Глава 2. Не существует лучшей, более открытой двери к изучению физики, чем обсуждение физического феномена свечи

Тени

Не существует лучшей, более открытой двери к изучению физики, чем обсуждение физического феномена свечи.

Майкл Фарадей

(Курс из шести лекций по химической истории свечи)

В своих знаменитых научных лекциях в Королевском институте Майкл Фарадей всегда побуждал своих слушателей изучать мир, рассматривая, что происходит при горении свечи. Я заменю свечу электрическим фонариком. Это правомерно, поскольку устройство электрического фонарика во многом основано на открытиях Фарадея.

Я опишу несколько экспериментов, которые иллюстрируют явления лежащие в основе квантовой физики. Такого рода эксперименты со множеством изменений и уточнений в течение многих лет оставались средством к существованию квантовой оптики. В их результатах нет противоречий, однако даже сейчас в некоторые из них трудно поверить. Основные эксперименты удивительно просты. Они в сущности не требуют ни специальных научных инструментов, ни глубокого знания математики или физики, они заключаются всего лишь в отбрасывании теней. Обычный электрический фонарик может производить весьма странные картины света и тени. При более внимательном рассмотрении можно увидеть, что они имеют необычные разветвления. Чтобы объяснить их, нужны не просто новые физические законы, а новый уровень описания и объяснения, выходящий за пределы того, что раньше считали научной сферой. Прежде всего, эти картины открывают существование параллельных миров. Как это возможно? Какая мыслимая картина теней может повлечь за собой подобные выводы?

Рис. 2.1. Свет от электрического фонарика

Представьте включенный электрический фонарик в темной комнате где нет других источников освещения. Нить накала лампочки испускает свет, который расширяется, образуя часть конуса. Чтобы не усложнять эксперимент отраженным светом, стены комнаты должны быть матово‑черными для полного поглощения света. Или, поскольку мы проводим эти эксперименты только в своем воображении, можно представить комнату астрономических размеров, чтобы до завершения эксперимента свет не успел достигнуть стен и вернуться. Рисунок 2.1 иллюстрирует данный опыт. Но этот рисунок в некоторой степени не соответствует истине: если бы мы смотрели на фонарик со стороны, мы не смогли бы увидеть ни фонарик, ни свет. Невидимость – одно из простейших свойств света. Мы видим свет лишь тогда, когда он попадает в наши глаза (хотя, как правило, мы говорим о последнем объекте, на который воздействовал этот свет и который оказался по линии нашего зрения). Мы не можем увидеть свет, который просто проходит мимо. Если бы в луче оказался отражающий объект или даже пыль или капельки воды, чтобы рассеять свет, мы смогли бы его увидеть. Но поскольку в луче ничего нет, и мы смотрим на него извне, его свет не достигает нас. Наиболее точно то, что мы должны увидеть, следовало бы представить абсолютно черной картинкой. В присутствии второго источника света, мы могли бы увидеть фонарик, но опять же не его свет. Лучи света, даже самого интенсивного света, который мы можем получить (с помощью лазеров), проходят друг через друга, как если бы ничего не было вообще.

На рисунке 2.1 видно, что около фонарика свет наиболее яркий, по мере удаления от него свет тускнеет, так как луч расширяется, чтобы осветить еще большую площадь. Наблюдателю, находящемуся в луче и отходящему от фонарика спиной вперед, рефлектор показался бы еще меньше, а когда был бы виден только как точка, еще слабее. Это в самом деле было бы так? Способен ли свет действительно распространяться неограниченно все более тонкими лучами? Ответ: нет. На расстоянии примерно десяти тысяч километров от фонарика его свет был бы слишком слабым, чтобы человеческий глаз мог его различить, и наблюдатель ничего бы не увидел. То есть человек ничего бы не увидел; а животное с более чувствительным зрением? Глаза лягушки в несколько раз чувствительнее человеческих глаз: этого вполне достаточно, чтобы почувствовать ощутимую разницу при проведении эксперимента. Если бы наблюдателем была лягушка, и она удалялась бы от электрического фонарика, момент, когда она полностью потеряла бы его из вида, никогда бы не наступил. Вместо этого лягушка увидела бы, что фонарик начал мерцать. Вспышки возникали бы через неравные промежутки времени, которые увеличивались бы по мере удаления лягушки от фонарика. Но отдельные вспышки не стали бы менее яркими. На расстоянии ста миллионов километров от фонарика лягушка видела бы в среднем только одну вспышку света в день, но эта вспышка была бы не менее яркой, чем любая другая, наблюдаемая с любого другого расстояния.

