ЧАСТЬ I. ОСНОВЫ ЦЕЛОСТНОЙ ТЕОРИИ ВСЕГО
Как информация связывает все со всем

3. Краткий перечень загадок согласованности

Загадки согласованности в квантовой физике


Мы продолжим наш поиск целостной теории всего, составив перечень открытий, которые сегодня ставят ученых в тупик. Очевидно, что этот список не может включить все загадки, появившиеся в различных сферах научных исследований. Однако в нем присутствуют разнообразные загадки, которые значимы сами по себе и неожиданно часто появляются в разных научных сферах. Это загадки согласованности. Имеется в виду не обыкновенная заурядная согласованность, а удивительное разнообразие, в котором части согласованной системы так точно подогнаны друг к другу, что изменение одной вызывает изменения во всех остальных. Более того, изменения распространяются по системе почти мгновенно и сохраняются во времени. Части системы как будто являются нелокальными — они не привязаны к тому месту, в котором находятся, а существуют в некотором роде во всей системе. В этой главе мы узнаем, как эта странная форма согласованности проявляет себя в физическом мире, в живом мире и в мире сознания*.

Согласованность — это хорошо известный в физике феномен. В обычной форме он означает, что свет состоит из волн, имеющих постоянное различие по фазе. Фазовые отношения остаются постоянными, а процессы и ритмы гармонизированы.


* Идеи и открытия, представленные здесь, подробнее, но при этом более специальным языком описаны в книге The Connectivity Hypothesis: Foundations of an Integral Science of Quantum, Cosmos, Life, and Consciousness (Albany: State University of New York Press, 2003).
Свет обычных источников остается согласованным в пределах нескольких метров, свет технологических источников (лазеров, микроволновых печей и тому подобного) остается согласованным на значительно больших расстояниях. Но согласованность, обнаруженная в настоящий момент, является более сложной и значимой, чем ее стандартная разновидность. Она свидетельствует о почти мгновенной корреляции между частями или элементами системы — будь эта система атомом, организмом или галактикой. Все части системы, обладающей такой согласованностью, настолько связаны, что происходящее с одной частью происходит также и с другими.

Нелокальная согласованность — это всего лишь один из неожиданных феноменов, обнаруженных в XX веке. Картина мира квантовой физики — физики сверхмалой сферы физической реальности — стала куда более странной, чем можно было вообразить. Открытия свидетельствуют о том, что самые малые единицы материи, силы и света являются не вполне «разделенными реальностями», а особыми формами и сгустками энергетических полей. Некоторые из этих «квантов» обладают качествами материи — такими как масса, гравитация и инерция.

Иные обладают качествами силы, являясь частицами, которые обеспечивают эффективное взаимодействие между подобными материи частицами. Есть и другие, обладающие качествами света, они несут электромагнитные волны, которые включают в себя видимый спектр. Но в действительности кванты не отдельны друг от друга, так как, побывав однажды в одинаковом состоянии, они остаются взаимосвязанными друг с другом вне зависимости от того, как далеко друг от друга находятся. И никакие кванты не ведут себя как физические объекты. Они обладают и корпускулярными, и волновыми качествами, которые, как кажется, зависят от того, каким образом проводятся эксперименты, в которых их наблюдают. Более того, когда измеряется одно из их качеств, другие оказываются недоступными для наблюдения и измерения.

Странный мир кванта

Важная веха: связанные частицы

• В первоначальном состоянии кванты отнюдь не находятся в единственном месте во времени. Каждый квант есть одновременно и «здесь», и «там» — и в некотором смысле в пространстве-времени он присутствует везде.
 
• Пока за квантами не наблюдают и их не измеряют, у них нет определенных характеристик, они существуют в нескольких состояниях одновременно. Эти состояния не реальны, а виртуальны — кванты способны их принимать, когда их наблюдают или измеряют. Наблюдатель или измерительный прибор как будто вылавливают квант из моря возможностей. Когда квант покинул море, он становится реальным, а не просто виртуальным, но мы никогда не можем знать заранее, каким зверем из всех возможных он станет. Возможно, квант может самостоятельно выбирать свое реальное состояние среди виртуальных.
 
• Даже когда квант находится в реальном состоянии, он не позволяет нам наблюдать и замерять все параметры своего состояния одновременно: когда мы измеряем один параметр (например, позицию или энергию), другие становятся неясными (такие как скорость движения или время наблюдения).
 
