Пол Халперн - Квантовый лабиринт. Как Ричард Фейнман и Джон Уилер изменили время и реальность

• Название: Квантовый лабиринт. Как Ричард Фейнман и Джон Уилер изменили время и реальность
• Автор: Пол Халперн
• Жанр: Прочая научная литература
• Год: 2019
• ISBN: 978-5-04-093386-0

Перед вами история невероятной дружбы между двумя великими физиками, изменившими понятия времени и истории, Ричардом Фейнманом и Джоном Уилером. Несмотря на различия этих двух личностей, их дружба выдержала испытания временем и способствовала чрезвычайно успешному сотрудничеству, приведшему в итоге к полному переосмыслению природы времени и реальности.

---

И никаких висящих на спинке простыней, чтобы объяснить эффект!

Выслушав ученика с большим вниманием, Уилер немедленно указал на несколько слабых мест.

Если радиационное сопротивление зависит от того, как другие заряженные частицы влияют на электрон, то будут иметь значение их свойства – масса, заряд, расстояние до исходного электрона. Следовательно, теоретически каждый электрон должен характеризоваться уникальным радиационным сопротивлением, определяемым его окружающей средой, а этого не наблюдается. Более того, радиационное сопротивление каждого электрона, если оценивать по его движению, выглядит тем же самым.

Кроме того, сигналам понадобится время, чтобы добраться от электрона к другим заряженным частицам, а затем вернуться. Но эксперименты показали, что радиационное сопротивление возникает мгновенно, без какой-либо задержки.

Наконец, если суммировать реакции на все другие заряды во вселенной, то с этим можно возиться до бесконечности. Одна невозможная ситуация заменится другой. Стоит ли огород городить?

Фейнман был ошеломлен тем, насколько быстро Уилер обнаружил ключевые недостатки модели – все выглядело так, словно Джон потратил бесконечное количество часов, тестируя гипотезу, проверяя ее как новую машину на предмет недоработок и недостатков. Но ведь Фейнман только что представил ее… и оказался полным идиотом! По крайней мере, так он почувствовал себя.

На самом деле Уилер много лет размышлял над тем, как заменить полевой подход к электромагнетизму на более прямую концепцию действия на расстоянии. Чтобы упростить физическое описание процесса, он решил оживить оригинальную идею Ньютона о силе как «невидимой нити», соединяющей объекты через огромные расстояния. Майкл Фарадей и Джеймс Максвелл развили идею физического поля, чтобы сделать электромагнетизм локальным и осязаемым, но, возможно, на квантовом уровне их идеи просто не работали.

Действие на расстоянии, думал Уилер, упростило бы физику частиц, сделав электроны исключительными хозяевами своей судьбы. Они бы сами управляли собственными взаимодействиями безо всяких посредников. Он долго мусолил идею «всего как электронов», включая в рассмотрение не только электромагнетизм, но и другие частицы и силы.

Если ее воплотить, то во вселенной воцарились бы единство и простота.

Частью желание исследователей возродить идею действия на расстоянии в приложении к квантовой электродинамике происходило из растущего понимания того, что многие квантовые феномены проявляют свои эффекты дистанционно. Такое отдаленное взаимовлияние, названное «квантовой запутанностью», возникает, когда две частицы с комплементарным значением квантового числа (параметр, определяющий конкретное квантовое состояние), таким как спин, связаны в одной и той же системе, и не важно, насколько они удалены физически.

Возьмем, для примера, пару электронов, находящихся на низшем уровне энергии в атоме водорода. Принцип исключения Паули объявляет, что они не могут иметь одно и то же квантовое число, следовательно, они должны иметь разное значение спина: если один спином вверх, то другой спином вниз.

Но до тех пор, пока ученые не измерят состояния спина, неизвестно, какой электрон обладает каким спином. Следовательно, до момента измерения каждый электрон находится в суперпозиции (смесь квантовых состояний) из двух возможных значений спина.

Теперь вообразите, что ученые сумели развести эту пару электронов, и только потом стали делать замеры. Первый отправили на Луну, а второй остался на Земле. Невзирая на огромное расстояние, если космонавт определит значение спина как «вверх», то другой электрон непременно окажется со спином «вниз», и наоборот: некий вид квантовых качелей.

Эйнштейн, например, верил, что такого рода мгновенная координация невозможна, поскольку сохранял приверженность принципу физической коммуникации и называл ее «сверхъестественное дальнодействие». Как может один электрон заранее знать, что покажет эксперимент относительно другого?

Статья 1935 года, написанная австрийским физиком в соавторстве с Борисом Подольским и Натаном Розеном (на самом деле материал подготовил большей частью Подольский) описывала «ЭПР-парадокс» (Эйнштейна – Подольского – Розена) и подчеркивала противоречия, возникающие в процессе запутанности, такие как умение частиц предсказывать, какие из их параметров будут измерены.