Рис. 2.2. Лягушки могут видеть отдельные фотоны

Лягушки не могут рассказать нам, что они видят. Поэтому при проведении реальных экспериментов мы используем фотоумножители (световые детекторы, чувствительность которых превышает чувствительность глаз лягушки) и уменьшаем свет, пропуская его через темные фильтры, а не наблюдаем его на расстоянии ста миллионов километров от источника. Однако ни принцип, ни результат от этого не меняются: не мнимая темнота, не однородная тусклость, а мерцание, причем вспышки – одинаково яркие, независимо от того, насколько темный фильтр мы используем. Это мерцание показывает, что существует предел равномерного распространения света. Пользуясь терминологией ювелиров, можно сказать, что свет не является бесконечно «ковким». Подобно золоту небольшое количество света можно равномерно распределить по очень большой площади, но, в конечном итоге, если попытаться растянуть его еще, он станет неровным. Даже если можно как‑нибудь предотвратить группирование атомов золота, существует предел, за которым атомы нельзя разделить без того, чтобы золото не перестало быть золотом. Поэтому единственный способ сделать золотой лист толщиной в один атом еще тоньше – расположить атомы еще дальше друг от друга, чтобы между ними было пустое пространство. Когда эти атомы окажутся достаточно далеко друг от друга, заблуждением будет считать, что они образуют сплошной лист. Например, если каждый атом золота находился бы в среднем на расстоянии нескольких сантиметров от своего ближайшего соседа, можно было бы провести рукой через «лист», не прикасаясь к золоту вообще. Точно также существует элементарный световой шарик или «атом», фотон. Каждая вспышка, которую видит лягушка, вызвана фотоном, воздействующим на сетчатку ее глаз. Луч света становится слабее не потому, что сами фотоны ослабевают, а потому, что они отдаляются друг от друга, и пустое пространство между ними увеличивается (рисунок 2.2). Очень слабый луч неправомерно называть «лучом», поскольку он прерывается. Когда лягушка ничего не видит, это происходит не потому, что свет, попадающий в ее глаза, слишком слаб, чтобы воздействовать на сетчатку, а потому, что свет просто не попадает в ее глаза.

Это свойство появления света в виде шариков дискретных размеров называется квантованием. Отдельный шарик, фотон, называется квантом (во множественном числе кванты). Квантовая теория получила свое название от этого свойства, которое она приписывает всем измеримым физическим величинам, а не только количеству света или массе золота, которые квантуются, поскольку на самом деле состоят из частиц, хотя и выглядят непрерывными. Даже для такой величины, как расстояние (например, между двумя атомами), понятие непрерывного диапазона возможных величин оказывается идеализацией. В физике не существует измеримых непрерывных величин. В квантовой физике существует множество новых явлений, и, как мы увидим, квантование – одно из простейших. Однако в некотором смысле оно остается ключом ко всем остальным явлениям, поскольку если все квантуется, каким образом может изменяться значение какой‑то величины? Как объект попадает из одного места в другое, если не существует непрерывного диапазона промежуточных положений, где он может находиться по пути? В Главе 9 я объясню, как, но сейчас позвольте мне отложить этот вопрос на некоторое время и вернуться в область, близкую к фонарику, где луч выглядит непрерывным, потому что каждую секунду он испускает около 1014 (ста триллионов) фотонов в глаз, который на него смотрит.

Граница между светом и тенью резкая или существует некоторая серая область? Обычно существует довольно широкая серая область, и одна из причин ее существования показана на рисунке 2.3. Там показана темная область (называемая полной тенью), куда не доходит свет от нити накала. Там же присутствует и освещенная область, которая может получать свет от любого участка нити накала. И поскольку нить накала является не геометрической точкой, а имеет определенный размер, между освещенной и неосвещенной областью также присутствует полутень: область, которая может получать свет только от некоторых участков нити накала. Если наблюдать из области полутени, то можно увидеть только часть нити накала, и освещение будет меньше, чем в полностью освещенной области.

Рис. 2.3. Полная тень и полутень тени

Однако размер нити накала – не единственная причина того, почему фонарик отбрасывает полутень. Различное влияние на свет оказывают рефлектор, расположенный позади лампочки, стеклянный колпак фонарика, различные стыки и дефекты и т. д. И поскольку сам фонарик достаточно сложен, мы ожидаем появления сложных картин света и тени. Но побочные свойства фонариков не являются предметом таких экспериментов. За нашим вопросом о свете фонарика скрывается более фундаментальный вопрос о свете вообще: существует ли, в принципе, некий предел резкости границы (другими словами, насколько узкой может быть полутень)? Например, если фонарик сделать из абсолютно черного (неотражающего) материала и если использовать все уменьшающиеся нити накала, возможно ли сужать полутень беспредельно?

Глядя на рисунок 2.3 можно подумать, что это возможно: если бы нить накала не имела размера, не было бы полутени. Но на рисунке 2.3 я сделал некоторое допущение относительно света, а именно, что свет распространяется только прямолинейно. Из повседневного опыта нам известно, что это так и есть, поскольку мы не видим волн. Но точные эксперименты показывают, что свет не всегда распространяется прямолинейно. При некоторых обстоятельствах свет искривляется.

Это сложно продемонстрировать с помощью фонарика, потому что сложно сделать крошечные нити накала и абсолютно черные поверхности. Эти практические сложности скрывают те ограничения, которые основная физика накладывает на резкость теней. К счастью, искривление света можно также показать по‑другому. Предположим, что свет фонарика проходит через два последовательных маленьких отверстия в светонепроницаемых экранах, как показано на рисунке 2.4, и что проходящий через эти отверстия свет падает на третий экран. Вопрос состоит в следующем: если этот эксперимент повторять, уменьшая диаметр отверстий и увеличивая расстояние между первым и вторым экранами, можно ли беспредельно сужать полную тень (область абсолютной темноты) до тех пор, пока она не превратится в прямую линию между центрами двух отверстий? Может ли освещенная область между вторым и третьим экраном быть ограничена произвольно узким конусом? Говоря языком ювелиров, сейчас мы спрашиваем что‑то вроде того, «насколько пластичен свет», в насколько тонкую нить можно растянуть свет? Из золота можно получить нити толщиной в одну десятитысячную миллиметра.

Рис. 2.4. Получение узкого луча света, проходящего через два последовательных отверстия

Оказывается, что свет не так пластичен, как золото! Задолго до того, как диаметр отверстий приблизится к десятитысячной доле миллиметра, а в действительности, уже при диаметре отверстий около одного миллиметра свет начинает оказывать заметное противодействие. Вместо того чтобы проходить через отверстия прямыми линиями, свет сопротивляется ограничению и распространяется за каждым отверстием. И распространяясь, свет «рассеивается». Чем меньше диаметр отверстия, тем сильнее свет рассеивается от прямолинейного пути. Появляются сложные картины света и тени. Вместо освещенной и темной областей с полутенью между ними на третьем экране мы видим концентрические кольца разной толщины и яркости. Кроме того, там присутствует цвет, так как белый свет состоит из фотонов разных цветов, каждый из которых распространяется и рассеивается немного по‑разному. На рисунке 2.5 показана типичная картина, которую может образовать на третьем экране белый свет, пройдя через отверстия в первых двух экранах. Не забывайте, здесь всего лишь отбрасывается тень. Рисунок 2.5 – это всего лишь тень, отброшенная вторым экраном, изображенным на рисунке 2.4. Если бы свет распространялся только прямолинейно, появилась бы только крошечная белая точка (гораздо меньше, чем яркое пятно в центре рисунка 2.5), окруженная очень узкой полутенью. Все остальное было бы полной тенью – совершенной темнотой.

Рис. 2.5. Картина света и тени, образованная белым светом после прохождения через маленькое круглое отверстие

Как бы ни озадачивало то, что лучи света искривляются, проходя через маленькие отверстия, я не считаю, что это нарушает сами основы. В любом случае, для наших настоящих целей важно, что свет действительно искривляется. Это означает, что тени вообще не должны выглядеть как силуэты предметов, которые их отбрасывают. Более того, дело даже не в размывании изображения, вызванном полутенью. Оказывается, что перегородка с отверстиями сложной формы может отбрасывать тень совершенно другой формы.

Рисунок 2.6 показывает приблизительно в натуральную величину часть картины тени, отбрасываемой светонепроницаемой перегородкой с двумя прямыми параллельными щелями, находящейся на расстоянии трех метров от экрана. Щели находятся на расстоянии одной пятой миллиметра друг от друга и освещаются прямым красным лучом лазера расположенного по другую сторону перегородки. Почему используется свет лазера, а не электрического фонарика? Только потому, что точная форма тени также зависит и от цвета света, который ее производит, белый свет фонарика содержит весь спектр видимых цветов, поэтому он может отбрасывать тени с интерференционными полосами различного цвета. Значит, для получения точной формы тени во время эксперимента лучше использовать свет одного цвета. Можно было бы поместить цветной фильтр (например, цветное оконное стекло) перед фонариком так, чтобы проходил свет только одного цвета. Это могло бы помочь, но фильтры не стопроцентно селективны. Лучше воспользоваться светом лазера, поскольку лазер можно очень точно настроить на испускание монохроматического света.

Рис. 2.6. Тень, отбрасываемая перегородкой с двумя прямыми параллельными щелями

Если бы свет распространялся прямолинейно, картина, изображенная на рисунке 2.6, представляла бы две ярких полосы с резкими границами, расположенные на расстоянии одной пятой миллиметра друг от друга (что было бы невозможно увидеть при таком масштабе), а остальная часть экрана осталась бы в тени. Но в действительности свет искривляется так, что образует много ярких и темных полос без резких границ. Если увеличить расстояние между щелями так, чтобы они оставались в пределах лазерного луча, расстояние между полосами на экране увеличится на столько же. В этом отношении тень ведет себя как обычная тень, отбрасываемая крупным предметом. А какую тень мы получим, если прорежем в перегородке между двумя существующими щелями еще две идентичные щели, так, что у нас будет четыре щели, расположенные на расстоянии одной десятой миллиметра друг от друга? Можно ожидать, что картина, изображенная на рисунке 2.6, останется практически неизменной. Как‑никак первая пара щелей отбрасывает тени, показанные на рисунке 2.6, и, как я уже сказал, вторая пара щелей должна произвести подобную картину тени, сдвинутую в сторону на одну десятую миллиметра – почти на том же самом месте. Кроме того, мы знаем, что лучи света пересекаются, не оказывая никакого воздействия друг на друга. Так что две пары щелей должны дать ту же самую картину тени, но в два раза ярче и чуть более размытую.

В действительности происходит нечто отличное. Действительная тень, отбрасываемая перегородкой с четырьмя прямыми параллельными щелями, показана на рисунке 2.7 (а). Для сравнения ниже я снова привожу рисунок тени от перегородки с двумя щелями (рисунок 2.7(b)). Ясно, что тень от четырех щелей представляет собой отнюдь не комбинацию двух слегка отдаленных друг от друга теней от двух щелей, а имеет новую и более сложную картину. В этой картине есть такие участки, как точка X. которая не освещена на картине тени от четырех щелей и освещена на картине тени от двух щелей. Эти участки освещались при наличии в перегородке двух щелей, но перестали освещаться, когда в перегородке прорезали еще две щели, пропускающие свет. Появление этих щелей воспрепятствовало попаданию света в точку X.

Рис. 2.7. Тени отбрасываемые перегородкой с (а) четырьмя и (b) двумя параллельными щелями

Таким образом, появление еще двух источников света затемняет точку X. а их удаление снова освещает ее. Каким образом? Можно представить два фотона, направляющиеся к точке Х и отскакивающие друг от друга как бильярдные шары. Только один из фотонов мог бы попасть в точку X, но они мешали друг другу, и потому ни один из них туда не попал. Скоро я покажу, что это объяснение не может быть истинным. Тем не менее, основной идеи избежать невозможно: через вторую пару щелей должно проходить что‑то, препятствующее попаданию света из первой пары щелей в точку X. Но что? Это мы можем выяснить с помощью дальнейших экспериментов.

Во‑первых, картина тени от перегородки с четырьмя щелями, изображенная на рисунке 2.7 (а), появляется только в том случае, если все четыре щели освещены лазерным лучом. Если освещены только две щели, появляется картина, соответствующая тени от двух щелей Еcли освещены три щели, появится картина тени от трех щелей которая в свою очередь будет отличаться от двух предыдущих. Таким образом, в луче света находится нечто, вызывающее интерференцию Картина тени от двух щелей также появляется, если две щели заполнить светонепроницаемым материалом, но она изменяется при заполнении этих щелей прозрачным материалом. Другими словами, интерференции препятствует нечто, препятствующее свету, это может быть даже что‑то столь же несущественное, как туман. Но оно может пройти через все, что пропускает свет, даже через непроницаемый (для материи) алмаз. Если в аппарате расположить сложную систему зеркал и линз так, чтобы свет мог распространяться от каждой щели до конкретной точки на экране, то в этой точке наблюдалась бы часть картины тени от четырех щелей. Если конкретной точки достигает свет только от двух щелей, на экране мы увидим часть картины тени от двух щелей и т.д.

Таким образом, что бы ни вызывало интерференцию, оно ведет себя как свет. Оно присутствует в луче света, но отсутствует вне него. Оно отражается, передается или блокируется тем, что отражает, передает или блокирует свет. Возможно, вы удивитесь, почему я столь досконально разбираю этот вопрос. Абсолютно очевидно, что это свет то есть фотонам из одной щели мешают фотоны из других. Но, возможно вы поставите под сомнение очевидное после следующего эксперимента, расшифровки спектров.

Что нам ожидать при проведении этих экспериментов только с од ним фотоном? Например, предположим, что наш фонарик расположен так далеко от экрана, что за целый день на экран попадает только один фотон. Что увидит наша лягушка, наблюдающая за экраном? Если то, что каждому фотону мешают другие фотоны, – правда, то не уменьшится ли интерференция, когда фотоны будут появляться реже? Не прекратится ли она вовсе, если через аппарат за раз будет проходить только один фотон? Мы по‑прежнему можем ожидать появления полутеней, т. к. фотон при прохождении через щель может отклониться от своего курса (например, ударившись о край щели). Но на экране мы точно не должны увидеть участок, подобный точке X, который получает фотоны, когда открыты две щели, и становится темным когда открывают две другие.

Однако именно это мы и наблюдаем. Независимо от того, насколько редко появляются фотоны, картина тени остается неизменной. Даже при проведении эксперимента с появлением одного фотона за раз этот фотон не попадает в точку X. когда открыты все четыре щели. Но стоит только закрыть две щели, и вспышки в точке Х возобновляются.

Возможно ли, чтобы фотон расщеплялся на фрагменты, которые после прохождения через щели изменяли бы свою траекторию и рекомбинировались? Эту возможность мы тоже можем исключить. Если снова выпустить из аппарата один фотон и у каждой щели установить по детектору, то зарегистрировать сигнал сможет максимум один из них. Поскольку при подобном эксперименте никогда не наблюдались сигналы на двух детекторах одновременно, можно сказать, что обнаруживаемые ими объекты не расщепляются.

Таким образом, если фотоны не расщепляются на фрагменты и отклоняются от траектории не под действием других фотонов, то что же вызывает это отклонение? Когда через аппарат проходит один фотон за раз, что может проходить через другие щели, чтобы помешать ему?

Давайте подойдем к рассмотрению этого вопроса критически. Мы обнаружили, что когда один фотон проходит через этот аппарат,

он проходит через одну щель, затем что‑то воздействует на него, заставляя отклониться от своей траектории, и это воздействие зависит от того, какие еще щели открыты;

воздействующие объекты прошли через другие щели;

воздействующие объекты ведут себя так же, как фотоны...,

... но они не видимы.

С этого момента я буду называть воздействующие объекты «фотонами». Именно фотонами они и являются, хотя на данный момент представляется, что существует два вида фотонов, один из которых я временно назову реальными фотонами, а другой теневыми фотонами. Первые мы можем увидеть или обнаружить с помощью приборов, тогда как вторые – неосязаемы (невидимы): их можно обнаружить только косвенно через их воздействие на видимые фотоны. (Далее мы увидим, что между реальными и теневыми фотонами не существует особой разницы: каждый фотон осязаем в одной Вселенной и не осязаем во всех параллельных Вселенных – но я опережаю события). Пока мы пришли только к тому, что каждый реальный фотон находится под сопровождением эскорта теневых фотонов и что при прохождении фотона через одну из четырех щелей некоторые теневые фотоны проходят через три оставшиеся. Поскольку при изменении положения щелей (при условии, что они находятся в пределах луча) на экране появляются различные интерференционные картины, теневые фотоны должны попадать на всю освещенную часть экрана, куда попадает реальный фотон. Следовательно, теневых фотонов гораздо больше, чем реальных. Сколько же их? Эксперименты не могут определить верхнюю границу этого числа, но устанавливают приблизительную нижнюю границу. Максимальная площадь, которую мы могли осветить с помощью лазера в лаборатории, составила около квадратного метра, а минимальный достижимый размер отверстий мог быть около одной тысячной миллиметра. Таким образом, возможно получить около 1012 (одного триллиона) положений отверстий на экране. Следовательно, каждый реальный фотон должен сопровождать, по крайней мере, триллион теневых.

Таким образом, мы узнали о существовании бурлящего, непомерно сложного скрытого мира теневых фотонов. Они распространяются со скоростью света, отскакивают от зеркал, преломляются линзами и останавливаются, встретив светонепроницаемые барьеры или фильтры другого цвета. Однако они не оказывают никакого воздействия даже на самые чувствительные детекторы. Единственная вещь во вселенной, через которую можно наблюдать теневой фотон, – это воздействие, которое он оказывает на реальный фотон, им сопровождаемый. В этом и заключается явление интерференции. Если бы не это явление и не странные картины теней, которые мы наблюдаем, теневые фотоны были бы абсолютно незаметными.

Интерференция свойственна не только фотонам. Квантовая теория предсказывает, а эксперимент подтверждает, что интерференция происходит с любой частицей. Так что каждый реальный нейтрон должны сопровождать массы теневых нейтронов, каждый электрон – массы теневых электронов и т. д. Каждую из этих теневых частиц можно обнаружить лишь косвенно через ее воздействие на движение реального двойника.

Следовательно, реальность гораздо больше, чем кажется, и большая ее часть невидима. Те объекты и события, которые мы можем наблюдать с помощью приборов, – не более чем вершина айсберга.

Реальные частицы обладают свойством, которое дает нам право называть их совокупность Вселенной. Это определяющее свойство заключается просто в их реальности, то есть во взаимодействии друг с другом и, следовательно, в том, что их можно непосредственно обнаружить с помощью приборов и чувствительных датчиков, созданных из других реальных частиц. Из‑за явления интерференции они не отделяются от остальной реальности (то есть, от теневых частиц) полностью. В противном случае мы бы никогда не узнали, что реальность – это нечто большее, чем реальные частицы. Но в хорошем приближении они напоминают Вселенную, которую мы видим вокруг ежедневно, и Вселенную, на которую ссылается классическая (доквантовая) физика.

По тем же причинам мы могли бы назвать совокупность теневых частиц параллельной Вселенной, ибо теневые частицы оказываются под воздействием реальных частиц только через явление интерференции. Но мы можем сделать еще лучше. Оказывается, что теневые частицы разделяются между собой точно так же, как отделяется от них вселенная реальных частиц. Другими словами, они образуют не одну однородную параллельную вселенную, гораздо большую чем реальная, а огромное количество параллельных вселенных, каждая из которых по составу похожа на реальную и подчиняется тем же законам физики, но отличается от других расположением частиц.

Замечание относительно терминологии. Слово «вселенная» традиционно использовали для обозначения «всей физической реальности». В этом смысле может существовать не более одной вселенной. Придерживаясь этого определения, мы могли бы сказать, что то, что мы привыкли называть «вселенной», а именно: вся непосредственно ощутимая материя и энергия вокруг нас, все окружающее нас пространство, – далеко не вся вселенная, а лишь небольшая ее часть. В этом случае нам пришлось бы придумать новое название для этой маленькой реальной части. Но большинство физиков предпочитает продолжать пользоваться словом «вселенная» для обозначения того, что оно всегда обозначало, несмотря на то, что сейчас эта сущность оказывается лишь маленькой частью физической реальности. Для обозначения физической реальности в целом создали неологизм – мультиверс [3].

Опыты с интерференцией одной частицы, подобные описанным мной, показывают, что мультиверс существует и содержит множество двойников каждой частицы реальной вселенной. Чтобы прийти к следующему выводу о разделении мультиверса на параллельные вселенные, следует рассмотреть явление интерференции нескольких реальных частиц. Самый простой способ осуществить это – спросить при «мысленном эксперименте», что должно происходить на микроскопическом уровне, когда теневые фотоны встречают светонепроницаемый объект. Безусловно, они останавливаются: мы знаем это, поскольку интерференция прекращается, когда на пути теневых фотонов появляется светонепроницаемая перегородка. Но почему? Что их останавливает? Мы можем исключить прямой ответ, что реальные атомы перегородки поглощают их так же, как поглотили бы реальные фотоны. Одно нам известно: теневые фотоны не взаимодействуют с реальными атомами. Кроме того, мы можем проверить, измерив атомы перегородки (или точнее, заменив перегородку детектором), что они не поглощают энергию и не изменяют свое состояние до тех пор, пока не встретят реальный фотон. Теневые фотоны не оказывают на них никакого влияния.

Другими словами, перегородка одинаково воздействует, как на реальные, так и на теневые фотоны, но эти два вида фотонов воздействуют на нее по‑разному. В действительности, насколько нам известно, теневые фотоны вообще не оказывают на нее никакого воздействия. Это и является определяющим свойством теневых фотонов, поскольку, если бы они оказывали реальное воздействие хоть на какой‑то материал, то этот материал можно было бы использовать как детектор теневых фотонов, а само явление теней и интерференции не существовало бы в том виде, в каком я его описал.