• Кванты очень социальны: если они находились в одинаковом состоянии, они остаются связанными друг с другом вне зависимости от того, на каком расстоянии друг от друга оказались. Когда один квант из пары взаимосвязанных наблюдается или измеряется, он выбирает собственное реальное состояние — и его близнец тоже выбирает собственное состояние, но не свободно: он выбирает его в соответствии с выбором первого. Второй всегда выбирает дополнительное состояние и никогда — состояние, выбранное первым.
 
• В сложной системе (такой как ситуация физического эксперимента) кванты демонстрируют такое же социальное поведение. Если мы проведем измерение одного кванта в системе, другие также перейдут из виртуального состояния в реальное. Более того, если мы создаем экспериментальную ситуацию, в которой определенный квант может быть измерен индивидуально, все другие кванты становятся реальными, даже если эксперимент не проведен...

Классическая механика, физика Исаака Ньютона, предлагает доступную концепцию физической реальности. Труд Ньютона «Математические начала натуральной философии», опубликованный в 1687 году, с геометрической точностью показал, что материальные тела на Земле движутся в соответствии с выраженными математически законами, в то время как планеты в небесах вращаются в соответствии с законами Кеплера. Движение всех тел точно определяется условиями, в которых оно начинается, так же как движение маятника определяется его длиной и изначальным положением, а траектория снаряда — углом пуска и ускорением. С математической определенностью Ньютон предсказывал положение планет, движение маятников, траекторию снарядов и движение материальных точек, которые в его физике являются неделимыми строительными блоками Вселенной.

Более сотни лет назад механистический предсказуемый мир Ньютона попал в беду. С разделением атома в конце XIX века (а потом и атомного ядра на составляющие в начале XX века) распалось не только физическое тело. Зашатались основы естественных наук: эксперименты в физике начала XX века разрушили господствующие представления о том, что реальность состоит из неделимых элементов. Однако физики не смогли предложить такой же здравой и доступной концепции вместо отвергнутой. Сама идея материи стала проблематичной. Субатомные частицы, которые возникали, когда атомы и атомные ядра разделялись, вели себя не так, как обычная материя: они обладали загадочной взаимосвязью, известной как нелокальность, и двойственной природой, состоящей из волновых и корпускулярных качеств.

Оказалось, что частицы, составляющие явный аспект реальности, — это не крошечные материальные точки, подобные маленьким шарикам материи, а волны (точнее, стоячие волны). В квантовой физике они описываются волновыми функциями. Вся видимая Вселенная определяется законами, которые управляют интерференцией этих волн. Возможные интерференционные фигуры стоячих волн мы знаем как атомы, определяющие, какого рода молекулы могут из них образовываться и, следовательно, какие химические системы могут возникнуть. Интерференционные фигуры молекул определяют, в свою очередь, возможные виды межмолекулярных взаимодействий, включая сложные взаимодействия, образующие основу жизни.

Виды возможных взаимодействий определяются, в свою очередь, виртуальными состояниями. Как только что было указано, каждая частица, каждый атом и каждая молекула имеют не только то состояние, в котором они находятся во время наблюдения, но и состояния, называемые «виртуальными». Виртуальные состояния описываются вероятностными функциями и битами информации. Они становятся реальными, когда частица, атом или молекула их принимает.

Совокупность виртуальных состояний, которые могут принять определенные частицы, атомы или молекулы, в отличие от самих состояний не случайна. Порядок виртуальных состояний определенной частицы (атома или молекулы) контролирует переходные, вибрационные и вращательные движения этой частицы (или атома, или молекулы). Этот порядок виртуальных состояний определяет движение химических систем через поверхности потенциальной энергии, ведя их от одного конформного состояния к другому — от одной химической или биохимической системы к другой.

Каждая система, которая возникает в явном мире, представляет собой выбор из совокупности виртуальных состояний, доступных ей. Происходит непрерывная трансформация из виртуальных состояний в реальные. Квантовый физик и химик Лотар Шефер описывает это как «непрерывный танец», в котором принимаемые состояния непрерывно становятся виртуальными, в то вре- мя как незанятые состояния становятся реальными. Как он пишет, «в основе всего трансцендентальный (то есть виртуальный) и реальный порядок соединены в вечном яростном объятии».

