобного объекта имеет не два, а одно измерение.

Аналогично в нашем реальном мире мы видим лишь три протяжённых измерения, а скрученные не замечаем. Но это не значит, что их нет в природе.

Лист бумаги на столе для человека выглядит двухмерным, а для микроба это трёхмерный мир.

Или ещё одна аналогия. Вблизи мы чётко видим, что кожура лимона неровная, бугристая. Но издалека цитрус кажется абсолютно гладким. То же самое и с пространством. На малых расстояниях оно многомерно и сильно искривлено, а на больших кривизна и дополнительные измерения незаметны.

Переместиться из одного компактного измерения в другое чрезвычайно сложно. Движению сквозь них препятствует принцип неопределённости Гейзенберга. Чем меньше размер того, во что надо поместить частицу, тем больше энергии для этого необходимо.

Чтобы «втиснуть» частицу, а тем более человека, в микроскопически свёрнутое измерение нужна энергия, сопоставимая с массой Планка. Если когда-нибудь цивилизация овладеет такой суперсилой, то мы фактически получим власть над природой, поскольку будем способны изменить саму структуру пространства-времени.

Дополнительные измерения очень сложные по своей структуре. Впервые их особую форму рассчитали Эудженио Калаби и Шинтан Яу.

Измерения оказались свёрнуты очень причудливым образом, закручиваясь и переплетаясь. В науке они называются многообразиями Калаби-Яу.

В каждой точке пространства имеется сложная многомерная геометрия, представляющая собой необычные шестимерные формы, которые принимают дополнительные размерности. Они прилагаются к каждой точке нашего трёхмерного пространства. Весь мир наполнен этими формами, вы буквально погружены в многообразия Калаби-Яу. Микроскопическая ткань Вселенной украшена необычными и богатейшими узорами.

Как может выглядеть многомерная Вселенная?

Наиболее правдоподобной является гипотеза, что наша реальность представляет собой немного сжатую семимерную сферу плюс четыре обычных измерения. Дело в том, что подобная конфигурация обладает рядом уникальных геометрических свойств и является очень симметричной. Именно в такую замкнутую структуру идеально математически вписываются известные нам фундаментальные взаимодействия, а также все материальные объекты окружающего мира, от атомов до галактик. То есть, Вселенная с одиннадцатью измерениями может быть оптимальным выбором самой Природы.

Почему пространство-время расщеплено на четыре и семь размерностей, а не, допустим, на пять и шесть? Почему свернулись именно семь измерений?

Есть очень интересное предположение, основанное на известном факте, что любая физическая система всегда стремится к состоянию с наименьшей энергией. Расчёты показывают, что этому условию как раз соответствует слегка сжатая семимерная сфера.

Одно дополнительное измерение можно свернуть только в окружность. Однако, уже двумерную поверхность можно соединить так, чтобы она образовала либо сферу, либо тор. Хотя обе фигуры замкнуты, они очень отличаются, поскольку тор имеет форму бублика, то есть содержит дырку посредине. Более многомерные пространства можно свернуть ещё интереснее, придав им самые причудливые формы. При семи измерениях набор возможностей становится огромным.

В многомерной Вселенной совсем по-другому проявляет себя гравитация. Ещё Ньютон, формулируя закон всемирного тяготения, обратил внимание, что гравитационное притяжение уменьшается с увеличением расстояния между двумя объектами с обратной квадратичной зависимостью. При удвоении расстояния, гравитационное притяжение снижается в четыре раза, при утроении — в девять раз, при учетверении — в шестнадцать раз и так далее. Интересно узнать, почему сила гравитации определяется именно квадратичной зависимостью?

Возможно, это напрямую связано с числом измерений. Все научные данные убедительно доказывают, что закон обратных квадратов прекрасно работает в обычных для нас масштабах. Но мы не знаем, подчиняется ли этому закону гравитация на микроскопическом уровне. Если экспериментально удастся установить отклонение от закона обратных квадратов на микромасштабах, это станет прямым доказательством существования дополнительных измерений.