Следовательно, в месте существования реальной перегородки находится и теневая. Без особых усилий можно сделать вывод, что эта теневая перегородка состоит из теневых атомов, которые, как нам уже известно, должны присутствовать как двойники реальных атомов перегородки. У каждого реального атома существует множество двойников. В действительности, общая плотность теневых атомов даже в слабом тумане более чем достаточна, чтобы остановить танк, что уж говорить об одном фотоне, если бы эти атомы могли воздействовать на него. Поскольку мы обнаружили, что частично светопроницаемые перегородки имеют равную степень светопроницаемости как для реальных, так и для теневых фотонов, значит, не все теневые атомы на пути определенного теневого фотона могут помешать его движению. Каждый теневой фотон встречает перегородку, во многом подобную той, которую встречает его реальный двойник, перегородку, состоящую из крошечного количества существующих теневых атомов.

По той же причине каждый теневой атом в перегородке может взаимодействовать лишь с небольшим количеством других теневых атомов, находящихся около него, и те, с которыми он взаимодействует, образуют перегородку, весьма похожую на реальную. И так далее. Вся материя и все физические процессы имеют такую структуру. Если реальной перегородкой является сетчатка глаза лягушки, значит, должно быть много теневых сетчаток, каждая из которых способна остановить только одного теневого двойника каждого фотона. Каждая теневая сетчатка взаимодействует только с соответствующими теневыми фотонами, с соответствующей теневой лягушкой и т.д. Другими словами, частицы группируются в параллельные вселенные. Они «параллельны» в том смысле, что в пределах каждой вселенной частицы взаимодействуют друг с другом так же, как в реальной вселенной, но воздействие, оказываемое каждой вселенной на остальные, весьма слабое, и проявляется оно через явление интерференции.

Таким образом, мы вывели цепочку умозаключений, которая начинается со странных картин тени и заканчивается параллельными вселенными. На каждом этапе мы обнаруживаем, что поведение наблюдаемых нами объектов можно объяснить только присутствием невидимых объектов и их определенными свойствами. Основная идея заключается в том, что интерференция одной частицы определенно исключает возможность существования только реальной вселенной, которая нас окружает. А факт существования такого явления интерференции неоспорим. Тем не менее, теория существования мультиверса не пользуется особой популярностью у физиков. Почему?

Ответ, к сожалению, окажется нелицеприятным для большинства. Я еще вернусь к этому в главе 13, но сейчас мне хотелось бы подчеркнуть, что аргументы, представленные мной в этой главе, обращены лишь к тем, кто ищет объяснений. Те, кого устраивают обычные предсказания и у кого нет особого желания понять, как получаются предсказанные результаты экспериментов, могут при желании просто отрицать существование всего, кроме того, что я называю «реальными» объектами. Некоторые люди, например, инструменталисты и позитивисты, принимают эту линию как сущность философского принципа. Я уже сказал, что я думаю о таких принципах и почему. Другие люди просто не хотят думать об этом. Как‑никак, это столь грандиозный вывод, и он вызывает беспокойство, когда о нем слышишь впервые. Но я полагаю, что все эти люди ошибаются. Я надеюсь убедить читателей, которые терпеливо относятся ко мне. что понимание мультиверса – это предварительное условие наилучшего возможного понимания реальности. Я говорю это не в духе суровой определенности искать истину независимо от того, насколько неприятной она может оказаться (хотя надеюсь, что приму и такую позицию, если до этого дойдет). Напротив, я говорю это потому, что итоговое мировоззрение намного более цельно и обладает гораздо большим смыслом, чем все предыдущие мировоззрения. Оно возвышается над циничным прагматизмом, который в наше время зачастую является суррогатом мировоззрения ученых.

«Почему нельзя просто сказать, – спрашивают некоторые физики‑практики, – что фотоны ведут себя так, словно сталкиваются с невидимыми объектами? Почему нельзя оставить это в таком виде? Почему мы должны идти дальше и принимать теорию о существовании невидимых объектов?» Более экзотический вариант этой же по сути идеи заключается в следующем. «Реальный фотон осязаем, теневой фотон – это просто способ возможного, но не осуществленного поведения реального фотона. Тогда квантовая теория заключается во взаимодействии реального с возможным». Это, по меньшей мере, звучит достаточно глубоко. Но, к сожалению, люди, которые придерживаются какого‑то из этих взглядов (включая выдающихся ученых, которые должны бы быть лучше осведомлены), во всем, что касается этого вопроса, неизменно начинают нести чушь. Поэтому давайте будем рассудительными. Ключевой момент состоит в том, что реальный, видимый фотон ведет себя по‑разному в соответствии с тем путем, который открыт где‑то в аппарате, чтобы пропустить что‑то, что, в конце концов, задержит видимый фотон. Что‑то перемещается по этим путям, и отказаться называть это «реальным» все равно, что играть в слова. «Возможное» не может взаимодействовать с реальным: несуществующие объекты не могут изменять траекторию движения существующих. Если фотон отклоняется от своей траектории, на него должно что‑то воздействовать, и это что‑то я назвал «теневым фотоном». Название еще не делает это реальным, но не может быть, чтобы действительное событие, как‑то: появление и обнаружение реального фотона, – было вызвано воображаемым событием, тем, что фотон «мог сделать», но не сделал. Причиной других событий может стать только то, что действительно происходит. Если сложное движение теневых фотонов в эксперименте с интерференцией было бы просто возможностью, которая на самом деле не имела места, то наблюдаемое нами явление интерференции в действительности не произошло бы.