Загадочное взаимодействие реальных и виртуальных состояний в физическом мире дополняется еще одной загадкой: неизменной и превосходящей пространство и время связью между частицами в реальном состоянии. Известный парадокс ЭПР (изначально предложенный Альбертом Эйнштейном вместе с коллегами Борисом Подольским и Натаном Розеном) показывает, что частицы, однажды находившиеся в одинаковом состоянии (в одинаковой системе координат), остаются мгновенно и прочно связанными. Такая связь характеризует целые атомы: современные эксперименты с «телепортацией» показывают, что, когда один из пары взаимосвязанных атомов связывается с третьим атомом, квантовое состояние третьего мгновенно переносится (направляется) на другие два атома — вне зависимости от того, как далеко находится тот атом.

Удивительный факт, возникающий из этого загадочного квантового океана, состоит в том, что частицы, а также атомы, состоящие из частиц, не являются одиночками. Они очень дружелюбны и при определенных условиях так тесно взаимосвязаны друг с другом, что находятся не просто здесь или там, а во всех учтенных местах одновременно. Их нелокальность не подвластна ни времени, ни пространству: она существует вне зависимости от того, в миллиметрах или световых годах изменяется расстояние между частицами и атомами, в секундах или миллионах лет измеряется разделяющее их время.

Квантовая нелокальность: революционные эксперименты

ЭПР-эксперимент

ЭПР-эксперимент — первый из революционных экспериментов, подтверждающих нелокальность микросферы физической реальности, — был предложен Альбертом Эйнштейном и его коллегами Борисом Подольским и Натаном Розеном в 1935 году. В этом «мысленном эксперименте» (названном так потому, что в то время он не мог быть проведен эмпирически) предполагалось взять две частицы в так называемом синглетном состоянии, в котором их спины аннулируют друг друга, а общий спин оказывается равным нулю. Затем частицы разделяются и отдаляются друг от друга. Если затем замерить спиновые состояния обеих частиц, мы, как полагал Эйнштейн, получим информацию об обоих спиновых состояниях одновременно. Эйнштейн верил, что этот эксперимент покажет, что странное ограничение, касающееся того, что может быть измерено, согласно принципу неопределенности Гейзенберга, не работает — теория, на которой он основывается, предлагает неполное описание физической реальности.
 
Когда экспериментальная аппаратура стала достаточно мощной, чтобы проверить правоту Эйнштейна, оказалось, что все происходит не совсем так. Предположим, мы замеряем спиновое состояние одной из частиц — частицы А — вдоль, скажем, оси z (допустимыми спиновыми состояниями являются «вверх» и «вниз» вдоль осей x, y и z). Предположим, наше измерение показало, что спин частицы направлен «вверх». Так как спины частиц должны взаимно уничтожаться, спин частицы В определенно должен быть направлен «вниз». Но частицы разделены, поэтому это требование не должно исполняться. Однако именно так и происходит. Каждое измерение одной частицы влечет за собой добавочный результат при измерении другой. Оказывается, что измерение частицы А мгновенно оказывает влияние на В, заставляя ее спинно-волновую функцию принять дополнительное состояние. Измерение А не просто обнаруживает уже установленное состояние В — оно создает его.
 
Мгновенный эффект переходит от А к В, передавая точную информацию о том, что измеряется. В «знает», когда А измеряется, какой точно параметр исследуется и с каким результатом, так как соответствующим образом выбирает свое состояние. Нелокальная связь устанавливается между А и В, несмотря на расстояние, которое их разделяет.
 
Эксперименты, проведенные в 1980 годах Аленом Аспектом и его коллегами и повторенные Николасом Гизином в 1997 году, показывают, что скорость, с которой передается эффект, поразительна. В экспериментах Аспекта сообщение между частицами, находящимися на расстоянии 12 метров друг от друга, произошло, по оценкам ученых, менее чем за одну биллионную секунды, что примерно в 20 раз быстрее скорости, с которой свет перемещается в пустом пространстве. В эксперименте Гизина частицы, находившиеся друг от друга на расстоянии 10 километров, сообщались между собой со скоростью, в 20 тысяч раз превышающую скорость света, — считавшийся непреодолимым скоростной предел теории относитель- ности. Эксперименты также показывают, что связь между частицами осуществляется не обычными способами через измерительную аппаратуру; она внутренне присуща самим частицам. Частицы «связаны», и эта связь не чувствительна ни к расстоянию в пространстве, ни к разнице во времени.
 
