Брайан Грин - Ткань космоса: Пространство, время и текстура реальности

• Название: Ткань космоса: Пространство, время и текстура реальности
• Автор: Брайан Грин
• Издательство: Книжный дом «ЛИБРОКОМ»
• Жанр: Физика
• Год: 2009
• ISBN: 978-5-397-00001-7

Брайан Грин — один из ведущих физиков современности, автор «Элегантной Вселенной» — приглашает нас в очередное удивительное путешествие вглубь мироздания, которое поможет нам взглянуть в совершенно ином ракурсе на окружающую нас действительность.

В книге рассматриваются фундаментальные вопросы, касающиеся классической физики, квантовой механики и космологии. Что есть пространство? Почему время имеет направление? Возможно ли путешествие в прошлое? Какую роль играют симметрия и энтропия в эволюции космоса? Что скрывается за тёмной материей? Может ли Вселенная существовать без пространства и времени?

Грин детально рассматривает картину мира Ньютона, идеи Маха, теорию относительности Эйнштейна и анализирует её противоречия с квантовой механикой. В книге обсуждаются проблемы декогеренции и телепортации в квантовой механике. Анализируются многие моменты инфляционной модели Вселенной, первые доли секунды после Большого взрыва, проблема горизонта, образование галактик. Большое внимание уделено новому современному подходу к объяснению картины мира с помощью теории струн/М-теории.

Грин показывает, что наш мир сильно отличается от того, к чему нас приучил здравый смысл. Автор увлекает всех нас, невзирая на уровень образования и научной подготовки, в познавательное путешествие к новым пластам реальности, которые современная физика вскрывает под слоем привычного нам мира.

---

Это объяснение могло бы сделать квантовый ластик немного менее удивительным, но тут имеется финал — ошеломляющий вариант эксперимента с квантовым ластиком, который ещё более сотрясает привычные представления о пространстве и времени.

Формируя прошлое[135]

Этот эксперимент, квантовый ластик с отложенным выбором, также был предложен Скалли и Дрюлем. Он начинается с эксперимента со светоделителем, показанным на рис. 7.1, изменённым путём введения двух так называемых даун-конверторов[136], по одному на каждый путь. Даун-конвертор — это прибор, который получает один фотон на входе и производит два фотона на выходе, каждый с половиной энергии («даун-преобразование») от исходного. Один из двух фотонов (так называемый сигнальный фотон) направляется вдоль пути, по которому к детекторному экрану следовал исходный фотон. Другой фотон, произведённый даун-конвертором (именуемый холостым фотоном), посылается в совершенно другом направлении, как показано на рис. 7.5а. В каждом эксперименте мы можем определить, какой путь к экрану выбрал сигнальный фотон, путём наблюдения, который из даун-конверторов испустил холостой фотон-партнёр. И снова возможность получить информацию о выборе пути сигнального фотона — даже хотя она является полностью косвенной, поскольку мы не взаимодействуем ни с одним сигнальным фотоном, — вызывает предотвращение возникновения интерференционной картины.

Рис. 7.5. (а) Эксперимент со светоделителем луча, дополненный даун-конверторами, не даёт интерференционной картины, поскольку холостые фотоны сообщают информацию выбора пути. (б) Если холостые фотоны не детектируются непосредственно, а вместо этого посылаются через изображённый лабиринт, тогда из результатов эксперимента может быть выделена интерференционная картина. Холостые фотоны, которые регистрируются детекторами 2 или 3, не дают информации о выборе пути и, следовательно, их сигнальные фотоны дают интерференционную картину

Приступим к самой таинственной части. Что если мы преобразуем эксперимент так, чтобы стало невозможно определить, из какого даун-конвертора был испущен холостой фотон? Что если мы сотрём информацию о выборе пути, заключённую в холостом фотоне? Произойдёт нечто поразительное: хотя мы ничего не делаем непосредственно с сигнальным фотоном, путём уничтожения информации о выборе пути, переносимой его холостым партнёром, мы можем восстановить интерференционную картину из сигнальных фотонов. Позвольте мне показать вам, как это происходит, поскольку это действительно примечательно.

Взгляните на рис. 7.5б, в который включены все существенные идеи. Но не пугайтесь. Он проще, чем кажется, и теперь мы разберём его поэтапно. Установка, изображённая на рис. 7.5б, отличается от установки на рис. 7.5а принципом детектирования холостых фотонов после их испускания. На рис. 7.5а мы детектировали их непосредственно и могли немедленно определить, из какого даун-конвертора вылетел каждый, и значит определить, какой путь выбрал сигнальный фотон. В новом эксперименте каждый холостой фотон посылается через лабиринт, который делает невозможным такое определение. Представим, что холостой фотон выпущен из даун-конвертора, отмеченного «L». Вместо того чтобы немедленно попасть в детектор (как на рис. 7.5а), этот фотон попадает на светоделитель (отмеченный «a»), так что имеется одинаковая вероятность пойти по пути A или B. Если он пойдёт вдоль пути A, он попадёт в детектор фотонов (отмеченный «1»), и его прибытие будет зарегистрировано. Но если холостой фотон пойдёт вдоль пути B, то будет подвержен следующим манипуляциям. Он будет направлен на другой светоделитель (отмеченный «c»), так что будет иметь 50%-ю вероятность быть направленным вдоль пути E к детектору, отмеченному «2», и 50%-ю вероятность пойти вдоль пути F к детектору, отмеченному «3». Теперь — следите за мной, так как здесь вся суть, — те же самые рассуждения, применённые к холостому фотону, эмитированному из другого даун-конвертора, отмеченного «R», говорят, что если вспомогательный фотон пойдёт по пути D, он будет записан детектором «4», но если он пойдёт по пути C, то будет обнаружен или детектором «3», или детектором «2», в зависимости от пути, по которому он следовал после прохождения через светоделитель «c».

