Павел Амнуэль - Вселенные: ступени бесконечностей

• Название: Вселенные: ступени бесконечностей
• Автор: Павел Амнуэль
• Жанр: Прочая научная литература

Эта книга — научная фантастика, но это не художественная проза.

Это научно-популярная книга, но большая часть научных идей и достижений, которые она популяризирует, — фантастика.

Книга написана в еще не существующем жанре фантастической научной популяризации. Она рассказывает о науке, зарождающейся на наших глазах. Науке, о которой физики спорят и еще не пришли к общему мнению. Наука эта призвана ответить на фундаментальные вопросы бытия. Живем ли мы в лучшем из миров? Существуют ли вообще другие миры, кроме нашего?

В 2057 году исполнится сто лет со дня выхода из печати статьи американского физика Хью Эверетта, вызвавшей споры, продолжающиеся и в наши дни. В год столетнего юбилея пионерской работы Эверетта выйдет в свет книга, которую вы держите в руках.

Это — фантастика, потому что наука может развиваться не так, как здесь написано. Это — научно-популярная книга будущего, потому что наука может развиваться так, как написано здесь.

Читая эту книгу, помните о том, что фантастический роман Жюля Верна «Робур-завоеватель» вызвал в свое время немалые споры, потому что общепринятым было мнение: аппараты тяжелее воздуха никогда не смогут летать. Не прошло и четверти века — в воздух поднялся самолет братьев Райт…

---

Оказалось, что если Эверетт неправ и многомирия не существует, то нет никакой возможности обнаружить исправную бомбу, направив на нее фотон (бомба непременно взорвется!). Если же эвереттовское многомирие существует, есть не равная нулю вероятность того, что исправная бомба будет обнаружена и не взорвется. Точнее: взорваться-то она взорвется, но не в нашей Вселенной, а в другой, принадлежащей другой ветви многомирия! В нашей же Вселенной взрыва не произойдет, хотя бомба исправна.

Элицур и Вайдман показали, что, если многомирие существует, то с вероятностью 25 % единственный фотон обнаружит исправную бомбу, не взорвав её.

Коллеги, тщательно изучившие мысленный эксперимент Элицура-Вайдмана, не нашли в их анализе противоречий или ошибок и вынуждены были признать: да, если многомирие существует, то можно получить информацию о предмете, никак его не касаясь! Но только в четверти случаев. Хорошая, казалось бы, идея, но ведь в трех случаях из четырех бомба все равно взорвется, и только о каждой четвертой бомбе мы будем знать, что она исправна, не коснувшись ее взрывателя.

Важен, однако, принцип — с помощью эксперимента Элицура-Вайдмана оказалось возможно доказать существование многомирия!

Кроме того, если в многомирии возможно что-то измерять, никак с предметом не контактируя, то наверняка существуют и способы увеличить вероятность нужного измерения?

Однако, прежде предстояло осуществить мысленный эксперимент Элицура-Вайдмана на практике и доказать экспериментально, что хотя бы в четверти случаев можно что-то измерять, ничего не измеряя. Увидеть, не видя, и доказать, что Эверетт прав.

В 1994 году такой эксперимент был поставлен Полом Квятом из университета в Иннсбруке и Томасом Герцогом из Женевского университета (Kwiat et al., 1995). Они действительно использовали для опытов интерферометр с четырьмя зеркалами, как предлагали Элицур с Вайдманом. Правда, вместо бомбы взяли все же обычное зеркало — не взрывать же установку, а с ней и всю лабораторию, в трех случаях из четырех, если Элицур с Вайдманом правы!

И все получилось так, как предсказывали израильские физики. В каждом четвертом эксперименте Квят и его сотрудники зафиксировали присутствие зеркала, хотя фотон этого зеркала не касался!

Таким образом, многомирие по Эверетту получило первое подтверждение.

Квят и его сотрудники сделали, однако, и следующий шаг. Если удлинить схему и поставить восемь зеркал вместо четырех, то вероятность зафиксировать присутствие невидимой бомбы (зеркала) должна, согласно теоретическим выкладкам, увеличиться вдвое и достичь 50 %. Физики построили новую установку и действительно довели количество «обнаружений исправной бомбы» до 50 %.

Квят полагал, что большего достичь не удастся. Скептицизм ученого развеял Марк Казевич из Стенфордского университета. Во время своего пребывания в Иннсбруке Казевич обсудил с Квятом самые разные варианты экспериментов, и ученые пришли к заключению: в принципе, можно построить такую установку, где вероятность обнаружения «бомбы», никак ее не касаясь, окажется сколь угодно близка к 100 %! То есть, не существуют, по идее, никакие природные ограничения для создания аппаратуры, которая, например, давала бы изображение реального предмета, никак его при этом не освещая и не получая от него никакой информации.

Для следующего своего эксперимента Квят с сотрудниками (в числе которых был теперь и Казевич) построили установку, работавшую на другом принципе и использовавшую не просто отражающие и наполовину поглощающие зеркала, а зеркала, меняющие поляризацию падающих на них фотонов. Установка значительно усложнилась, но уже предварительные результаты опытов, проведенных в лаборатории в Лос-Аламосе, показали: вероятность обнаружения необнаружимого составляет 70 %. Квят и его сотрудники доказали (напомню: это было еще в середине девяностых годов прошлого века), что более чем две трети физических измерений могут быть бесконтактными (Kwiat et al., 1995).

