Джон Фарндон - Вопрос на засыпку. Как заставить мозги шевелиться
Самое удивительное, что, привнесенные в культуру из области фантастических представлений о космических путешествиях, машины для телепортации являются научным фактом уже в течение нескольких десятилетий.
Все началось с понятного скептицизма Альберта Эйнштейна в отношении неопределенности в основе квантовых идей. Эйнштейн не был в состоянии понять Вселенную, управляемую вероятностями; это просто казалось антинаучным. «Бог не играет в кости», – как говорят, заявил он – и придумал мысленный эксперимент (получивший название эксперимент Эйнштейна – Подольского – Розена, или ЭПР-парадокс), чтобы доказать, что квантовая теория ошибочна. Он представил, как пара частиц одновременно излучается атомом.
Эйнштейн играл с утверждением квантовой теории о том, что вещи только тогда становятся измеренными, когда они наблюдаются. Так, по его словам, спин двух излученных частиц не измерен, пока они не наблюдаются, а еще, если мгновенный спин одной из них наблюдается и измерен, то спин другой должен быть измерен тоже – даже если она находится на другом конце Вселенной.
«Абсурд, да?» – думал Эйнштейн. Поэтому, как ему казалось, квантовая теория должна быть ошибочной. Поразительно, что в 1982 году французский физик Ален Аспе показал, что ЭПР – реальный эффект. Про такие две частицы говорят, что они запутанные – как если бы они были близнецами, которые могут телепатически общаться через пространство.
Также удивительно, что запутанность демонстрировалась снова и снова в течение последних десятилетий, и она является основой для настоящих, работающих машин для телепортации.
Идея состоит в том, что если подключить третью частицу к первой частице из запутанной пары, то она мгновенно воссоздает, как по волшебству, состояние второй частицы – независимо от того, на каком расстоянии друг от друга они находятся. Таким образом в 1997 году в одной из лабораторий Рима удалось телепортировать фотоны, а затем получилось переместить и крупные молекулы, и бактерии. В 2012 году китайские ученые моментально телепортировали фотон на 97 километров. А в 2013 году швейцарским ученым удалось телепортировать данные с помощью электронных схем.
Так что машины для телепорта – реальность, и я нахожу их поразительными. Однако, несмотря на прогресс, в ближайшее время люди точно не попадут на «Звездный путь». Количество данных, которые нужно передать для телепортации человека, огромно. Некоторые студенты-физики недавно подсчитали, что на перенос данных для восстановления триллионов триллионов (то есть 1024) атомов человеческого существа понадобится 350 000 возрастов Вселенной! И есть еще одна проблема. Все современное представление о телепортации на самом деле не перемещение объекта, а разрушение его и воссоздание в другом месте. Таким образом, чтобы телепортировать меня отсюда в Гавану, вам придется испарить меня здесь, чтобы воссоздать в конечной точке. Не говоря уже о философском и экзистенциальном кризисе, это может породить вопрос: я, который в Гаване, – вправду я? Не то чтобы я был в восторге от мысли превратиться в пыль хотя бы раз в жизни.
А поскольку телепортация на самом деле не перемещает вас, а воссоздает в другом месте – такая идея уже менее привлекательна, чем кажется на первый взгляд. Разговор по Skype, например, создает мгновенную аудио– и визуальную версию вас в другом месте, при этом не разрушая оригинал, – и не нужно хорошего воображения, чтобы представить: когда-нибудь появится улучшенная версия программы, с обратной связью, и это будет почти так же, как если бы вы телепортировались.
Все более и более распространенным явлением в виртуальном пространстве становится концепция аватаров, и, конечно, некоторые мыслители играют с идеей загрузить все наши мысли в машину, чтобы мы существовали в киберпространстве независимо от наших физических тел. Если это произойдет, то устройства для телепорта окажутся ненужными – задолго то того, как они станут реальностью.
Тем не менее «не слишком впечатляющие» устройства для переноса частиц, которые уже существуют, являются одним из самых выдающихся научных достижений нашего времени. Прежде всего тот факт, что такие машины работают на любом уровне, является ошеломляющим подтверждением квантовой теории – подтверждением того, что мы живем в двигающемся, загадочном мире, который работает не детерминированно, а на вероятностях. В нем есть что-то немного неутешительное про частицы, исчезающие в одном месте и появляющиеся в другом, но если это и правда именно то, как функционирует Вселенная – а кажется, так оно и есть, – вероятно, такое знание откроет нашим умам неведомые возможности и новые способы взглянуть на реальность.
Обычные технологии уже показали, что может быть сделано малыми усилиями для адаптации новой реальности к квантам. Компьютерные флешки, например, используют квантовое явление туннельного эффекта, который позволяет частицам мгновенно «перепрыгнуть» с одной стороны барьера на другую. Может ли концепция машины для телепортации быть разработана таким образом, чтобы дать нам множество технологий, которые пока нельзя предвидеть? Это кажется весьма вероятным. Уже сейчас ученые работают над идеями передачи данных, которые будут обрабатываться на компьютерах, чьи мощности и скорости значительно превышают используемые сейчас.
В то же время я не жду от ученых, что они построят машину для телепортации, чтобы в мгновение ока перенести меня на другой конец Вселенной или хотя бы на Гавайи. У меня есть своя машина для телепортации – прямо здесь, в моей голове. Она называется воображением. Ее легко запустить, она всегда готова к использованию – и, более того, позволяет мне создать образ моего места назначения, а заодно и моего прибытия туда. Иногда, чтобы разбудить воображение, мне нужна книга, фильм или немного музыки (или вопрос преподавателя Оксбриджа).
Сколько молекул в стакане воды?
(Естественные науки, Кембридж)
Ответ прост – много. Молекулы настолько малы и их в стакане воды такое огромное количество, что невозможно их пересчитать явным образом. Поэтому я собираюсь дойти до ответа опосредованно. На самом деле расчет довольно прост – нам надо обратиться к основам химии и атомно-молекулярному учению.
Все началось с озарения одного человека, которого некоторые называют отцом химии, – Джона Дальтона. Уже в конце 1700-х годов ученые знали об атомах, но считали, что они все одного размера, и не задумывались о том, что атом каждого элемента уникален. Проводя эксперименты с газами, полученными из воздуха, Дальтон был удивлен, когда заметил, что чистый кислород не поглощает столько же водяного пара, сколько чистый азот. Он догадался, что это происходит потому, что атомы кислорода больше и тяжелее, чем атомы азота, и для воды остается меньше места. Если первое предположение было всего лишь блестящим, то следующее – просто гениальным.
Атомы, решил Дальтон, отличаются только соотношением весов. С этого момента веса оказались в центре внимания атомно-молекулярной химии – они-то и будут нашим способом подсчета молекул в стакане.
Дальтон заметил, что атомы – «неделимые частицы» каждого элемента – группируются, создавая очень простые соединения. Основываясь на этом предположении, он смог найти удельный вес атома каждого элемента, измеряя общий вес элементов, участвующих в соединении. Просто и эффективно. Вскоре ученый вывел то, что теперь известно как относительные атомные массы элементов.
Он использовал водород в качестве основы, так как это самый легкий газ, и присвоил ему атомный вес, равный 1. Поскольку кислорода в воде содержится в 7 раз больше, чем водорода, Дальтон присвоил кислороду атомный вес 7. Это тоже было достаточно просто – или исследователю так казалось (на самом деле атомный вес кислорода примерно равен 16).
К сожалению, в методе Дальтона был недостаток: ученый не понимал, что атомы одного элемента можно объединить. Он всегда считал, что молекула состоит только из одного атома каждого элемента. Конечно, он был неправ.
Здесь на сцене появляется современник Дальтона – вероятно, очень медленно, потому что его имя до абсурда длинно и величественно: Лоренцо Романо Амедео Карло Авогадро ди Куаренья э ди Черрето. Авогадро, как его обычно коротко называют, был итальянским ученым-аристократом. К тому времени Гей-Люссак уже доказал, что, когда два газа реагируют друг с другом с образованием третьего, они всегда сочетаются в простых целочисленных соотношениях. Авогадро понял: чтобы это было верно, равные объемы двух газов при одних и тех же температуре и давлении должны иметь равное число частиц. Если это так, то соотношение означает, что молекула может состоять из разного числа атомов – что важно при расчете соотношений, то есть молекулярных пропорций. За полвека, прошедших с этого открытия, ученые поняли, что идея Авогадро об использовании молекулярных размеров позволяет им правильно рассчитать атомные веса.