В последующих экспериментах использовались еще большие расстояния, но удивительные результаты не изменились. Оказывается, разлучение не разделяет частицы друг с другом — в противном случае измерение одной не оказывало бы влияния на другую. Даже не обязательно, чтобы частицы появлялись в одинаковом квантовом состоянии. Эксперименты показывают, что любые две частицы, будь то электроны, нейтроны или фотоны, могут возникать в различных точках пространства и времени; если они когда-либо сошлись вместе в одной системе координат, этого достаточно, чтобы они продолжали действовать как часть одной квантовой системы даже тогда, когда они разделены...
 
Эксперименты с телепортацией
 
Последние эксперименты показали, что форма нелокальной связи, известная как телепортация, существует не только между отдельными частицами, но и между целыми атомами. Телепортация с 1997 года получила экспериментальное подтверждение в отношении квантового состояния фотонов в световых пучках и состояния магнитных полей, созданных облаками атомов. Весной 2004 года были проведены важнейшие эксперименты: две команды физиков, одна в Национальном институте стандартов в Колорадо, а другая — в Инсбрукском университете в Австрии, продемонстрировали, что квантовое состояние целых атомов может быть телепортировано при помощи перемещения квантовых битов («кубитов»), которые определяют атомы. В эксперименте, проведенном в Колорадо М. Д. Барретом, было успешно телепортировано основное состояние ионов бериллия, а в эксперименте, проведенном в Инсбруке М. Рибе, были телепортированы основное и метастабильное состояния притянутых магнетически ионов кальция. Физики провели телепортацию с удивительной точностью — 78% командой Колорадо и 75% командой Инсбрука — используя разные техники, но следуя одному основному протоколу.
 
Первые два заряженных атома, названные А и Б, были «связаны», как и предполагалось в эксперименте ЭПР. Затем подготавливался третий атом, П, вводившийся в особое квантовое состояние, которое и должно было телепортироваться. Затем А, один из связанных ионов, измерялся вместе с подготовленным атомом П. В тот момент менялось внутреннее квантовое состояние Б: атом принимал то самое состояние, которое было закодировано в П! Квантовое состояние П оказывается телепортированным в Б.
 
Хотя в экспериментах используются сложные процедуры, процессы реального мира, на которые они указывают, относительно понятны. Когда А и П измеряются вместе, существовавшая прежде нелокальная связь между А и Б обеспечивает нелокальную передачу состояния от П к Б. В ЭПР-эксперименте одна из пары связанных частиц «информирует» другую о своем замеряемом состоянии; сходным образом в экспериментах с телепортацией измерение одного из пары ионов, которые связаны между собой и с третьим ионом, передает состояние последнего двум другим. Так как процесс нарушает квантовое состояние А и воссоздает его в П, он заставляет вспомнить научно-фантастическую идею о телепортации объекта из одного места в другое.
 
Хотя телепортация целых объектов, не говоря уже о людях, в настоящий момент недоступна, аналогичный процесс на человеческом уровне все же можно представить. В этом «мысленном эксперименте» мы возьмем двух эмоционально связанных друг с другом людей, скажем, Арчи и Бетти, влюбленных друг в друга. Мы попросим третьего человека, Петру, сосредоточиться на определенной мысли или образе. Затем мы создадим глубокую «трансперсональную» связь между Арчи и Петрой путем их совместной молитвы или медитации. Если телепортация на человеческом уровне работает, в тот момент, когда Арчи и Петра войдут в общее медитативное состояние, мысль или образ, на котором была сосредоточена Петра, исчезнет из ее сознания, чтобы появиться в сознании Бетти.
 
Эксперименты в области телепортации открывают перед нами обширные и на сегодняшний момент более реалистичные перспективы. Вскоре физики найдут способ телепортировать кубиты не просто от одного атома к другому, а среди большого числа частиц одновременно. Это породит множество технологических инноваций, включая новое поколение сверхбыстрых квантовых компьютеров.
 
Когда большое число связанных частиц распределены в структуре компьютера, квантовая телепортация может создавать мгновенную передачу информации среди них, и для этого им вовсе не обязательно находиться рядом или быть связанными проводами.


Страницы:
[1] [2] [3] [4] [5] | 6 | [7] [8] [9] [10] [11] [12] [13] [14] [15] [16] [17]
[18] [19] [20] [21] [22] [23] [24] [25] [26] [27] [28] [29] [30] [31] »»»»

Яндекс.Метрика