Готовый перевод STEPHEN HAWKING "The Grand Design" (2010) / Стивен ХОКИНГ "Великий замысел": 4. ALTERNATIVE HISTORIES / 4. АЛЬТЕРНАТИВНЫЕ ИСТОРИИ

АЛЬТЕРНАТИВНЫЕ ИСТОРИИ

В 1999 г. КОМАНДА ФИЗИКОВ в Австрии запустила в направлении экрана пучок молекул шарообразной формы, похожей на футбольный мяч.

Эти молекулы, каждая из которых состоит из 60 атомов углерода, иногда называют бакиболами (фуллеренами), потому что архитектор Бакминстер Фуллер строил сооружения подобной формы.

Геодезические купола Фуллера были, вероятно, самыми большими существующими объектами в форме футбольного мяча.

А бакиболы - самыми маленькими.

Экран, в направлении которого прицелились учёные, фактически имел лишь две прорези, сквозь которые бакиболы и могли пролететь.

За стеной физики расположили аналогичный экран для обнаружения и подсчёта появляющихся молекул.

Задайся мы целью поставить аналогичный эксперимент, используя настоящие футбольные мячи, нам бы понадобился игрок с несколько "сбитым прицелом", но способный выполнять удары по мячу ритмично, с заданной скоростью.

Мы бы поставили этого игрока перед стенкой, в которой есть два отверстия.

С обратной стороны стены, параллельно ей, мы бы разместили больших размеров сетку.

Большинство ударов нашего игрока попало бы в стенку и отскочило, но некоторые прошли бы сквозь первое отверстие или сквозь второе и попали бы в сетку.

Если диаметр отверстия в стене был лишь немного больше мяча, два очень узких параллельных потока появились бы на другой её стороне.

Если же отверстия были бы чуть шире, то каждый поток расходился бы небольшим веером, как показано на рисунке ниже.

Заметим, что если мы закроем одно из отверстий соответствующий поток мячей сквозь него больше не пройдёт, но на другой поток это никакого эффекта не окажет.

Если мы снова откроем второе отверстие, то это только увеличит количество мячей, попадающих в любую точку на другой стороне, так мы получим все мячи, пролетающие сквозь отверстие, остававшееся открытым, плюс мячи, проходящие через вновь открытое отверстие.

Другими словами, то, что мы наблюдаем, когда оба отверстия открыты, является суммой того, что мы наблюдаем с каждым отверстием в стене, открытым по отдельности.

Это - реальность, к которой мы привыкли в повседневной жизни.

Но это не то, что обнаружили австрийские исследователи, когда они запустили свои молекулы.

В австрийском эксперименте, открывание второго отверстия действительно увеличивало число молекул, достигших экрана в одних точках, но сокращало их число в других, как показано на рисунке ниже.

Фактически, были участки, на которые бакиболы не попадали, когда оба отверстия были открыты одновременно, и попадали, когда было открыто только одно или другое отверстие.

Это кажется очень странным.

Как может открытие второго отверстия служить причиной того, что каких-то точек достигло меньшее число молекул?

Мы можем получить ключ к разгадке, исследовав детали.

В эксперименте много молекул-футбольных мячей попадали в зону, расположенную на полпути от того места, где это ожидалось, если бы мячи проходили сквозь первое или второе отверстие.

Чуть дальше от центральной позиции попадало очень мало молекул, но ещё немного подальше они снова наблюдались.

Эта структура не является суммой структур, сформированных когда каждое отверстие было открыто отдельно, но вы можете увидеть в ней характерную картину интерферирующих волн из раздела 3.

Участки, которых не достигали молекулы, соответствуют областям, в которых волны, выпущенные из двух отверстий, находились в противофазе и создавали гасящую интерференцию, а те участки, где наблюдалось много молекул, соответствуют областям, где волны оказывались в одной фазе и создавали усиливающую интерференцию.

В течение двух тысячелетий научной мысли обыденный опыт и интуиция были основой для теоретического обоснования.

Совершенствуя наши технологии и расширяя круг явлений, которые мы можем наблюдать, мы стали обнаруживать, что природа ведет себя таким образом, который все меньше и меньше согласуется с нашим каждодневным опытом и противоречит нашей интуиции, о чем свидетельствует эксперимент с фуллеренами.