Причину того, что эффект интерференции обычно столь слаб, и его сложно обнаружить, можно найти в законах квантовой механики, которые им управляют. Существенны два частных следствия этих законов. Первое: каждая дробноатомная частица имеет двойников в других вселенных, и только эти двойники ей мешают. Любые другие частицы этих вселенных не оказывают на нее непосредственного воздействия. Следовательно, интерференцию можно наблюдать лишь в особых случаях, когда траектории частицы и ее теневых двойников расходятся и затем вновь сходятся (так же, как фотон и теневой фотон стремятся к одной и той же точке на экране). Даже время должно быть синхронизировано: если на одной из двух траекторий возникнет задержка, интерференция ослабнет или прекратится. Второе: для того, чтобы обнаружить интерференцию между любыми двумя вселенными, необходимо, чтобы между всеми их частицами, положение и другие свойства которых не идентичны, произошло взаимодействие. На практике это означает, что можно обнаружить интерференцию только между двумя очень похожими вселенными. Например, во всех описанных мною экспериментах интерферирующие вселенные отличаются положением только одного фотона. Если фотон при движении воздействует на другие частицы, и, в частности, если мы видим его, то эти частицы или наблюдатель тоже станут различными в различных вселенных. Если это так, то последующую интерференцию, включающую этот фотон, на практике невозможно будет обнаружить, потому что требуемое взаимодействие между все ми частицами, которые подверглись влиянию, будет слишком сложно обеспечить. Здесь я должен упомянуть, что стандартная фраза, описывающая этот факт, а именно: «наблюдение разрушает интерференцию», – весьма обманчива по трем причинам. Во‑первых, она предполагает некоторое психокинетическое влияние сознательного «наблюдателя» на основные физические явления, хотя такого влияния не существует. Во‑вторых, интерференция не «разрушается»: ее просто (гораздо!) сложнее увидеть, потому что для этого необходимо управлять точным поведением гораздо большего количества частиц. И, в‑третьих, не только «наблюдение», но и любое воздействие фотона на его окружение, зависящее от выбранной им траектории, делает то же самое.

Ради читателей, которые могли видеть другие формы изложения квантовой физики, я должен кратко показать связь между аргументами, приведенными мной в этой главе, и обычным способом представления этого предмета. Возможно, из‑за споров, возникших среди физиков‑теоретиков, традиционно отправной точкой была сама квантовая теория. Сначала теорию формулируют как можно точнее, а затем пытаются понять, что она говорит нам о реальности. Это единственный возможный подход к пониманию мельчайших деталей квантовых явлений. Но в отношении вопроса о том, состоит ли реальность из одной вселенной или из многих, этот подход излишне сложен. Именно поэтому в данной главе я отошел от него. Я даже не сформулировал ни одного постулата квантовой теории, я просто описал некоторые физические явления и сделал неизбежные выводы. Но если начинать с теории, существуют две вещи, которые никто не будет оспаривать. Первая заключается в том, что квантовая теория не имеет равных себе в способности предсказывать результаты экспериментов даже при слепом использовании ее уравнений без особых размышлений об их значении. Вторая состоит в том, что квантовая теория рассказывает нам нечто новое и необычное о природе реальности. Спор заключается лишь в том, что именно. Физик Хью Эверетт первым ясно осознал (в 1957 году, через тридцать лет после того, как эта теория стала основой физики дробноатомных частиц), что квантовая теория описывает мультиверс. С тех самых пор бушевал спор о том, допускает ли эта теория какую‑то другую интерпретацию (повторную интерпретацию, или формулировку, или модификацию и т.д.), по которой она описывает единственную вселенную, но продолжает правильно предсказывать результаты экспериментов. Другими словами, действительно ли принятие предсказаний квантовой теории вынуждает нас принять существование параллельных вселенных?

Мне кажется, что этот вопрос, а следовательно, и преобладающая тональность спора относительно этой проблемы имеет ошибочное направление. Признаться, для физиков‑теоретиков, подобных мне, допустимо и оправданно прикладывать огромные усилия, чтобы достичь понимания формальной структуры квантовой теории, но не за счет того, чтобы потерять из вида нашу главную цель – понять реальность. Даже если предсказания квантовой теории можно было бы каким‑то образом получить, не ссылаясь на другие вселенные, отдельные фотоны все равно отбрасывали бы описанные мной тени. Даже ничего не зная о квантовой теории, можно увидеть, что эти тени не могут быть результатом какого‑то одного случая движения фотона от фонарика к глазу наблюдателя. Их нельзя совместить ни с одним объяснением только на основе тех фотонов, которые мы видим. Или только на основе перегородки, которую мы видим. Или только на основе видимой нами вселенной. Следовательно, если лучшая теория, имеющаяся в распоряжении физиков, не ссылалась бы на параллельные вселенные, это просто значило бы, что нам нужна теория лучше, теория, которая ссылалась бы на параллельные вселенные, чтобы объяснить то, что мы видим.

Таким образом, принятие предсказаний квантовой теории заставляет нас принять существование параллельных вселенных? Не само по себе. Любую теорию мы всегда можем истолковать в соответствии с принципами инструменталистов так, что она не заставит нас принимать что‑либо относительно реальности. Но это отступление. Как я уже сказал, чтобы узнать, что параллельные вселенные существуют, нам не нужны глубокие теории: об этом нам говорят явления интерференции одной частицы. Глубокие теории нужны нам, чтобы объяснить и предсказать такие явления – рассказать: каковы другие вселенные, каким законам они подчиняются, как влияют друг на друга и как все это укладывается в теоретические основы других предметов. Именно это и делает квантовая теория. Квантовая теория параллельных вселенных – это не задача, это решение. Это толкование нельзя назвать ненадежным и необязательным, исходящим из скрытых теоретических соображений. Это объяснение – единственно надежное объяснение – замечательной и противоречащей интуиции реальности.

