Стивен Хокинг - Высший замысел
Теперь предположим, что мы повторяем эксперимент, на этот раз направляя свет на щели так, чтобы мы знали промежуточный пункт — точку С, — через который прошла частица. (Точка С — это положение либо одной, либо другой щели.) Это называется «информация „который путь“», потому что она говорит нам о том, каким путем каждая частица перемещается из точки А в точку В — через щель 1 или через щель 2. Поскольку мы знаем, через какую щель прошла каждая частица, то в нашей сумме траектории для этой частицы будут теперь включать только те пути, которые проходят через щель 1, или только те, что проходят через щель 2. Сумма не будет учитывать траектории, проходящие через обе щели. Поскольку Фейнман объяснил интерференционную картину тем, что траектории, проходящие через одну щель, накладываются на траектории, проходящие через другую, то если вы включите свет, чтобы определить, через какую щель проходят частицы, тем самым лишая их другой возможности, вы получите исчезновение интерференционной картины. И действительно, когда проводился эксперимент, включение света изменяло результаты: вместо интерференционного узора, представленного на с. 73, возникала картина, приведенная на с. 72! Более того, мы можем изменять условия эксперимента, используя свет настолько слабый, что не все частицы взаимодействуют с ним. В этом случае мы можем получить информацию «который путь» только для некоторой группы частиц. Если мы затем разделим данные по частицам в соответствии с тем, получена или нет для них информация «который путь», то обнаружим, что данные, относящиеся к группе, для которой нет такой информации, создадут интерференционный узор, а данные, относящиеся к частицам другой группы — для которых есть информация «который путь», — интерференционной картины не дадут.
Это имеет важные последствия для нашего понимания «прошлого». В теории Ньютона прошлое принималось существующим как определенная последовательность событий. Если вы видите, что ваза, купленная вами в прошлом году в Италии, лежит разбитая на полу, а ваш малыш стоит над ней с растерянным видом, вы можете восстановить события, приведшие к этому случаю: маленькие пальчики не удержали вазу, она упала и, ударившись об пол, разлетелась на тысячу осколков. Действительно, имея полную информацию о настоящем, законы Ньютона позволяют воссоздать полную картину прошлого. Это согласуется с нашим интуитивным пониманием того, что у мира — плохо это или хорошо — имеется определяемое прошлое. Возможно, не было никого, кто наблюдал бы нечто в прошлом, тем не менее существование прошлого столь же несомненно, как если бы оно было запечатлено вами на серии фотоснимков. Но о квантовом бакиболе нельзя сказать, что он прошел вполне определенный путь от источника до экрана. Мы могли бы зафиксировать местоположение бакибола, наблюдая его, но в промежутке между нашими наблюдениями он проходит по всем возможным траекториям. Квантовая физика говорит нам, что, независимо от того, насколько полно наше наблюдение за настоящим, ненаблюдаемое прошлое, как и будущее, выглядит неопределенно и существует только как спектр возможностей. Согласно квантовой физике, Вселенная не имеет единственного прошлого, или единственной истории.
То, что прошлое не имеет определенности, означает, что наши наблюдения за системой, выполняемые в настоящем, влияют на ее прошлое. Это довольно эффектно демонстрирует эксперимент, который предложил американский физик Джон Уилер (1911–2008), — так называемый эксперимент с отложенным выбором. В общих чертах этот эксперимент напоминает только что рассмотренный нами эксперимент с двухщелевой преградой, в котором вы можете наблюдать траекторию движения частицы, за исключением того, что в эксперименте с отложенным выбором вы откладываете свое решение о том, проводить наблюдение за траекторией или нет, до самого последнего мгновения, предшествующего столкновению частицы с экраном.
Эксперимент с отложенным выбором приводит к данным, идентичным тем, что получаются в случае, когда мы решаем наблюдать (или не наблюдать) для получения информации «который путь», следя за самими щелями. Но при отложенном выборе траектория каждой частицы, то есть ее прошлое, определяется намного позже того, как частица пройдет сквозь щели и предположительно уже «решила», проходить ли ей только через одну щель — что не приведет к интерференции — или через обе — что создаст интерференцию.
Уилер даже рассмотрел космическую версию этого эксперимента, в которой частицами являются фотоны, испускаемые мощными квазарами, находящимися на расстоянии в миллиарды световых лет. Такой свет мог бы разделиться на две траектории и снова сфокусироваться в направлении к Земле так называемым гравитационным линзированием с помощью промежуточной галактики. Хотя подобный эксперимент находится за пределами возможностей нынешних технологий, если бы мы смогли собрать достаточно фотонов от такого света, они должны были бы сложиться в интерференционный узор. Однако если мы установим измеряющее устройство для получения информации «который путь» неподалеку от экрана, интерференционная картина не возникнет. Выбор — двигаться по одной или по двум траекториям — в этом случае был бы сделан миллиарды лет назад, еще до того как образовалась Земля, а возможно, даже и само Солнце. И все же наши наблюдения в лаборатории окажут влияние на этот выбор.
В этой главе мы проиллюстрировали использование квантовой физикой эксперимента с двухщелевой преградой. В следующей главе мы рассмотрим фейнмановскую формулировку квантовой механики на примере всей Вселенной. Мы увидим, что, подобно частице, Вселенная имеет не единственную историю, а все возможные истории, каждую со своей собственной вероятностью, а наши наблюдения ее текущего состояния влияют на ее прошлое и определяют различные истории Вселенной точно так же, как наблюдения за частицами в двухщелевом эксперименте влияют на прошлое частиц. Этот анализ покажет, как в результате Большого взрыва возникли законы природы в нашей Вселенной. Но прежде чем рассматривать, как возникают законы, мы немного поговорим о том, что же такое законы, а также о тех загадках, которые они влекут за собой.
5. Теория всего
Самое непостижимое во Вселенной то, что она постижима.
Альберт ЭйнштейнВселенная постижима, потому что ею управляют научные законы, то есть ее поведение можно смоделировать. Но каковы эти законы и модели? Первой силой (или фундаментальным взаимодействием в природе), описанной на языке математики, была гравитация. Закон всемирного тяготения Ньютона, опубликованный в 1687 году, гласит, что всякий объект во Вселенной притягивает любой другой объект с силой, пропорциональной его массе. Это произвело огромное впечатление на интеллектуальную среду той эпохи, поскольку впервые показало, что по крайней мере один аспект Вселенной может быть точно смоделирован. Кроме того, данный закон давал математический аппарат, позволяющий сделать это. Мысль, что существуют законы природы, породила проблемы, подобные тем, за которые около пятидесяти лет до этого Галилей был обвинен в ереси. Например, в Библии повествуется о том, как Иисус Навин умолил Бога остановить движение солнца и луны, чтобы продлить светлое время, и тем самым дать ему возможность завершить битву с амореями в Ханаане. Согласно книге Иисуса Навина, солнце остановилось почти на сутки. Сегодня мы знаем, что это означает остановку вращения Земли. Но если бы Земля остановилась, то, согласно законам Ньютона, все, не закрепленное на ней, продолжило бы движение с прежней скоростью (1100 миль в час на экваторе), — это была бы высокая цена за отложенный закат. Но Ньютона все это не волновало, поскольку, как мы упоминали, он считал, что Бог может вмешиваться и вмешивается в работу Вселенной.
Следующими аспектами Вселенной, для которых был открыт закон, или модель, стали электрические и магнитные силы (фундаментальные взаимодействия). Они ведут себя подобно гравитации, но с тем важным отличием, что два одноименных электрических заряда или два одноименных полюса магнита отталкиваются друг от друга, а разноименные притягиваются. Электрическое и магнитное взаимодействия гораздо сильнее гравитационного, но мы обычно не замечаем их в повседневной жизни, так как макроскопические тела содержат примерно равное число положительных и отрицательных зарядов. Это означает, что электрические и магнитные взаимодействия между двумя макроскопическими телами сами себя уравновешивают, в отличие от гравитационных, которые всегда усиливаются, дополняя друг друга.
На развитие нашего современного понимания электричества и магнетизма ушло примерно сто лет, с середины XVIII до середины XIX века. В этот период физики разных стран проводили тщательные экспериментальные исследования электрических и магнитных сил. Одним из самых важных стало открытие взаимосвязи между электрическими и магнитными силами: движущийся электрический заряд порождает магнитную силу, а движущийся магнит порождает электрические заряды. Первым, кто обнаружил наличие определенной связи, был датский физик Ханс Кристиан Эрстед (1777–1851). Готовясь к лекции, которую он должен был читать в университете в 1820 году, Эрстед заметил, что электрический ток от батареи, которую он использовал, отклоняет стрелку расположенного неподалеку компаса. Вскоре он понял, что движущееся электричество создает магнитную силу, и ввел термин «электромагнетизм». Несколько лет спустя британский ученый Майкл Фарадей (1791–1867) пришел к выводу, что — пользуясь современной терминологией — если электрический ток может порождать магнитное поле, то и магнитное поле должно порождать электрический ток. Он продемонстрировал это в 1831 году. А еще через четырнадцать лет Фарадей открыл связь между электромагнетизмом и светом, показав, что сильное магнитное поле может влиять на природу поляризованного света.