Этот эксперимент является типичным из ряда феноменов, которые нельзя объяснить с помощью классической науки, но можно описать на основе того, что называется квантовой физикой.

Как писал Ричард Фейнман, эксперимент с двумя отверстиями, описанный выше, "содержит всю тайну квантовой механики"

Принципы квантовой физики были разработаны в первые десятилетия двадцатого века после того, как ньютоновская теория оказалась недостаточно адекватной для описания природы на атомном или субатомном уровне.

Фундаментальные физические теории описывают силы природы, и как объекты реагируют на них.

Классические теории (например, теория Ньютона) построены на основе отражения каждодневного опыта, в котором материальные объекты уникальны, они могут находиться в определенных местах, перемещаться по определенным траекториям и т.д.

Квантовая физика помогает понять, как законы природы работают на атомных и субатомных уровнях, но как мы увидим позже более детально, она предлагает совершенно другую концептуальную схему, при которой положение объекта, его траектория и даже его прошлое и будущее точно не определено.

Квантовые теории сил, таких как гравитационные или электромагнитные, построены на основе этих положений.

Могут ли теории, построенные на основах, чуждых повседневному опыту, так же объяснять события обыденного опыта, которые были смоделированы с такой точностью в классической физике?

Могут, поскольку мы и окружающая нас среда являются составными структурами, сделанными из невообразимо большого числа атомов, большего количества атомов, чем существует звезд в видимой части Вселенной.

И хотя составляющие атомы подчиняются принципам квантовой физики, можно продемонстрировать, что большие скопления, формирующие футбольные мячи, репу и реактивные самолеты -- и нас -- действительно будут ухитряться избегать дифрагирования через щели в стене.

Поэтому, хотя компоненты повседневных объектов повинуются квантовой физике, законы Ньютона создают эффективную теорию, которая очень точно описывает, как ведут себя составные структуры, образующие наш повседневный мир.

Это могло бы звучать странно, но в науке есть множество примеров, в которых большое скопление, кажется, ведет себя в некоторой степени отлично от поведения его отдельных компонентов.

Реакция одного нейрона едва ли предскажет реакцию человеческого мозга, равно как и знание о молекуле воды не много говорит вам о поведении озера.

В случае квантовой физики, ученые все еще работают, чтобы выяснить детали того, как законы Ньютона вытекают из квантовой сферы.

Нам точно известно, что составные части всех объектов подчиняются законам квантовой физики, и законы Ньютона хорошо описывают модель поведения макроскопических объектов, которые состоят из этих квантовых частиц.

Но положения ньютоновской теории соответствуют видению реальности, которое мы все развиваем, по мере того, как познаём мир вокруг нас.

Но отдельные атомы и молекулы взаимодействуют совсем по-другому, чем принято в нашей повседневной жизни.

Квантовая физика - новая модель реальности, дающая нам картину Вселенной.

Это картина, в которой многие основополагающие понятия в нашем интуитивном восприятии реальности больше не имеют смысла.

Эксперимент с двойной щелью, который был проведен в 1927 году Клинтоном Дависсоном и Лестером Жермером, физиками-экспериментаторами из лаборатории Бэлла, которые изучали, как пучок электронов - объекты много проще чем бакиболы - взаимодействует с кристаллом, сделанным из никеля.

Тот факт, что материальные частицы, такие как электроны, ведут себя подобно водяным волнам, был одним из тех восхитительных экспериментов, которые вдохнули жизнь в квантовую физику.

Поскольку такое поведение на макроскопическом уровне не наблюдается, учёные долгое время задавались вопросом - насколько большим и сложным должен быть объект, чтобы сохранять способность демонстрировать волновые свойства.

Если бы подобный эффект можно было продемонстрировать с участием людей или гиппопотамов, это, безусловно, вызвало бы ажиотаж, однако, как уже было сказано, чем больше размер объекта, тем менее заметны квантовые эффекты.

Поэтому маловероятно, что какие-либо животные в зоопарке просочатся, подобно воде, сквозь прутья своих клеток.