Разберёмся, для чего нужны все эти усложнения. Заметьте, что если холостой фотон обнаружен детектором 1, мы знаем, что соответствующий сигнальный фотон выбрал левый путь[137], поскольку для холостого фотона, который был эмитирован из даун-конвертора R, нет способа найти путь к этому детектору. Аналогично, если холостой фотон обнаружен детектором 4, мы знаем, что его сигнальный фотон-партнёр выбрал правый путь. Но если холостой фотон попал в детектор 2, мы не можем определить, какой путь выбрал его сигнальный фотон-партнёр, поскольку имеются равные шансы, что он эмитирован даун-конвертором L и следует пути B–E или что он эмитирован даун-конвертором R и следует пути C–E. Аналогично, если вспомогательный фотон обнаружен детектором 3, он может быть эмитирован даун-конвертором L и путешествовать по пути B–F или даун-конвертором R и путешествовать по пути C–F.

Итак, для сигнальных фотонов, холостые партнёры которых обнаружены детектором 1 или 4, мы имеем информацию о выбранном пути, но для сигнальных фотонов, холостые партнёры которых обнаружены детектором 2 или 3, информация о выборе пути стёрта.

Означает ли это стирание части информации о выборе пути — хотя мы ничего не делаем с сигнальными фотонами непосредственно — что интерференционные эффекты восстанавливаются? Это действительно так, но только для тех сигнальных фотонов, чьи холостые партнёры попали в детектор 2 или детектор 3. Именно, места попадания всех сигнальных фотонов на экран будут давать картинку, похожую на данные для рис. 7.5а, не показывающего даже самого слабого намёка на интерференционную картину, что характерно для фотонов, которые идут либо одним, либо другим путём. Но если мы рассмотрим лишь подмножество результирующих точек — например, от тех сигнальных фотонов, для которых холостые фотоны попали в детектор 2, — то это подмножество точек будет давать интерференционную картину! Эти сигнальные фотоны — холостые партнёры которых, по случайности, не дали информации о выборе пути — ведут себя, как будто они путешествовали обоими путями! Если мы настроим оборудование так, что экран будет показывать красную точку для положения каждого сигнального фотона, холостой фотон которого был обнаружен детектором 2, и зелёную точку для всех остальных, то те, у кого нарушено восприятие цвета, не будут видеть интерференционную картину, но все остальные будут видеть, что красные точки упорядочены в яркие и тёмные полосы — в интерференционную картину. То же самое останется верно и для детектора 3 вместо детектора 2. Но такой интерференционной картины не будет, если мы выделим сигнальные фотоны, холостые фотоны которых обнаружены детектором 1 или детектором 4, поскольку эти холостые фотоны дают информацию о выбранном пути своих сигнальных партнёров.

Эти результаты, которые подтверждены экспериментом,{138} поражают: из-за включения даун-конверторов, которые потенциально могут обеспечить информацию выбора пути, мы теряем интерференционную картину, как на рис. 7.5а. А без интерференции мы, естественно, заключали, что каждый фотон проходил или вдоль правого пути, или вдоль левого. Но теперь мы узнали, что это заключение было поспешным. Путём аккуратного удаления потенциальной информации о выборе пути, переносимой некоторыми из холостых фотонов, мы можем уговорить данные отдать интерференционную картину, и это свидетельствует, что некоторые фотоны на самом деле двигаются обоими путями.

Отметим также самый яркий результат: три дополнительных светоделителя и четыре детектора холостых фотонов могут располагаться на другой стороне лаборатории или даже на другой стороне Вселенной, поскольку ничто в нашем обсуждении не зависело от того, получается ли данный холостой фотон до или после того, как его сигнальный партнёр попадёт на экран. Представим, что все эти приборы удалены на большое расстояние, для определённости — на десять световых лет, и подумаем, к чему это приведёт. Вы сегодня проводите эксперимент на рис. 7.5б, записывая — одно за другим — места падения гигантского числа сигнальных фотонов, и не наблюдаете признаков интерференции. Если кто-нибудь попросит вас объяснить результаты, может возникнуть соблазн сказать, что из-за наличия холостых фотонов имеет место информация о выборе пути, и значит каждый сигнальный фотон определённо шёл или вдоль левого, или вдоль правого пути, исключая любую возможность интерференции. Но, как видно выше, это будет опрометчивое заключение о происходящем; это будет совершенно непродуманное описание прошлого.