Пока я использовал временную терминологию, предполагающую, что одна из множества параллельных вселенных отличается от других тем, что она «реальна». Пришло время разорвать последнюю связь с классическим понятием реальности, основанном на существовании одной вселенной. Вернемся к нашей лягушке. Мы поняли, что история лягушки, которая смотрит на далекий от нее фонарик в течение многих дней, ожидая вспышку, которая появляется в среднем раз в день, – еще не вся история, потому что должны также существовать теневые лягушки в теневых вселенных, сосуществующие с реальной лягушкой и тоже ждущие появления фотонов. Допустим, что нашу лягушку научили подпрыгивать при появлении вспышки. В начале эксперимента у реальной лягушки будет множество теневых двойников, и изначально все они будут похожи. Но уже через короткий промежуток времени они не будут так похожи. Невозможно, чтобы каждая лягушка увидела фотон мгновенно. Но событие, редкое в одной вселенной, является обычным в мультиверсе. В любой момент где‑то в мультиверсе существует несколько вселенных, в каждой из которых в определенный момент фотон воздействует на сетчатку глаза лягушки, находящейся в этой вселенной. И эта лягушка подпрыгивает.

Почему же она подпрыгивает? Потому что в пределах своей вселенной она подчиняется тем же законам физики, что и реальная лягушка: на ее теневую сетчатку попал теневой фотон, принадлежащий этой вселенной. Одна из светочувствительных теневых молекул этой теневой сетчатки отреагировала появлением сложных химических изменений, на что, в свою очередь, отреагировал зрительный нерв теневой лягушки. В результате этого процесса в мозг теневой лягушки поступило сообщение, и у лягушки появилось ощущение, что она видит вспышку.

Или мне следует сказать «теневое ощущение того, что она видит вспышку»? Конечно, нет. Если «теневые» наблюдатели, будь то лягушки или люди, реальны, то все их ощущения тоже должны быть реальными. Когда они наблюдают то, что мы можем назвать теневым объектом, для них этот объект реален. Они наблюдают его при помощи тех же средств и в соответствии с тем же определением, что и мы, когда говорим, что вселенная, которую мы наблюдаем, «реальна». Понятие реальности относительно для данного наблюдателя. Поэтому объективно не существует ни двух видов фотонов, реального и теневого, ни двух видов лягушек, ни двух видов вселенных, одна из которых – реальная, а все остальные – теневые. В описании, которое я привел относительно образования теней или каких‑то схожих явлений, не существует ничего, что разграничивает области «реальных» и «теневых» объектов, кроме простого допущения, что одна из копий «реальна». Говоря о реальных и теневых фотонах, я, очевидно, разделил их потому, что мы видим первые, но не вторые. Но кто «мы»? Пока я писал все это, множество теневых Дэвидов писали то же самое. Они тоже подразделяли фотоны на реальные и теневые; но среди фотонов, которые они называли теневыми, есть фотоны, которые я назвал «реальными», а те фотоны, которые они называли реальными, оказались среди тех, которые я назвал «теневыми».

Ни одна копия объекта не занимает привилегированного положения ни при объяснении теней, которое я только что изложил, ни во всем математическом объяснении квантовой теории. Субъективно я могу считать, что выделяюсь среди копий, поскольку я – «реальный», поскольку я могу непосредственно воспринимать себя, а не других, но я должен смириться с тем, что все остальные копии чувствуют то же самое.

Многие из этих Дэвидов пишут эти же самые слова в это мгновение. У некоторых это получается лучше. А некоторые пошли выпить чашку чая.

ТЕРМИНОЛОГИЯ

Фотон – световая частица.

Реальный/Теневой – в целях объяснения только в этой главе, я назвал частицы этой вселенной реальными, а частицы других вселенных – теневыми.

Мультиверс – вся физическая реальность. В ней находится много параллельных вселенных.

Параллельные вселенные – они «параллельны» в том смысле, что в пределах каждой вселенной частицы взаимодействуют друг с Другом так же, как и в реальной вселенной, но каждая вселенная оказывает на остальные весьма слабое влияние через явление интерференции.

Квантовая теория – теория физики мультиверса.

Квантование – свойство иметь дискретный (а не непрерывный) набор возможных значений. Квантовая теория получила название от допущения, что все измеряемые величины квантуются. Однако наиболее важным эффектом является не квантование, а интерференция.

Интерференция – влияние; оказываемое частицей одной вселенной на своего двойника из другой вселенной. Интерференция фотона может стать причиной появления теней более сложной формы, чем просто силуэты препятствий, вызывающих их появление.

РЕЗЮМЕ

При экспериментах с интерференцией на картине тени могут присутствовать такие участки, которые перестают освещаться при появлении в перегородке новых щелей. Это остается неизменным, даже если эксперимент проводят с отдельными частицами. Цепочка рассуждений, основанных на этом факте, исключает возможность того, что вселенная, окружающая нас, – это вся реальность. В действительности, вся физическая реальность, мультиверс, содержит огромное количество параллельных вселенных.

Квантовая физика – одна из четырех основных нитей объяснения. Следующая основная нить – это эпистемология, теория познания.

Date: 2015-09-05; view: 280; Нарушение авторских прав