Тем не менее, физики-экспериментаторы наблюдают волновые явления у частиц всё больших размеров.

Учёные надеются повторить когда-нибудь эксперимент с фуллеренами, используя вместо них вирус, который не только значительно превосходит их размерами, но также рассматривается некоторыми как живое существо.

Знание лишь некоторых аспектов квантовой физики требуется для того, чтобы понять аргументы, представленные в следующих главах.

Одно из ключевых положений - корпускулярно-волновой дуализм.

Материальные частицы, ведущие себя подобно волне, удивят любого.

То, что свет ведёт себя подобно волне, уже давно никого не удивляет.

Волновое поведение света представляется нам естественным и уже около двухсот лет считается достоверным и признанным фактом.

Если вы направите луч света на две щели, как в вышеописанном эксперименте, две волны появятся и пересекутся на экране.

В каких-то точках их гребни будут совпадать, формируя яркое пятно, в других - гребни одной волны будут совпадать с долинами другой, нейтрализуя их и оставляя тёмную область.

Английский физик Томас Янг проводил такой эксперимент в начале девятнадцатого века, стараясь убедить людей, что свет есть волна, а не состоит из частиц, как полагал Ньютон.

Хотя кто-то мог бы подумать, что Ньютон ошибался, утверждая, что свет не является волной, но он был прав, когда говорил, что свет ведет себя так, как если бы он состоял из частиц.

Сейчас мы называем их фотонами.

Так же как мы состоим из большого числа атомов, свет, который мы видим в повседневной жизни, является сложным, в том смысле, что состоит из громадного числа фотонов - даже 1-ваттный ночник испускает миллиарды миллиардов фотонов каждую секунду.

Единичные фотоны обычно не наблюдаются, но в лаборатории мы можем сформировать луч света настолько слабый, что он, по сути, состоит из потока единичных фотонов, которые мы можем обнаружить как отдельные элементы, так же как обнаруживаем единичные электроны или фуллерены.

И мы можем повторить эксперимент Янга, используя луч света достаточно низкой плотности, чтобы обеспечить фотонам возможность достигать преграды по одному за раз, с интервалом в несколько секунд.

Поступив подобным образом и суммировав затем все индивидуальные отметки, зафиксированные на экране с обратной стороны преграды, мы обнаружим, что имела место интерференция по тому же образцу, как если бы мы выполняли эксперимент Дэвиссона-Гермера, но направляли бы на экран электроны (или фуллерены) по одному за раз.

Для физиков этом было поразительным открытием: если отдельные частицы интерферируют между собой, тогда волновая природа света является свойством не просто луча или большого количества фотонов, но и отдельных частиц.

Другим основным принципом квантовой физики является принцип неопределенности, сформулированный Вернером Гейзенбергом в 1926 году.

Принцип неопределенности гласит, что невозможно одновременно измерить положение и скорость частицы.

Согласно принципу неопределенности, например, если вы умножите неопределенность положения частицы на неопределенность ее импульса (масса, умноженная на его скорость) результат никогда не может быть меньше, чем определенное фиксированное значение, названное постоянной Планка.

Это похоже на скороговорку, но суть её может быть выражена очень просто: чем точнее вы измеряете скорость, тем менее точно вы сможете измерить положение и наоборот.

В случае, если вы сократили вдвое неопределённость в положении, вам следует удвоить неопределённость в скорости.

Так же очень важно заметить, что в сравнении с привычными единицами измерения такими как метры, килограммы или секунды постоянная Планка очень мала.

В сущности, если описывать её этими единицами она имеет значение около
6/10.000.000.000.000.000.000.000.000.000.000.000.

В результате, если известно положение макроскопического объекта, скажем, футбольного мяча, массой в 1/3 килограмма, то в пределах 1 миллиметра в любом направлении мы так же сможем измерить и скорость, с точностью большей чем до миллиардной миллиардной миллиардной километра в час.

Всё потому, что будучи измеряемым в этих единицах футбольный мяч имеет массу в 1/3, а неопределённость в положении в 1/1000.

Ни того, ни другого не хватает, чтобы покрыть все те нули в постоянной Планка, так что эта роль падает на неопределённость в скорости.

Но в тех же единицах измерения электрон имеет массу в 0,0000000000000000000000000001, так что для электронов всё обстоит по-другому.

Если мы измерим положение электрона с точностью, примерно соответствующей размерам атома, то согласно принципу неопределённости, мы не сможем узнать скорость электрона точнее, чем плюс-минус 1000 километров в секунду, что, конечно, совсем не точно.

Основываясь на квантовой физике, вне зависимости от того сколько информации у нас уже имеется или насколько велики наши вычислительные возможности, результаты физических взаимодействий не могут быть предсказаны со всей определённостью, потому что определённость не входит в их описание.

Напротив, учитывая начальное состояние системы, природа определяет его будущее состояние с помощью процедуры, которая в принципе является неопределённой.

Другими словами, природа не предписывает результатов никаких процессов или опытов, даже в самых простейших ситуациях.

Скорее допускает некоторое количество различных вариантов развития, каждый со своей вероятностью осуществления.

Перефразируя Эйнштейна, это всё равно, как если бы, Бог бросал кости всякий раз, прежде, чем решить исход любого физического процесса.

Эта идея не давала покоя Эйнштейну и, несмотря на то, что он сам являлся одним из отцов-основателей квантовой физики, в дальнейшем он начинает ее критиковать

Может показаться, что квантовая физика подрывает саму идею о том, что природа подчиняется законам, но это не так.

Напротив, она приводит нас к новой форме детерминизма: учитывая состояние системы в какое-либо время, законы природы определяют вероятность различных будущих и прошлых состояний, вместо того, чтобы определять единственное достоверное будущее и прошлое.

И хотя некоторым из них это будет неприятно, учёные должны принимать теории, подтвержденные результатами экспериментов, а не свои предвзятые убеждения.

Наука требует от теории лишь того, чтобы её можно было проверить.

Если вероятностная природа предсказаний квантовой физики означала невозможность подтверждения этих предсказаний, то квантовые теории никак нельзя было бы назвать научными теориями.

Но несмотря на вероятностную природу предсказаний, мы всё же можем проверить квантовые теории.

Например, мы можем повторить эксперимент много раз и удостовериться, что частота различных результатов соответствует предсказанным вероятностям.

Рассмотрим эксперимент с фуллеренами.

Как говорит нам квантовая физики - ничто не находится в определённой точке, ибо если бы это было так, то неопределённость импульса была бы бесконечной.

Фактически, согласно квантовой физике, каждая частица имеет некоторую вероятность быть найденой где угодно во Вселенной.

Так что, даже если шансы найти электрон в устройстве с двумя отверстиями очень велики, всегда останется некоторая вероятность того, что вместо этого он найдётся на обратной стороне звезды Альфа Центавра или в мясной картофельной запеканке из кафетерия рядом с вашим офисом.

Как результат, если вы ударом запустите в полёт квантовый бакибол никакие умения или знания не позволят вам заранее с абсолютной точностью сказать, где он приземлится.

Но если вы повторите этот эксперимент много раз, то полученные данные отразят вероятность нахождения мяча в самых разных местах, а экспериментаторы подтвердят, что результаты подобных экспериментов согласуются с предсказаниями теории.

Важно понимать, что вероятности в квантовой физике - это не то же, что вероятности в ньютоновой физике или в повседневной жизни.

Мы сможем это понять, если сравним структуру на экране, полученную от равномерного потока фуллеренов, с картиной отметин, остающихся на доске для дартса, когда игроки стремятся попасть в центр мишени.

Если конечно игроки не пили уж слишком много пива, шансы дротика попасть в мишень недалеко от центра очень велики, а по мере удаления от центра уменьшаются.

Как и с бакиболами, каждый конкретный дротик может попасть куда угодно, но со временем будет проявляться структура отметин, которая отражает преимущественную вероятность.

В повседневной жизни, в такой ситуации мы можем сказать, что дротик имеет определенную вероятность приземления в разных местах, но мы говорим так, только потому (в отличие от случая с бакиболами), что наше знание об условиях его запуска неполные.

Мы могли бы улучшить наше описание, если бы точно знали каким образом игрок бросил дротик, под каким углом, с какими вращением и скоростью и так далее.

В принципе, тогда бы мы могли предсказать, куда попадёт дротик с необходимой нам точностью.

Таким образом, использование нами теории вероятности для описания событий в повседневной жизни - это не отражение внутренней природы процесса, а только лишь отражение нашего невежества в понимании его определенных аспектов.

Вероятности в квантовых теориях совсем другие.

Они отражают фундаментальную случайность в природе.

Квантовая модель природы включает в себя принципы, которые не только противоречат нашему повседневному опыту, но и нашему интуитивному восприятию реальности.

Те, кто считают эти принципы странными или неправдоподобными, находятся в хорошей компании, в том числе с такими великими физиками, как Эйнштейн и даже Фейнман, чьё описание квантовой теории мы совсем скоро представим.

Фейнман, в действительности, как-то написал: "Думаю, я могу спокойно заявить, что никто не понимает квантовую механику".

Но квантовая физика согласуется с наблюдениями.

Она выдержала все проверки, а проверялась она гораздо чаще, чем любая другая научная теория.

В 1940-ых Ричарда Фейнмана поразило потрясающее озарение насчёт разницы между квантовым и Ньютоновским мирами.

Фейнмана заинтриговал вопрос, как возникает картина интерференции в эксперименте с двумя отверстиями.

Напомним, что картина, полученная, когда молекулы пролетали через оба отверстия, не является суммой структур, которые получаются, если провести эксперимент дважды: сначала с одним открытым отверстием, потом с другим.

Напротив, когда открыты оба отверстия, мы получаем череду светлых и тёмных полос, последние являются областями, куда не попадают частицы.

Это означает, что частицы, которые должны были бы попасть в область темной полосы, в случае если, скажем, открыта одна прорезь, там не оказываются, если открыты обе прорези.

Как будто где-то на середине своего пути к экрану частицы получают информацию про оба отверстия.

Такое поведение решительно отличается от того, как всё обстоит в повседневной жизни, в которой мяч проследует сквозь одну из прорезей, и на него никак не повлияет состояние второй.

Согласно ньютоновой физике, и согласно тому, как эксперимент прошёл бы, если бы мы проделали тоже самое с футбольными мячами вместо молекул, каждая частица следует единственному строго определённому маршруту от источника к экрану.

В такой картине не находится места обходному маршруту, в соответствии с которым частица по пути посещает окрестности обеих прорезей.

Однако, cогласно квантовой моделе, у частицы будто бы и нету точного местоположения в то время, пока она находится между начальной и конечной точками пути.

Фейнман понимал, что не нужно принимать это за отсутствие пути у частиц, пока они следуют от источника к экрану.

Совсем наоборот, это могло бы значить, что частицы проходят всеми возможными путями, связывающими эти точки.

Вот, утверждал Фейнман, что отличает квантовую физику от ньютоновской.

Эта история с двумя прорезями имеет значение, потому что вместо того, чтобы проследовать единственным определённым путём, частицы прошли всеми да ещё и за раз.

Звучит как научная фантастика, но это не так.

Фейнман сформулировал математическое выражение - "фейнманову сумму предысторий", отражающее эту идею и воспроизводящее все законы квантовой физики.

В теории Фейнмана математическая и физическая картины расходились с исходными формулировками квантовой физики, но предсказания были такими же.

В эксперименте с двумя прорезями идеи Фейнмана сводятся к тому, что частицы выбирают пути, которые ведут либо сквозь одну прорезь, либо сквозь вторую; пути, что ведут сквозь первую прорезь, затем обратно через вторую, и снова через первую;
пути, ведущие в ресторан, где подают креветки в соусе карри, затем к Юпитеру, закручиваясь вокруг него несколько раз перед возвращением обратно; и даже пути, что ведут на другую сторону Вселенной и обратно.

Это, по мнению Фейнмана, объясняет, как частица получает информацию о том, какие прорези открыты - если прорезь открыта, частица направляется сквозь неё.

Когда обе прорези открыты, пути частиц, путешествующих через одну прорезь, могут пересекаться с путями через вторую, вызывая тем самым интерференцию.

Быть может это прозвучит невероятно, но для нынешней фундаментальной физики в целом, и для этой книги в частности, теория Фейнмана оказалась много полезнее, чем оригинальная.

Фейнмановское видение квантовой реальности является ключевым в понимании теорий, которые мы скоро представим, поэтому стоит потратить некоторое время на то, чтобы понять, как там всё устроено.

Представьте себе простой процесс, в котором частица из пункта А начинает своё свободное движение .

Согласно модели Ньютона эта частица будет двигаться по прямой линии.

По истечении некоторого определённого времени мы обнаружим частицу в определённом пункте B, находящемся на этой прямой.

В модели Фейнмана квантовая частица проводит выборку всех путей, соединяющих пункты А и B, составляя при этом число, называемое фазой для каждого пути.

Эта фаза представляет собой такое положение в волновом цикле, в котором волна находится либо на верхнем, либо на нижнем пике, или где-то посередине.

Формула Фейнмана по математическому расчёту этой фазы показывает, что когда вы складываете вместе волны всех путей, вы получаете "амплитуду вероятности" достижения пункта B частицей, стартовавшей из пункта А .

А затем квадрат амплитуды вероятности даёт конечную вероятность достижения пункта B.

Фаза, в которой все отдельные пути входят в фейнманову сумму (и, следовательно, в вероятность прохождения пути от А к B) может быть представлена в виде стрелки, которая имеет фиксированную длину, но может быть направлена в любую точку.

Чтобы добавить две фазы, вы помещаете стрелку, представляющую одну фазу на окончание стрелки, представляющей другую, получается стрелка, представляющая сумму.

Чтобы увеличить количество фаз, просто продолжайте добавлять стрелы.

Заметим, что когда фазы выстроены в линию, стрела, представляющая сумму может быть довольно длинной.

Но если стрелки направлены в разные стороны, они могут гасить друг друга по мере добавления, оставляя вас с не такой большой итоговой стрелкой.

Эта идея проиллюстрирована на рисунке ниже.

Для выполнения условий Фейнмана по расчёту вероятностной амплитуды того, что частица из пункта А достигнет пункта B, вы просто складываете фазы или стрелки, представляющие каждый путь от А к B.

Существующих путей бесконечно много, что слегка усложняет расчёты, но этот способ работает.

Некоторые пути показаны ниже.

Теория Фейнмана очень чётко показывает как можно вывести ньютонову картину мировосприятия из квантовой физики, кажущейся совершенно отличной.

Согласно фейнмановой теории, фазы связанные с каждым путём зависят от постоянной Планка.

Теория предписывает, что поскольку постоянная Планка является очень малым числом, то, когда вы складываете сумму путей, близких другу другу, их фазы сильно варьируются, и, как видно на рисунке, их сумма в результате будет сводиться к нулю.

Но теория также показывает, что существуют определенные пути, фазы которых имеют тенденцию выстроиться в линию, и именно они дают сумму более препочтительную (значительную) для изучения процесса поведения частицы.

Оказывается, что применительно к большим объектам, пути, близкие к тем, что предсказаны теорией Ньютона, будут иметь похожие фазы, и в сумме дадут наибольшую составляющую. Таким образом единственным конечным пунктом, имеющим практическую вероятность больше нуля, будет конечный пункт, предсказываемый теорией Ньютона, и вероятность достижения этого пункта будет очень близка к единице.

Следовательно, большие объекты двигаются именно так, как предсказывает теория Ньютона.

Пока что мы обсуждали идеи Фейнмана в контексте эксперимента с двойной прорезью.

В этом эксперименте частицы запускались в направлении стенки с прорезями, и мы оценивали места их попадания на экран, помещенный за стенкой.

В общем, вместо лишь одной частицы, теория Фейнмана позволяет нам предсказывать вероятные результаты "системы", которая могла бы быть частицей, рядом частиц, или даже всей вселенной.

Между начальным состоянием системы и нашим последующим определением ее свойств, эти свойства эволюционируют некоторым путем, который физики называют историей системы.

В эксперименте с двойной прорезью, например, история частицы -- это просто ее путь.

Фейнман показал, что как в эксперименте с двойной прорезью имеется шанс наблюдения частицы в любой данной точке, зависящий от всех путей, по которым, частица могла бы достичь эту точку, так и для целой системы вероятность любого наблюдения построена из всех возможных историй, которые могли бы привести к этому наблюдению.

Из-за этого его метод, названный "суммой предысторий" или "альтернативными историями", является формулировкой квантовой физики.

Теперь, когда мы получили представление о фейнмановском подходе к квантовой физике, настало время исследовать другой ключевой квантовый принцип, который мы будем использовать в дальнейшем, это принцип, согласно которому наблюдение за системой должно менять её поведение.

Можем ли мы, когда видим пятнышко горчицы на подбородке начальницы, тактично наблюдать, но не вмешиваться?

Нет.

Согласно квантовой физике, Вы не можете "просто" наблюдать за чем-либо.

Таким образом, квантовая физика признает, что, для того чтобы произвести наблюдение, вы должны взаимодействовать с наблюдаемым вами объектом.

Например, чтобы видеть объект в традиционном смысле, мы направляем на него свет.

Освещение тыквы окажет на нее, конечно, не самый большой эффект.

Но освещение даже тусклым светом крошечной квантовой частицы -- то есть бомбардировка ее фотонами — действительно имеет ощутимый эффект, и опыт показывает, что это изменяет результаты эксперимента точно так, как описывает квантовая физика.

Предположим, что, как и раньше, мы направляем поток частиц на барьер в эксперименте с двойной прорезью и собираем данные о первом миллионе прошедших частиц.

Когда мы определяем местоположение ряда частиц, оказавшихся в различных точках обнаружения, данные сформируют представленную картину интерференции, и когда мы добавим фазы, связанные со всеми возможными путями частицы от отправной точки А до ее точки обнаружения B, мы увидим, что вычисленная нами вероятность попадания в различные точки согласуется с этими данными.

Теперь предположим, что мы повторяем эксперимент, но на этот раз освещаем прорези светом так, чтобы зафиксировать промежуточный пункт C, через который прошла частица.

(Пункт С - это положение либо первой прорези, либо второй.)

Это называют информацией "выбора пути", потому что она говорит нам, следовала ли каждая частица от А к прорези 1 и к B, или от А к прорези 2 и к B.

Так как мы теперь хорошо знаем, через какую прорезь проходит каждая частица, наша сумма для этой частицы будет теперь включать только пути, которые проходят через прорезь 1, либо только пути, которые проходят через прорезь 2.

Она никогда не будет включать и пути, проходящие через прорезь 1, и пути, проходящие через прорезь 2.

Поскольку Фейнман объяснил картину интерференции, указав, что пути, которые проходят через одну прорезь, сходятся с путями, которые проходят через другую, то если Вы включаете свет, чтобы определить, через какую прорезь проходят частицы, тем самым исключая другой вариант, Вы заставите картину интерференции исчезнуть.

И действительно, если этот эксперимент выполнить, включение света изменяет результаты с картины интерференции на картину, подобную этой!

Кроме того, мы можем изменять эксперимент, используя очень слабый свет, чтобы не все частицы взаимодействовали со светом.

В этом случае мы можем получить информацию о выборе пути только для некоторого подмножества частиц.

Если мы затем разделим данные о прибытии частицы согласно тому, получали ли мы информацию о выборе пути или нет, мы обнаружим, что данные, имеющие отношение к подмножеству, для которого у нас нет никакой информации о выборе пути, сформируют картину интерференции, а подмножество данных, имеющих отношение к частицам, для которых у нас есть информация о выборе пути, интерференции не покажет.

Эта идея имеет важное значение для нашего понятия "прошлого."

В ньютоновской теории предполагается, что прошлое существует в виде определенного ряда событий.

Если вы видите, что ваза, которую вы купили в Италии в прошлом году, лежит разбитая на полу, а ваш малыш, стоящий над ней, выглядит застенчиво, вы можете прокрутить назад события, которые привели к неприятности: маленькие пальцы разжимаются, ваза падает, разбивается на тысячу частей и выглядит так, как вы её и обнаружили.

Фактически, учитывая полные данные о настоящем, законы Ньютона позволяют вычислить полную картину прошлого.

Это совместимо с нашим интуитивным пониманием, неважно какое: неприятное или счастливое, но у мира есть определенное прошлое.

Возможно, не было ни одного наблюдения, но прошлое существует так же несомненно, как будто Вы сделали серию его снимков.

Но нельзя сказать, что квантовый бакибол проделал определенный путь от источника до экрана.

Мы могли бы точно определить местоположение бакибола, наблюдая за ним, но между нашими наблюдениями он проходит всеми возможными путями.

Квантовая физика говорит нам, что независимо от того, насколько детально наше наблюдение настоящего, (ненаблюдаемое) прошлое, как и будущее, неопределены и существуют только в виде спектра возможностей.

У вселенной, согласно квантовой физике, нет единственного прошлого или истории.

Факт, что прошлое не принимает определенной формы, означает, что наблюдения системы, которые Вы делаете в настоящем, затрагивают ее прошлое.

Это подчеркивается довольно ярко в виде эксперимента, придуманного физиком Джоном Уилером, под названием "эксперимент с отложенным выбором".

Кратко, эксперимент с отложенным выбором похож на только что описанный нами эксперимент с двойной прорезью, в котором у вас есть возможность выбора, наблюдать ли путь, проделанный частицей, за исключением того, что в эксперименте с отложенным выбором вы откладываете свое решение, наблюдать путь или нет, до самого момента, пока частица не попадает на детекторный экран.

Эксперименты с отложенным выбором имеют своим результатом данные, идентичные тем, что мы получаем, когда хотим наблюдать (или не наблюдать) информацию о выборе пути, непосредственно следя за прорезями.

Но в этом случае путь каждой частицы — то есть, ее прошлое — будет определен намного позже того, как она прошла через прорези, и, по-видимому, должна была "решить", перемещаться ли только через одну прорезь, не вызывая интерференцию, или через обе, вызывая.

Уилер даже продумал космическую версию эксперимента, в которой рассматриваемыми частицами служат фотоны, испускаемые мощными квазарами с расстояния в миллиарды световых лет.

Такой свет мог быть расщеплен на две траектории и перефокусирован в направлении Земли гравитационной линзой галактики, лежащей на его пути.

Хотя этот эксперимент невыполним при нынешних технологиях, но если мы могли бы собрать достаточно много фотонов этого света, то они должны были бы сформировать картину интерференции.

Все же, если мы помещаем устройство для получения информации о выборе пути сразу перед детекторным экраном, эта картина должна исчезнуть.

Выбор, избрать ли один путь или оба, в этом случае был бы сделан миллиарды лет назад, до того как была сформирована Земля или, возможно, даже наше Солнце, и все же нашим наблюдением в лаборатории мы повлияем на этот выбор.

В этой главе мы иллюстрировали квантовую физику, используя эксперимент с двойной прорезью.

В дальнейшем мы применим формулировку квантовой механики Фейнмана ко вселенной в целом.

Мы увидим, что, как и частица, вселенная имеет не одну лишь единственную историю, но у каждой возможной истории есть собственная вероятность; и наши наблюдения за ее текущим состоянием затрагивают ее прошлое и обуславливают различные истории вселенной, также как наблюдения за частицами в эксперименте с двойной прорезью затрагивают прошлое частиц.

Это рассмотрение покажет, как законы природы в нашей вселенной возникли из большого взрыва.

Но прежде чем мы исследуем, как возникли законы, мы немного поговорим о том, что эти законы собою представляют, и о некоторых тайнах, которые они за собой влекут.

Внимание! Этот перевод, возможно, ещё не готов.
Его статус: перевод редактируется

Переведено на Нотабеноиде
http://notabenoid.org/book/14366/48339

Переводчики: justafake, cosinus, serrrg, aleva

Edgewalker, uraveselov, Kotische, CrabGaze

lynxtaa, CyberTm, Irina73, MirnyiAtom

die_m, GOMER2