Обратите внимание: речь уже не шла о том, существует ли многомирие по Эверетту, или это красивая, но бесполезная гипотеза. Задача теперь стояла — как можно эффективнее использовать многомирие на практике.

В физике очень часто случается так, что быстро преодолеваются первые, не самые трудные, препятствия, а потом тянутся годы (порой — десятилетия), пока удается добиться надежного, применимого на практике, эффекта.

Прошло более десяти лет, пока в экспериментах группы японских ученых Цегая и Намикаты (2010) удалось бесконтактным способом обнаружить до 88 % невидимых объектов, которых не коснулся ни один фотон. Тем временем бразильские ученые Сант-Анна Адонаи и Буэно Оттавио (Adonai & Ottavio, 2010) обобщили метод Элицура-Вайдмана и описали эксперимент, в котором для бесконтактных измерений использовали не фотоны, а волны Де-Бройля (и этот вариант еще более увеличил область бесконтактных измерений).

Пол Квят назвал метод бесконтактных измерений квантовой магией. Это действительно выглядит, будто магическое действо: способность видеть, не видя. Но на самом деле все необходимые идеи и возможности были уже заложены в квантовой физике, ведь природа квантовых измерений известна с тридцатых годов прошлого века, а теория Эверетта появилась в 1957 году — сто лет назад.

Блестящие эксперименты Квята, Цегая, Намикаты, Адонаи и Оттавио доказали вполне определенно: мы живем в эвереттовском многомирии.

Глава 4 Абсолютный антропный принцип

В 2013 году были опубликованы результаты измерений температуры реликтового излучения в разных точках неба (по данным космической обсерватории Plank), и неожиданно оказалось, что это излучение не так однородно, как представлялось прежде. Видны были странные области с пониженной температурой реликтового фона. Была выдвинута гипотеза (Kleban, Levi & Sigurdson, 2013): наша Вселенная столкнулась с другой, соседней, вселенной, результат этого столкновения мы и наблюдаем. Тогда еще не было понятно, о каком типе многомирия идет речь: выбор был между инфляционным или лоскутным (возможно, и ландшафтным) многомирием.

Многомировое описание мироздания позволило разобраться еще с одним противоречием, которое «путалось под ногами» ученых более чем полвека. это обнаруженная в середине ХХ века так называемая «тонкая подгонка» мировых постоянных, из-за которой существование человеческой цивилизации оказывалось настолько маловероятным явлением (если считать явление природным), что зарождение жизни за время существование Вселенной можно было считать попросту невозможным.

Первые упоминания о «тонкой подгонке» и о принципе, который впоследствии был назван антропным, можно найти в книге советского философа М. Идлиса (1958).

В становлении же современного «максимального антропного принципа» важнейшую, если не определяющую роль играют работы российских физиков Алкина (2007) и Хэмлина (1936).[5]

Во время работы над докторской диссертацией в Книбридже в 2004 году Алкин обнаружил в библиотеке университета практически не известную серию статей своего соотечественника П. Хэмлина, опубликованную в середине тридцатых годов ХХ века. Похоже, что в этих работах Хэмлин впервые попытался описать Вселенную (известную в те годы в единственном числе, никаких идей о физическом многомирии еще не существовало), как единую квантовую систему. Чрезвычайно сложную, конечно, но не бесконечно сложную, поскольку Хэмлин был космологом, а не квантовым физиком, и придерживался концепции закрытой Вселенной, совершавшей циклы сжатия и расширения, согласно известной тогда теории Александра Фридмана. Поскольку Вселенная является квантовой системой, — писал Хэмлин, — она должна описываться некоторым конечным составом квантовых чисел, аналогично любой квантовой частице. На основании этой здравой идеи Хэмлин делает далеко не тривиальный вывод: будучи квантовой системой, Вселенная должна описываться одной из квантовых статистик: Ферми или Бозе-Эйнштейна. Напомню: частицы, описываемые статистикой Ферми (фермионы), не могут находиться одновременно в тех же квантовых состояниях, что другие частицы, в отличие от бозонов (частиц, подчиняющихся статистике Бозе-Эйнштейна). Поставив Вселенную в один ряд с «обычной» (пусть и чрезвычайно сложной) квантовой системой, Хэмлин неизбежно приходит к двум очень важным вопросам. Первый: если наша Вселенная является по своим свойствам бозоном (или фермионом — Хэмлин не мог дать однозначного ответа), то может ли существовать другая вселенная, подчиняющаяся статистике Бозе-Эйнштейна? Это был существенный шаг к идее многомирия, сделанный задолго до работы Эверетта и на основании скорее философском, нежели (как у Эверетта) сугубо физическом.

Хэмлин не отвечает в своих работах на вопрос: существует ли многомирие, но факт, что он этот вопрос задает, делает его работы важными вехами на пути многомировой физики. Более того, следующий вопрос, задаваемый Хэмлином, делает его автором и антропного принципа — на несколько десятилетий раньше исследований Идлиса (1958) и Картера (1973). Идеи Хэмлина для своего времени были скорее фантастическими, нежели сугубо физическими. К тому же, автор писал космологические статьи, которыми не интересовались специалисты в области квантовой физики — видимо, по этой причине работы эти остались не замеченными, что, несомненно отразилось и на состоянии эвереттики. Цитирую Хэмлина: