Почему квантовая механика утверждает, что прошлое нереально

Ниже приводится выдержка из нашего информационного бюллетеня «Затерянные в пространстве-времени». Каждый месяц мы погружаемся в увлекательные идеи со всей Вселенной. Ты можешь зарегистрируйтесь на «Затерянные в пространстве-времени» здесь.

Адольф Гитлер умер 30 апреля 1945 года. По крайней мере, так гласит официальная история. Но горстка историков оспаривала эти доказательства и настаивала на том, что фюрер сбежал из раздираемого войной Берлина и жил где-то, скрываясь. Хотя последняя версия сегодня широко отвергается как необоснованная теория заговора, ни один разумный историк не усомнится в том, что, какими бы ни были оспариваемые доказательства, по крайней мере, существовал «факт дела». Гитлер либо умер в тот день, либо нет. Было бы бессмысленно утверждать, что Гитлер был одновременно жив и мертв 2 мая 1945 года. Однако замените Адольфа Гитлера на Знаменитый кот Эрвина Шрёдингераи исторические «факты дела» становятся серьезно неясными.

Шредингер был одним из основателей квантовая механикасамой успешной научной теории в истории. Он лежит в основе всей химии, физики элементарных частиц, материаловедения, молекулярной биологии и большей части астрономии и подарил нам ослепительные технологические чудеса — от лазеров до смартфонов. Проблема в том, что, несмотря на все свои триумфы, квантовая механика на самом дне кажется бессмысленной.

В повседневной жизни мы предполагаем, что «там» существует реальный мир, в котором такие предметы, как столы и стулья, обладают определенными, четко определенными свойствами.как иметь позицию и ориентацию, независимо от того, смотрит ли кто-нибудь или нет. Когда мы наблюдаем объект в макроскопическом мире, мы просто обнаруживаем ранее существовавшую реальность. Но квантовая механика имеет дело с микромиром атомов и субатомных частиц, где реальность превращается в неопределенность и нечеткость.

Квантовая неопределенность подразумевает, что будущее не полностью определяется настоящим. Например, если электрон с известной скоростью выстреливает в тонкий барьер, он может отскочить назад или туннелировать через барьер и улететь на дальнюю сторону. Или, если атом перевести в возбужденное состояние, то через микросекунду он все еще может быть возбужден или же распасться и испустить фотон. В обоих случаях мы не можем с уверенностью предсказать, что именно произойдет; могут быть указаны только коэффициенты ставок.

И большинству людей комфортно признать, что будущее несколько открыто. Но квантовая нечеткость также подразумевает, что прошлое это еще не решенное дело. Посмотрите на достаточно крупный масштаб, и история растворится в смеси альтернативных реальностей, технически называемой суперпозицией.

размытость квантового микромира резко фокусируется во время измерения. Например, вы можете выполнить измерение положения электрона и обнаружить, что он находится в определенном месте. Но, согласно квантовой механике, это не означает, что электрон был уже там до измерения, а наблюдение просто показывает, где именно. Скорее, измерение проецируется на электрон на месте из предшествующего состояния отсутствия положения.

Если это так, то как нам следует думать об электроне до того, как он был обнаружен? Представьте себе множество полуреальных «призрачных электронов», распределенных по пространству, каждый из которых представляет собой отдельный объект. потенциал реальность, зависшая в состоянии неопределенности. Иногда это описывают, говоря, что электрон находится во многих местах одновременно. Потом – бац! – проводится измерение, которое служит продвижению конкретного «призрака-победителя» в конкретную реальность, уничтожая конкурентов.

Имеет ли экспериментатор какой-либо выбор в отношении результата? Не тогда, когда дело доходит до выбора призрака-победителя – это случайность. Но, тем не менее, здесь присутствует элемент выбора, и он имеет решающее значение для понимания квантовой реальности. Если вместо измерения положения экспериментатор решит измерить скорость электрона, то нечеткое предшествующее состояние снова приводит к четкому результату – но на этот раз создавая не электрон на месте, а электрон со скоростью. И обнаружено, что электрон со скоростью ведет себя как волна. Это не то же самое, что электрон в месте, который является частицей. Очевидно, электроны каким-то образом и волны, и частицы; какой аспект они проявляют, зависит от того, как кто-то решит их допросить.

Итог: что происходит с электроном – ведет ли он себя как волна или как частица, двигаясь вперед, – зависит от того, какой тип измерения решит провести экспериментатор, чтобы наблюдать его. Странно, конечно, но вот тут-то это становится по-настоящему странным: бывает и то, что имеет случилось с атомом до измерение зависит от решения экспериментатора! То есть природа электрона в прошлом – волна или частица – определяется этим выбором. Похоже, что-то возвращается в прошлое и влияет на то, как мир «там» былдо измерения.

Это путешествие во времени? Ретрокаузация? Телепатия? Все эти слова звучат в популярных статьях по квантовой физике, но наиболее подходящее описание дал Джон Уилер, физик, придумавший термин «черная дыра»: «Прошлое не существует, кроме того, что записано в настоящем», — заявил он.

Описание Уиллера звучит глубоко, как изречение, но существует ли реальный эксперимент, подтверждающий это? Действительно, есть, о чем я впервые узнал от самого Уиллера, когда мы встретились за завтраком в отеле «Хилтон» в Балтиморе в 1980 году. Обед начался с загадочного вопроса, типичного для мужчины: «Как вы удерживаете призрак фотона?» — спросил он. Видя мое замешательство, Уилер продолжил объяснять новый поворот, который он придумал для классического квантового эксперимента. Легче всего это сделать со светом, хотя с тем же успехом это можно сделать и с электронами или даже целыми атомами.

Эксперимент, впервые проведенный английским эрудитом Томасом Янгом в 1801 году, представляет собой попытку продемонстрировать волновую природу света. Янг установил близко друг к другу экран с двумя узкими щелями и осветил его точечным светом. Свет проходит через щели и падает на второй экран, расположенный немного дальше от источника света. Что увидел Янг? Не две размытые полосы света, как вы можете себе представить, а серия ярких и темных полос, называемых интерференционными полосами. Они возникают потому, что световые волны, проходящие через каждую щель, распространяются, и там, где они приходят ступенчато – от пика к пику, от впадины к впадине – они усиливаются, образуя яркий участок, а там, где они приходят не в такт, они нейтрализуются и создают темный участок.

Квантовая механика возникла, когда физики спорили о том, состоит ли свет из волн или частиц, называемых фотонами. Теперь мы знаем, что, как и в случае с электронами, ответ — и то, и другое. И с помощью современных технологий вы можете сделать Эксперимент Янга по одному фотону за раз. Каждый фотон образует небольшую точку на втором экране, и со временем множество точек образуют пестрый узор, отображающий характерные полосы, которые обнаружил Янг. Это кажется странным: если фотон — крошечная частица, он обязательно должен пройти через или одна щель или другой. Но оба щели нужны для создания интерференционной картины.

Что тогда произойдет, если хитрый экспериментатор решит посмотреть, через какую щель проходит тот или иной фотон? Этого легко добиться, разместив детектор вблизи щелей. Когда это будет сделано, интерференционная картина исчезнет. Обнаружение вмешательства, по сути, побудило фотон проявить себя как частицу, тем самым устранив его волновую природу. Вы можете сделать то же самое с электронами – выяснить, через какую щель они прошли, и не найти полосатого узора, или оставить путь каждого электрона неоднозначным и наблюдать за полосками (после того, как многие электроны выстроят узор). Таким образом, экспериментатору предстоит решить, фотон за фотоном или электрон за электроном, будет ли он вести себя как волна или как частица, когда попадет на экран изображения.

Теперь мы добираемся до поворота Уиллера. Решение – смотреть или не смотреть – не нужно принимать заранее. Фактически, его можно оставить до тех пор, пока фотон (или электрон) не пройдет через систему щелей и не окажется на пути к экрану изображения. По сути, экспериментатор может выбрать, оглянуться назад и посмотреть, из какой щели вышел фотон или нет. Эта установка, которая по понятным причинам получила название эксперимента с отложенным выбором, была проведена, и результаты оказались такими, как ожидалось. Когда экспериментатор решает посмотреть, фотоны не образуют полосы; когда они остаются незамеченными, они это делают. Вывод? Реальность, которая был – вел ли свет как волна, прошедшая через обе щели, или как частица, прошедшая через одну, – определяется последующим выбором экспериментатора. Я должен упомянуть, что в реальном эксперименте «выбор» автоматизирован и рандомизирован, чтобы избежать предвзятости, которая может исказить результаты, и потому, что все это происходит быстрее, чем время человеческой реакции.

Эксперимент с отложенным выбором не меняет прошлого. Скорее, в отсутствие эксперимента существует множество прошлых – множество смешанных реальностей. Когда делается выбор относительно того, что измерять, некоторые из этих историй отбраковываются. Эффект этого выбора состоит в том, чтобы уменьшить часть прошлой квантовой нечеткости и, если не определить уникальную историю, то, по крайней мере, сузить число претендентов. Вот почему его иногда называют экспериментом с квантовым ластиком.

В реальном эксперименте время обратного анализа составляет всего лишь наносекунду или около того, но в принципе оно может простираться вплоть до происхождения Вселенной. И действительно, именно в этом заключался смысл загадочного вопроса Уиллера о том, как удержать призрак фотона. Он представил себе далекий космический источник света. гравитационно-линзовый с нашей точки зрения, промежуточной черной дырой, с двумя световыми путями, огибающими противоположные стороны черной дыры, а затем сходящимися на Земле, что немного похоже на эксперимент с двумя щелями в космическом масштабе. Призрак фотона может прийти по одному маршруту, в то время как другой призрак, идущий по другому, возможно, более длинному маршруту, может не добраться сюда еще в течение месяца. Чтобы провести такой эксперимент с космической интерференцией, вам придется каким-то образом сохранить или «задержать» первый призрак, чтобы дождаться прибытия второго, прежде чем объединить их, чтобы волны перекрывались одновременно, как это происходит в оригинальном эксперименте Янга.

Эйнштейн однажды написал, что прошлое, настоящее и будущее — всего лишь иллюзии. В этом он ошибался. Ошибка кроется в слове «the». А прошлое существует сегодня в исторических записях, но оно состоит из огромного множества смешанных «призрачных прошлых», объединенных таким образом, что образует уникальное повествование в макроскопическом масштабе. Однако на квантовом уровне оно превращается в смесь размытых частей реальности, лежащую за пределами человеческого опыта.

Пол Дэвис — физик-теоретик, космолог, астробиолог и автор бестселлеров. Его книга, Квант 2.0опубликованное издательством Penguin в ноябре 2025 года.

Темы: