Брайан Грин - Брайан Грин. Ткань космоса: Пространство, время и структура реальности

• Название: Брайан Грин. Ткань космоса: Пространство, время и структура реальности
• Автор: Брайан Грин
• Жанр: Физика
• Год: 2004

Вторая книга американского физика Брайана Р. Грина "Ткань космоса..." доставляет интеллектуальное наслаждение и производит сильнейшее впечатление, которыми и хочу поделиться с народом. Тем, кто читал первую книгу Грина "Элегантная вселенная..." (изданную в России в 2004 и 2005), предисловия не нужны. "Ткань космоса" не уступает "Элегантной вселенной" ни в широте охвата и глубине материала, ни в детальном понимании автором обсуждаемых тем, ни в таланте автора объяснять сложнейшие вещи "на пальцах", ни в легкости языка. Главная тема книги – борьба науки за понимание пространства и времени. Книга дает текущую картину того, чем занята современная физика, с самой линии фронта и от непосредственного участника боев. Не требует специальной подготовки – только немножко внимания и воображения. Приятных впечатлений.

---

Представим, что я хочу телепортировать ДеЛорен из Нью-Йорка в Лондон. Вместо того, чтобы обеспечить Николаса и меня, каждого одним участником запутанной пары фотонов (что нам было нужно для телепортации отдельного фотона), каждый из нас должен иметь камеру с частицами, содержащую достаточно фотонов, нейтронов, электронов и так далее, чтобы построить ДеЛорен, причем все частицы в моей камере должны быть квантово запутаны со всеми ими в камере Николаса (см. Рис. 15.1). Мне также нужен прибор, который измеряет совместные свойства всех частиц, составляющих мой ДеЛорен, с теми частицами, которые собраны в моей камере (аналог измерения совместных свойств Фотонов А и В). Через запутывание частиц в моей камере влияние совместных измерений, которые я провожу в Нью-Йорке, будет отпечатано на частицах камеры Николаса в Лондоне (аналоге состояния Фотона С, отражающего совместное измерение А и В). Если я звоню Николасу и сообщаю результаты моих измерений (это будет дорогостоящий звонок, так как я передам Николасу около 1030 результатов), эти данные будут инструктировать его о том, как манипулировать частицами в его камере (почти как мой более ранний телефонный звонок проинструктировал его, как манипулировать Фотоном С). Когда он закончит, каждая частица в его камере будет в точности в том квантовом состоянии, как и каждая соответствующая частица в ДеЛорене (до того, как он подвергся любым измерениям), так что, как и в нашем предыдущем обсуждении, Николас теперь будет иметь ДеЛорен.* Его телепортация из Нью-Йорка в Лондон будет завершена.

(*) "Для коллектива частиц – в отличие от индивидуальной частицы – квантовое состояние также кодирует взаимоотношения каждой частицы в коллективе с каждой другой. Так что для точно воспроизведенного квантового состояния частиц, составляющих ДеЛорен, мы подразумеваем, что все они находятся в том же отношении к каждой другой, как и в оригинале; единственное отличие, которое они проявляют, это что их общее положение будет сдвинуто из Нью-Йорка в Лондон."

Рис 15.1 Фантастический подход к телепортации воображает наличие двух удаленных друг от друга камер с квантово запутанными частицами и предполагает проведение подходящих совместных измерений частиц, составляющих объект, который должен быть телепортирован, с частицами в одной из камер. Результат этого измерения должен затем обеспечить необходимую информацию, чтобы произвести действия с частицами во второй камере для воспроизведения объекта и завершения телепортации.

Заметим, однако, что на сегодняшний день каждый этап в этой макроскопической версии квантовой телепортации фантастичен. Объект, подобный ДеЛорену, имеет в избытке миллиарды миллиардов миллиардов частиц. Хотя экспериментаторы развлекаются с оборудованием, запутывающим более одной пары частиц, они экстремально далеки от достижения количества, соответствующего макроскопическим сущностям.[6] Установка двух камер запутанных частиц, таким образом, находится до смешного далеко за пределами сегодняшней досягаемости. Более того, совместное измерение двух фотонов было само по себе тяжелым и впечатляющим подвигом. Распространение его на совместное измерение миллиардов и миллиардов частиц является на сегодняшний день невообразимым.

С нашей сегодняшней точки зрения, непредвзятая оценка должна привести к заключению, что телепортация макроскопического объекта, по крайней мере способом, на сегодняшний день примененным для отдельной частицы, удалена от нас на эпохи – если не на вечность.

Но, поскольку единственной неизменной вещью в науке и технологии является превосходство голосов "против" от массы предсказателей над голосами "за" энтузиастов, я просто отмечу очевидное: телепортация макроскопических тел выглядит маловероятно. Хотя, кто знает? Сорок лет назад компьютер Энтерпрайза тоже выглядел достаточно маловероятным.[7]

Загадки путешествия во времени

Не отрицается, что жизнь была бы другой, если телепортация макроскопических объектов была бы столь же легкой, как вызов FedEx (крупнейшего мирового перевозчика разнообразных грузов) или запрыгивание в вагон метро. Несбыточные или невозможные путешествия стали бы достижимыми, а концепция путешествия через пространство была бы революционизирована до такой степени, при которой скачок в удобстве и практичности ознаменовал бы фундаментальный сдвиг в мировоззрении.

Даже при этих условиях влияние телепортации на наше восприятие вселенной бледнеет в сравнении с потрясением, которое могло бы быть произведено достижением путешествий через время по желанию. Каждый знает, что при достаточном усилии и желании мы можем, по крайней мере, в принципе, переместиться отсюда туда. Хотя имеются технологические ограничения на наши путешествия через пространство, внутри них границы наших путешествий регулируется нашим выбором и прихотью. Но перемещаться от сейчас в тогда? Наши ощущения подавляюще свидетельствуют, что это возможно, по большей части, одним путем: мы должны дожидаться этого – секунда должна следовать за секундой, когда тик за тиком "сейчас" методично движется к "тогда". И это предполагает, что "тогда" это позже, чем "сейчас". Если "тогда" предшествует "сейчас", ощущения диктуют, что такого пути нет совсем; путешествие в прошлое кажется невозможной альтернативой. В отличие от путешествий через пространство, путешествия через время кажутся чем угодно, кроме вопроса выбора и прихоти. Когда речь идет о времени, нас тащит вдоль одного направления, нравится нам это или нет.

Если бы мы были в состоянии плавать во времени так же легко, как мы плаваем в пространстве, наше мировоззрение не только изменилось бы, оно подверглось бы самому драматическому сдвигу в истории нашего вида. В свете такого несомненного потрясения, я часто поражался тому, как несколько людей осознали, что теоретические основы для одного вида путешествий во времени – путешествия во времени в будущее – имели место с ранних годов последнего столетия.

Когда Эйнштейн открыл природу пространства-времени СТО, он оформил программу для быстрого продвижения в будущее. Если вы хотите увидеть, что случится с планетой Земля через 1 000 или 10 000 или 10 миллионов лет в будущем, законы эйнштейновской физики говорят вам, как этого достичь. Вы строите транспортное средство, чья скорость может достичь, скажем 99,9999999996 процента от скорости света. На полной мощности вы направляетесь наружу в глубокое пространство на день, или десять дней, или на немногим более двадцати семи лет в соответствии с часами на вашем корабле, затем резко поворачиваете назад и направляетесь к Земле, опять на полной мощности. К вашему возвращению по земному времени истечет 1 000, или 10 000, или 10 миллионов лет. Это является необсуждаемым и экспериментально проверенным предсказанием СТО; это пример замедления времени при повышении скорости, описанный в Главе 3.[8] Конечно, поскольку корабли с такой скоростью находятся за пределами того, что мы можем построить, никто не проверил это предсказание буквально. Но, как мы обсуждали ранее, исследователи подтвердили предсказанное замедление времени на коммерческом авиалайнере, путешествующем с малой долей скорости света, точно так же, как на элементарных частицах вроде мюонов, носящихся через ускорители с очень близкой к световой скоростью (стационарный мюон рападается на другие частицы примерно в течение двух миллионных долей секунды, но чем быстрее он движется, тем медленее тикают его внутренние часы, и тем дольше мюон остается целым). Имеются все основания быть уверенным и нет никаких оснований не верить, что СТО точна и ее стратегия достижения будущего будет работать, как предсказано. Технология, а не физика, удерживает каждого из нас привязанным к этой эпохе.*

(*)"Хрупкость человеческого тела является другим практическим ограничением: ускорение, требуемое для достижения таких высоких скоростей в разумный промежуток времени находится далеко за пределами того, что тело может выдержать. Отметим также, что замедление времени дает, в принципе, стратегию, для достижения удаленных мест в пространстве. Если ракета покидает Землю и направляется к галактике Андромеды, двигаясь со скоростью в 99,999999999999999999 процентов от скорости света, нам придется ждать около 6 миллионов лет до ее возвращения. Но при такой скорости время на ракете замедлится относительно земного времени столь драматично, что при возвращении астронавт будет старше только на восемь часов (оставляя в стороне тот факт, что он или она не сможет пережить ускорения, чтобы достичь такой скорости, развернуться и, наконец, остановиться)."

Более тяжелая проблема, однако, возникает, когда мы думаем о другом виде путешествия во времени, путешествии в прошлое. Нет сомнений, вы знакомы с некоторыми из них. Например, имеется стандартный сценарий, в котором вы отправляетесь в прошлое и предотвращаете ваше собственное рождение. Во многих фантастических описаниях это достигается с применением насилия; однако любое менее радикальное, но столь же эффективное воздействие – такое как предотвращение встречи ваших родителей – может быть проделано так же легко. Парадокс ясен: если вы никогда не рождались, как вы могли появиться и, в особенности, как вы могли отправиться в прошлое и предотвратить встречу ваших родителей? Для путешествия в прошлое и удержания ваших родителей в отдалении друг от друга вы должны были родиться; но если вы родились, отправились в прошлое и удержали ваших родителей в отдалении, вы не смогли бы родиться. Мы неосторожно попали в логический тупик.