В трёхмерном пространстве закону обратной квадратичной зависимости подчиняется как раз сфера. Представьте себе подобную огромную геометрическую фигуру с центром на Солнце и границей на орбите Земли. Она имеет площадь, пропорциональную квадрату расстояния между звездой и планетой. Общая плотность линий гравитационного поля, проходящего через сферу, с увеличением расстояния между Солнцем и Землёй уменьшается строго по закону обратных квадратов. Получается, что гравитация в нашем мире равномерно распределяется именно по сфере. Это важный аргумент в пользу многомерности Мироздания.

В двухмерном мире линии гравитационного поля звезды распределялись бы по окружности. Поэтому в нём сила гравитации была бы обратно пропорциональна расстоянию, а не квадрату расстояния. В одномерном мире для гравитации вообще не было бы пространства, её сила никогда не изменялась бы.

Логично предположить, что указанные закономерности должны распространяться на пространства с большим числом измерений.

Средой для гравитации является само пространство. Поэтому включение в его структуру дополнительных измерений, расширяет сферу действия гравитации.

Кстати, такое предположение является хорошим обоснованием странного факта, почему в нашем мире эта фундаментальная сила настолько слабая. Если гравитация «растворена» по многим измерениям, то она не может быть сильной в каждом из них.

Чем больше измерений, тем больше пространства для расхождения линий гравитационного поля, и тем ощутимее падает сила гравитации. Она как бы «разжижается» в многомерном пространстве. А, например, электромагнитная сила кажется нам сильной просто потому, что передающий её фотон физически не способен «выпрыгнуть» из традиционного трёхмерного мира.

Отсюда следует важнейший вывод — в многомерной Вселенной гравитация может быть отнюдь не самой слабой, как мы привыкли думать, а, наоборот, самой мощной фундаментальной силой, воедино связывающей всю структуру реальности.

Глава 15. Антивещество

Окружающий нас мир практически полностью состоит из вещества. Однако, точно установлено, что антивещество также существует.

Впервые учёные смогли синтезировать антиводород в лаборатории CERN в 1995 году. В дальнейшем, он был получен в значительном количестве и сейчас его свойства детально изучаются.

Технология получения антивещества заключается в направлении на материальную мишень потока высокоэнергетических частиц. Среди раздробленных «осколков» появляются антипротоны. Их, при помощи мощных магнитов, отделяют от обычного вещества. Затем антипротоны смешивают с антиэлектронами, получая в результате атомы антиводорода.

Сильное и электромагнитное взаимодействия, определяющие структуру материи абсолютно одинаковы как для частиц, так и для античастиц. Поэтому структура вещества почти идентична структуре антивещества. Отличие в том, что античастицы имеют противоположный заряд по отношению к обычным частицам. Частицы, не обладающие зарядом, например, фотон и гравитон, служат античастицами сами себе.

Вся масса материи и антиматерии при взаимодействии превращается в энергию. Такая реакция называется аннигиляцией. Звезда, состоящая наполовину из вещества и наполовину из антивещества, в один миг исчезла бы в гигантском взрыве.

При аннигиляции килограмма материи и килограмма антиматерии выделяется около 1,8×1017 Джоуль энергии. Примерно столько же энергии выделяется при взрыве самой крупной ядерной бомбы.

Огромный энергетический потенциал аннигиляции может быть использован на практике. Например, при строительстве принципиально новых двигателей космических кораблей. Сами по себе двигатели на антивеществе не представляют собой ничего особенно сложного с инженерной точки зрения. Однако, в настоящий момент их создание очень дорогостоящее. Появление в будущем ускорителей, специально предназначенных для промышленного производства антивещества, позволит снизить его себестоимость до вполне приемлемого уровня. Тогда станет реальным освоение дальнего космоса.