Квантовые физики по большей части проигнорировали критику Эйнштейна. Например Бор – «философский король» научного сообщества, если его можно так назвать – признавал, что поля объемлют противоположные аспекты, такие как свойства волны и частицы одновременно. Он называл единство противоположностей «дополнительностью», и в качестве эмблемы использовал знаменитый даосский символ инь-ян, свитые в единстве капли черного и белого цветов.

С философской точки зрения Уилер начал карьеру как сторонник Бора, принимая квантовую неопределенность и дополнительность как факт. Но затем он познакомился с Эйнштейном и тоже начал ценить его размышления.

Эйнштейн жил в нескольких кварталах от Уилера, и Джон часто видел, как пожилой ученый прогуливается по улице в компании ассистентов, Питера Бергмана и Валентина Баргмана. Они трое пытались создать унифицированную теорию природных сил, которая, по их мнению, смогла бы отправить нелокальные, вероятностные аспекты квантовой физики в мусорный ящик, заменив их на локальное, детерминистическое приложение общей теории относительности.

Соглашаясь с Бором в том, что подобные усилия бесплодны, Уилер, тем не менее, восхищался независимостью мысли Эйнштейна. Он надеялся, что прогресс в теоретической физике в конце концов позволит снять противоречия между гипотезами австрийца и датчанина.

В отличие от Эйнштейна, Уилер не воспринимал действие на расстоянии как табу. Более того, с его точки зрения, запутанность ясно показывала, что квантовая физика является нелокальной. Признавая дистантную координацию электронов по состоянию спина, Джон хотел описать их электромагнитные взаимодействия на той же нелокальной основе.

Потряси один электрон, и другой тоже задвигается, словно они висят на единой нити. Ключевое отличие лишь в том, что в случае электромагнетизма должна быть временная задержка. Специальная теория относительности предписывала, что сигнал по нити не может двигаться быстрее света.

Зигзаги через время

Как только Уилер взялся за проблему радиационного сопротивления для электронов, он и Фейнман объединили усилия, чтобы попытаться смоделировать эффект без участия электромагнитных полей. Им требовалось найти объяснение тому, что любой электрон, ускоряемый с определенным усилием, испытывает то же самое сопротивление вне зависимости от расположения всех других зарядов во вселенной.

Это словно тормоза машины, срабатывающие одинаково во всех ситуациях, вне зависимости от условий на дороге и действий других автомобилей.

Пытаясь создать более реалистичную гипотезу, Уилер представил, что произойдет, если электрон, ускоряясь, встретит сопротивление, определяемое соседними частицами. Ускоряющийся электрон первым делом отправит в стороны некий сигнал, затем, словно зеркало, нечто в окружающей среде отразит этот сигнал, и отражение и будет препятствием для движения.

Поскольку эффект возникает мгновенно, не может быть временной задержки между отправкой первого сигнала и получением второго, второй должен прибыть в точности в то мгновение, когда отправляется первый. И это может происходить только в том случае, если второй сигнал совершит обратное путешествие во времени.

Уилер знал, что уравнения Максвелла полностью симметричны во времени.

Любое решение описывает не только волну, двигающуюся в будущее, но одновременно и другую, катящуюся в прошлое. Последнее, именуемое «опережающим решением», традиционно игнорируется, поскольку все знают, что часы идут вперед, а не назад.

Тем не менее наш герой обладал на редкость открытым умом и хотел узнать, что случится, если включить в рассмотрение опережающее решение. В то мгновение, когда электрон посылает сигнал посреднику (окружающей среде, по сути, суммарному эффекту всех частиц вселенной), анонсируя свое присутствие, посредник отправляет назад сигнал, прибывающий точно в тот момент, когда отправляется первый.

По техническим причинам посредник должен быть идеальным поглотителем, принимающим каждый сигнал. Следовательно, в обращенном назад во времени решении он будет действовать как идеальный излучатель, отправляя обратно чистый сигнал, не замутненный какими-либо материальными эффектами посредника. Результатом станет мгновенное замедление пытающегося ускориться электрона независимо от свойств иных частиц.

Оживляя аналогию с веревкой – мы словно привязываем один ее конец к креслу-качалке, а другой – к стене (она представляет посредника). Покачаем кресло, и вибрация побежит по веревке, добравшись до стены, она отразится и вернется к креслу, препятствуя его колебаниям. Теперь вообразим, что неким образом стена посылает отраженный сигнал обратно во времени, чтобы тот повлиял на кресло в тот момент, когда оно начинает качаться.