ПЯТОЕ ИЗМЕРЕНИЕ. ИССЛЕДОВАНИЕ ПРИРОДЫ ВРЕМЕНИ
Утерянное измерение
Мир имеет три пространственных и одно временное измерение (3+1) – таковы наши глубоко укоренившиеся представления о нём. Длины, ширины, высоты и времени нам достаточно для описания всего происходящего в природе. Это фундамент нашего мироздания, изменение которого неизбежно приводит к перестройке всей картины бытия. В истории человечества подобных тектонических сдвигов было три, и каждый из них «переворачивал мир» – приводил к глубоким необратимым изменениям всей ткани цивилизации: науки, технологий, макроэкономики, культуры, самоопределения человека в мире.
Так, в древнем мире пространство тоже имело три измерения, но оно представлялось плоским, статичным и ограниченным. Древние греки, находившиеся в авангарде зарождавшейся науки, представляли Землю в виде плоского диска, плавающего среди бурных волн мирового океана. И хотя Аристотель ещё в 330 году до нашей эры, основываясь на наблюдениях за изменением линии горизонта, формой тени при лунных затмениях, смещением положения созвездий в разных широтах, аргументированно доказал шарообразность Земли, споры о её форме продолжались до средневековья. Главный аргумент скептиков заключался в том, что «обратная сторона земли» не может служить местом человеческого обитания, ведь люди не могут жить «вверх ногами» – они обязательно сорвутся с поверхности и рухнут в бездну. В конце концов теория плоской Земли ушла в прошлое. Окружающий физический мир от этого никак не поменялся, но переворот в сознании изменил наши представления о нём, помог глубже понять законы природы и использовать их в практической деятельности. Колумб, как известно, открыл Америку, основываясь на представлениях о шарообразности Земли.
В XX веке устоявшийся мир Ньютона рухнул под натиском мощного разума Эйнштейна. Сегодня пространство и время уже не существуют по отдельности – они сплетены в единый четырёхмерный пространственно-временной континуум. Ткань мира стала гибкой, пластичной и напрямую зависимой от распределения материи и энергии. И всё равно, несмотря на беспрецедентный успех общей теории относительности (ОТО), пространство-время остаётся не до конца понятной сущностью. Современная фундаментальная физика бьётся над разгадкой нескольких глубоко сокрытых тайн природы:
Дискретность ткани бытия. Из чего «соткано» полотно пространства-времени? В физике всё непрерывное на поверку оказывается дискретным. Существуют ли неделимые кванты пространства, связанные с планковской длиной, и кванты времени, связанные с планковским временем?
Кошмар сингулярностей. Что в действительности происходит в сингулярностях чёрных дыр и в точке Большого взрыва? Классические уравнения ОТО в этих экстремальных точках выдают неисправимую математическую ошибку (деление на ноль), а теория сталкивается с неразрешимым логическим противоречием. Ткань пространства-времени там буквально рвется и перестаёт существовать. Неизвестно, что находится за этими пределами и как там ведут себя пространство и время.
Иллюзия времени. Существует ли время на самом деле? Является ли оно фундаментальным, неотъемлемым свойством Вселенной? Парадокс заключается в том, что в главном уравнении квантовой гравитации переменная времени вообще отсутствует. Вселенная в нём выглядит абсолютно статичной, замороженной и вневременной. Многие ведущие физики-теоретики полагают, что на глубинном микроуровне времени вообще не существует – это лишь иллюзия, возникающая в макромире для наблюдателя.
Голографический призрак. Не является ли весь наш осязаемый мир всего лишь тонкой голограммой, грандиозной оптической иллюзией? Теоретические расчёты термодинамики чёрных дыр показывают, что вся информация, содержащаяся внутри четырёхмерного пространства-времени, может быть полностью, без остатка закодирована на его двухмерной внешней границе. Подобно лазерной голограмме, наш плотный трёхмерный мир может оказаться всего лишь плоской проекцией физических процессов, происходящих на далёком 2D-экране на самом краю Вселенной.
Квантовая запутанность. Почему две запутанные элементарные частицы, даже если разнести их на противоположные концы Галактики, остаются связанными? Изменение состояния одной частицы мгновенно меняет состояние другой, что грубо нарушает релятивистский запрет на превышение скорости света. Если запутавшиеся частицы соединены между собой невидимыми пространственными туннелями – микроскопическими «кротовыми норами», то выходит, что квантовая физика управляет самой геометрией пространства-времени. Как такое вообще может быть?
Физики-теоретики предполагают, что решить эти фундаментальные загадки Вселенной и наконец-то объединить все силы природы могли бы дополнительные измерения. Под ними понимаются реальные физические измерения пространства, которые скрыты от наших глаз – возможно, в силу особенностей их геометрического строения (компактификации), возможно – из-за ограничений, наложенных эволюцией на самого человека. Теории, обосновывающие вероятность существования дополнительных измерений, такие как теория суперструн или М-теория, на сегодняшний день являются главными кандидатами на роль «Новой физики», которая должна будет стать универсальным ключом к решению всех неразрешимых проблем. Следы скрытых измерений упорно ищут с помощью сложнейших экспериментов на ускорителях заряженных частиц и изучая космические гравитационные волны от слияния чёрных дыр. Но до сих пор науке не удаётся найти никаких реальных, проверяемых и воспроизводимых доказательств их существования. Поэтому все многомерные теории пока остаются лишь гипотезами.
Обычная мерность стала слишком тесной для адекватного описания картины мира. Но если человек своим мятежным разумом способен понять эту тесноту, то ему по силам должно быть и обнаружить недостающую мерность. Возможно, мы просто не там её ищем? Не исключено, что мы не замечаем дополнительное измерение так же, как когда-то люди не замечали, что Земля – это объёмный шар, продолжая цепляться за плоскость. Может быть, нам нужно просто широко открыть глаза? Отказаться на время от привычной фрагментарности восприятия окружающего мира? Напротив – расширить фокус, вернуть мировоззрению целостность и системность осознания.
Что, если пятое измерение – это не дополнительная, хитро свёрнутая пространственная координата, а второе, нелинейное измерение времени? Что, если наш привычный мир – это всего лишь остывшая, твёрдая четырёхмерная «кора» на поверхности пятимерного океана Вселенной, крепко-накрепко закрытая фотонным замком? На этой границе расплавленные океанические волны застывают, кристаллизуясь в квантовые частицы и формы осязаемого вещества. Масса и гравитация оказываются не капризом материи, а отпечатком удержанной энергии комплексного времени.
Эта книга приглашает отважных первопроходцев к близкому и бескомпромиссному знакомству с физически существующей пятимерной реальностью. Мы найдём потерянное пятое измерение, откроем его необычные финслеровские свойства, заглянем за онтологический барьер. И главное – протестируем на собственном опыте некоторые его феноменальные возможности. Добро пожаловать в Пятое измерение!
Симметрия и экономичность
Красота в физике – это симметрия и экономичность, выраженные языком математики. Если огромные объёмы экспериментальных данных, промежуточных расчётов удаётся объяснить с помощью короткой математической формулы, то она экономична. Если формула, описывающая поведение физической системы, после перестановки частей остается прежней (инвариантной), то она симметрична.
Достижение симметрии и экономичности вызывает у физиков не просто эстетический восторг – это верные признаки рождения нового открытия или даже новой физической теории. Симметрией и экономичностью обладают законы Ньютона и Максвелла. У Эйнштейна и Минковского симметрия стала ещё более масштабной – здесь уравнения инвариантны в четырёх измерениях. К трём пространственным измерениям они добавили почти равноправное четвёртое – время, и переплели их в единый четырехмерный континуум: если двигаться или менять систему отсчета, то «кусочек» времени может превращаться в «кусочек» пространства, и наоборот. Физический смысл этой инвариантности означает, что законы гравитации одинаковы для всех наблюдателей во Вселенной, независимо от того, двигаются они с ускорением, покоятся или падают в чёрную дыру.
В квантовой теории симметрия приобрела ещё более фундаментальный характер, проявляясь в глобальных пространственно-временных, зеркальных и калибровочных симметриях. Здесь симметрия определяет сами свойства частиц и диктует, как эти частицы должны взаимодействовать. Например, если одновременно заменить частицы на античастицы, отразить в зеркале, заменив «правые» координаты на «левые», и пустить время вспять, то абсолютно любая квантовая система останется строго инвариантной, что означает, что масса и время жизни частицы и античастицы строго одинаковы. Если с квантовой системой совершить какое-то действие (повернуть, сдвинуть, поменять частицы на античастицы), вероятности исходов экспериментов и физические свойства (масса, заряды) не меняются.
Симметричность математических уравнений, лежащих в основании физических теорий, не случайна. Она отражает симметрию описываемых ими физических объектов и явлений – элементарных частиц, планет, звёзд, галактик. Симметрия – основополагающий физический принцип и инструмент Природы, посредством которого она создаёт свои вселенские шедевры. В микромире и в космосе её произведения являют нам не только красоту и гармонию, но и недостижимый для людей образец экономичной эффективности. Как звёзды, так и атомы, без всякого преувеличения, являются самыми настоящими природными «капсулами вечности», время их жизни исчисляется миллиардами лет.
Наша планета также является частью этой мировой гармонии. Силы тяготения равномерно сжимают её со всех сторон – у матери-Земли нет «точек-любимчиков» и «точек-пасынков», её объятия равны для всех. Именно поэтому Земля не является бесформенным куском горной породы, а имеет форму почти симметричного шара.
Совершенно иначе дела обстоят в срединном земном мире, в котором живёт человек. На поверхности планеты нет никакой симметрии. По ее телу в живописном беспорядке разбросаны асимметричные материки и моря, горные массивы и зелёные долины, пустыни и ледники. Её заселяют миллионы непохожих друг на друга представителей растительного и животного мира. По её поверхности хаотично, в любых направлениях перемещается человек. Он представлен только одним видом «Homo sapiens», но тоже не вписывается в систему – между людьми нет как внешней схожести, так и равенства, они отличаются по физическим и умственным способностям, по уровню материального достатка и своему социальному статусу.
Срединный мир не подчиняется уравнениям фундаментальной симметрии. Для проявления релятивистских эффектов его скорости слишком малы. Для проявления квантовых эффектов его массы слишком велики. Поэтому этот мир не представляет большого интереса для высокой физической науки, не входит в сферу целевого приложения сил теоретической физики.
И всё-таки существует нечто, что позволяет предположить причастность человека к всеобщей мировой гармонии, а значит, и к великим физическим теориям. Это «нечто» – физическая симметрия самого человека. Его внешность зеркально симметрична, левая сторона точно такая же, как правая – у нас по два глаза, два уха, две руки, две ноги. Зеркально симметричны некоторые наши внутренние органы – полушария мозга, почки, лёгкие. Устройство органов зрения человека демонстрирует нам ещё одну симметрию – не зеркальную, но не менее удивительную. Световой сигнал, пройдя через роговицу и хрусталик, создаёт на сетчатке каждого глаза перевёрнутую и уменьшенную проекцию видимого объекта, которую наш мозг затем переворачивает обратно и превращает в привычную картину мира, Иллюстрация 1.
Иллюстрация 1. Зеркальная симметрия (право-лево) и оптическая симметрия (верх-низ)
Каждый знает, что такое зеркальная симметрия. Простейшее и ежедневное действие для человека – посмотреть на своё отражение в зеркале или на свои руки. Сложим две ладони вместе, лицом друг к другу – они идеально соприкоснутся, палец к пальцу, Иллюстрация 2. Право-левая симметрия рук очевидна. Затем разведём ладони так, чтобы только большие пальцы касались друг друга. Мы просто изменили пространственное положение рук, но картина поменялась радикально. Особенно хорошо это видно по большим пальцам – теперь они направлены не в одну, а в разные стороны. Право-левая симметрия вновь не вызывает сомнений, но это уже совершенно другая картина, не похожая на предыдущую. В этом простом примере продемонстрирован парадокс право-левой симметрии: руки кажутся абсолютно одинаковыми, но они зеркальны, и их невозможно полностью совместить в пространстве.
Иллюстрация 2. Зеркальная симметрия
Если опуститься на молекулярный уровень человеческого организма, то и там мы обнаружим зеркальную симметрию, которая в данном случае называется хиральностью, а пара молекул, представляющих собой отражение друг друга по пространственному расположению атомов, – энантиомерами. Человек, как и другая живая материя, обладает необычным свойством, называемым хиральной чистотой: в базовом метаболизме любого организма всегда задействован только один из двух возможных энантиомеров. Аминокислоты, из которых состоят белки, имеют левую хиральность (L-аминокислоты), а моносахариды, входящие в молекулы ДНК и РНК, – правую (D-моносахариды). Зеркальные молекулы обладают одинаковыми физическими свойствами (плотностью, температурой кипения, температурой плавления), но по-разному реагируют на световое излучение, вращая плоскость поляризации света в противоположных направлениях. По-разному проявляются и их химические свойства: в ахиральных условиях они реагируют одинаково, но в хиральной среде, которой является человеческий организм, их биологическая активность может сильно различаться. Это важно в фармацевтике, когда разные энантиомеры одного и того же лекарства могут иметь совершенно разное действие: препарат может быть эффективным для лечения, но может оказаться бесполезным или даже токсичным для организма.
Зеркальная симметрия оказывается критически значимой для существования жизни и создаёт такой образ человека, при котором правая половина его тела полностью идентична левой, но эта идентичность мнимая. Левую руку нельзя переставить на место правой и наоборот. Категорически невозможно заменить правое на левое, в этом случае мы соберём набор недееспособных элементов, но никогда не получим системы – единого, жизнеспособного, деятельного целого.
Зеркальная симметрия не так элементарна, как можно было бы подумать. Неожиданно она оказывается самым странным и запутанным явлением на свете. Сегодня зеркальная симметрия находится в фокусе исследований передовой математики – топологии, теории чисел, бесконечномерных алгебр Ли. Она лежит в основе современной оптики, квантовой физики и теории струн.
Природа зеркально симметрична. Чётность, или зеркальная симметрия – один из трёх фундаментальных классов симметрии Вселенной наряду с обращением времени и зарядовым сопряжением. Закон сохранения чётности безупречно выполняется для всех сил и взаимодействий, кроме одного: в слабых взаимодействиях эта симметрия не сохраняется. Фундаментальной науке пока не удаётся понять, почему в слабых взаимодействиях участвуют исключительно «левые» частицы, спин которых направлен противоположно импульсу, в то время как «правые» полностью игнорируются. Соответственно, для античастиц всё происходит ровно наоборот: в слабом взаимодействии задействованы только «правые» античастицы. Возможно, это исключение является лишь подтверждением главного правила зеркальной симметрии – у Вселенной, как и у человека, нельзя произвольно заменить правое на левое без разрушения «центральной нервной системы» всего природного механизма.
Человек является неотъемлемой частью вселенской симметрии. Он не выведен за рамки всеобщих физических законов. Поэтому есть все основания посмотреть на человека под необычным ракурсом – не столько как на биологический объект, сколько как на физическую систему.
Загадочный спин
У частиц, помимо массы и заряда, есть фундаментальная характеристика – спин (от англ. spin – вращаться), представляющий собой их собственный, внутренний момент импульса. Это не означает, что электрон можно представить в виде крошечного вращающегося волчка. Если бы электрон действительно крутился вокруг своей оси так быстро, чтобы создать свой магнитный момент, его «экватор» должен был бы вращаться в разы быстрее скорости света. А это запрещено теорией относительности. К тому же электрон – это точечная частица, у него физически нет «экватора», который мог бы вращаться.
Хотя сам по себе спин не является механическим вращением в пространстве, он ведёт себя как маленькая стрелка компаса. Если частица летит вперед и её «стрелка» смотрит по направлению движения – у неё правая спиральность. Если же «стрелка» направлена назад, противоположно вектору движения, – левая спиральность. Если электрон (у которого есть масса) обогнать на гипотетической ракете, то для нас направление его пространственного перемещения изменится, а стрелка спина – нет, то есть его спиральность перевернётся. А безмассовый фотон всегда летит со скоростью света, его обогнать невозможно, его «стрелка» намертво привязана к направлению его калибровочного движения для абсолютно любого наблюдателя во Вселенной. Этот парадокс доказывает: спин не связан с перемещением частицы в обычном трёхмерном пространстве, но отражает существование иного пространства ее состояний, отличного от обычного пространства.
Вся Вселенная состоит из двух типов частиц: одни обладают полуцелым спином (фермионы), а другие – целым (бозоны). Различие спинов отражает разные роли частиц в устройстве мироздания: одни отвечают за материю, другие – за взаимодействия. Принцип запрета Паули налагает на фермионы строгие ограничения: в отличие от бозонов, два и более идентичных фермиона в одной квантовой системе не могут одновременно занимать одно и то же квантовое состояние. Например, если два электрона находятся на одной атомной орбитали, то три их квантовых числа одинаковы, поэтому направления проекции их спинов обязаны быть противоположными: «вверх» (+½) или «вниз» (-½). Именно поэтому вещество обладает объёмом и не схлопывается. Бозоны же являются переносчиками сил и взаимодействий, они могут собираться в одном состоянии в неограниченном количестве, формируя физические поля.
Понятие спина можно проиллюстрировать через геометрическую симметрию. Если представить спиновое число как показатель формы, оно указывает – на сколько частей нужно разделить полный оборот объекта (360°), чтобы он вернулся в состояние, неотличимое от начального. Например:
· Спин 0. Эти объекты выглядят одинаково с любой стороны, как их не вращай. Например, одноцветный мяч, круглая бусина без дырочек, просто точка. Им не нужен поворот, чтобы совпасть с самими собой.
· Спин 1. Эти объекты возвращаются в начальное состояние только при повороте на 360°. Например, лежащая на столе книга после поворота на 360° будет лежать так же, как и до поворота.
· Спин 2. Эти объекты возвращаются в начальное состояние уже после полуоборота. Например, лежащий на столе незаточенный карандаш или игральная карта после поворота на 180° будут лежать так же, как и до поворота.
· Спин ½. Это уже гораздо более сложные объекты – в начальное состояние они возвращаются только после двух полных оборотов, то есть после поворота на 720°. Наглядно это можно представить только в виде кольца Мёбиуса.
На самом деле у всех этих объектов никакого спина нет. По той простой причине, что у них нет собственного встроенного момента импульса – они не могут сами по себе развернуться. Для их поворота необходимо совершить механическую работу с приложением внешней силы. В рассмотренных примерах эту работу совершает человек, прикладывая свои усилия.
Зато собственный момент импульса есть у человека! Для разворота ему совсем не обязательно вмешательство внешних сил. Как же определить его спин? Ведь у человека много степеней свободы – он может вращаться не только относительно своей центральной вертикальной оси, но и относительно горизонтальной, относительно правого бока или левого. Определиться поможет эксперимент с рукой – главнейшим эволюционно значимым и способным к самой разнообразной моторике органом человека, Иллюстрация 3.
Возьмём чашку, нальём немного воды и поставим её на ладонь правой (если левша – левой) руки. Начнем вращать ладонь против часовой стрелки, следя, чтобы вода не вылилась. Поворот ладони на 360° привёл к полному обороту чашки, но сама рука оказалась неестественно перекручена в суставах. Мы вернули чашку в прежнюю ориентацию, но вся система (чашка + рука) не вернулась в исходное состояние. Нам придётся продолжить вращение, приложив некоторые усилия и немного поднимая руку вверх. И только совершив поворот ладони на 720°, рука вернется в привычное, комфортное для нее положение.
Иллюстрация 3. Эксперимент с рукой и чашкой – наглядная демонстрация геометрии спина 1/2
Этот эксперимент, известный в физике как «трюк с чашкой Дирака», наглядно объясняет, почему в геометрии фермионов (спин ½) поворот на 360 градусов меняет состояние частицы, а поворот на 720 градусов возвращает её «в норму». Для нас в этом эксперименте важнее другое: у человека есть собственный встроенный момент импульса, и он идеально совпадает со спином ½, что соответствует спину фермионов. Спин ½, воспринимающийся как квантовая магия, у которой нет аналогов в нашем обычном макромире, неожиданно обнаруживается у человека!
Собственный момент импульса – это не момент вращения, спин человека, как и спин элементарных частиц, нельзя свести исключительно к способностям вращения. Эксперимент с кручением руки приведён здесь лишь как наиболее простой и объективный способ определения спинового числа. В повседневной жизни возможности причудливых кульбитов спина ½ мы почти не используем, нам гораздо проще поворачиваться на 180° или 360°. Отсюда следует, что спин человека – величина переменная, подверженная флуктуациям.
Человек, как высокоорганизованная живая материя, разумеется, отличается от всей прочей материи. Однако эти различия оказываются не такими уж непримиримыми. Помимо зеркальной симметрии физическая система человека обладает наличием собственного встроенного момента импульса. В квантовой физике подобные структуры математически описываются как спинор – сложный объект, скорее аналоговой, чем цифровой природы, который непрерывен, геометричен и завязан на плавные изменения фазы.Учитывая, что спин – это очень важная, но в большей степени квантовая характеристика, малообъяснимая в рамках классической физики, нам нельзя пройти мимо запутанного квантового мира.
Квантовые фокусы
Понятию «квант» (от лат. quantum – «сколько») физика обязана Максу Планку. В 1900 году он выдвинул гипотезу о том, что энергия излучается нагретыми телами не непрерывным потоком, как утверждала классическая волновая теория, а распространяется дискретными порциями – квантами. Он рассчитал величину этих «пакетов» энергии через новую константу – постоянную Планка h, которая равна 6,6 × 10 -34 Дж·с, которую также называют «квантом действия». В силу своей микроскопической величины эта фундаментальная константа делает квантовые эффекты незаметными в нашей повседневной жизни, хотя именно она определяет стабильность всей макроскопической материи.
В 1905 году пока ещё малоизвестный Альберт Эйнштейн, развил эту идею, применив квантовую теорию Планка к свету, и доказал, что свет не просто распространяется как волна, но также поглощается и излучается как поток неделимых частиц – квантов электромагнитного излучения. Позднее этот квант света получил своё собственное имя – фотон. Множество фотонов, движущихся вместе, образуют то, что в макромире мы воспринимаем как непрерывную электромагнитную волну.
Физиков удивила странная двойственность света, но настоящее потрясение они испытали, когда выяснилось, что электрон, всегда считавшийся твёрдой частицей, тоже ведёт себя как волна. В экспериментах пропущенный через две щели пучок электронов рисовал на экране не две вертикальные полосы, что было бы логично для твёрдых частиц, а сразу группу полос – типичную картину интерференции волн. Даже когда электроны запускали строго по одному, картина не менялась: один электрон словно проходил через две щели сразу. Мало того, оказалось, что электроны способны совершать «квантовые скачки» – мгновенно менять своё положение в атоме, вообще не находясь в промежуточном пространстве между орбитами. Это не укладывалось в голове! Если электрон обладает волновыми свойствами, тогда что возмущает среду, в которой существует эта волна? Что колеблется? А если электрон – частица, то как он может в одно и то же время находиться в двух местах?
Ответ дал Макс Борн в 1926 году, заявив, что колеблется вероятность нахождения электрона в данной точке. Невозможно точно и наверняка определить, где находится электрон. Единственное, что мы можем знать – это вероятность его обнаружения. Эту фундаментальную случайность закрепил Вернер Гейзенберг, сформулировав свой знаменитый принцип неопределённости, ставший одним из столпов квантовой теории. Принцип гласит: невозможно одновременно и с абсолютной точностью знать импульс частицы (произведение её массы на скорость) и её местоположение. Математически он выражается соотношением неопределённости по формуле, где погрешность измерения координаты, умноженная на погрешность измерения импульса, всегда должна быть больше или равна редуцированной постоянной Планка, делённой на два. Это накладывает жёсткое ограничение: если мы до предела точно определяем координаты частицы, то её импульс (и скорость) становится совершенно непредсказуемым. И наоборот: как только мы точно измеряем скорость, электрон мгновенно «размывается» в пространстве, лишая нас возможности узнать его координаты.
Принцип неопределённости аналогичным образом связывает не только координаты и скорость, но и другие пары взаимно увязанных характеристик частиц. Так, невозможно одновременно безошибочно измерить энергию квантовой системы и точно определить момент времени, в который она этой энергией обладает. Неопределённость является следствием корпускулярно-волнового дуализма. Элементарная частица обладает свойствами волны, а волна по самой своей природе «размазана» в пространстве и времени.
В 1927 году Нильс Бор и Вернер Гейзенберг сформулировали Копенгагенскую интерпретацию, согласно которой квантовая механика описывает не микрообъекты сами по себе, а их свойства, проявляющиеся в процессе взаимодействия с макромиром – классическими измерительными приборами. Именно акт измерения вызывает мгновенное схлопывание, «коллапс волновой функции», превращая вероятности в конкретный факт.
Копенгагенскую интерпретацию сами физики иногда иронично сравнивают с философией епископа Беркли, который задавал вопрос: если в лесу падает дерево и вокруг нет никого, кто мог бы это услышать, производит ли его падение звук? Квантовая теория не отвечает на этот вопрос однозначным «да» или однозначным «нет». Её ответ куда более неприятен, чем сам вопрос: если рядом с деревом никого нет, то это дерево существует как сумма множества потенциальных состояний. Оно может одновременно расти, падать или существовать, например, в виде поленницы дров. И только в момент «наблюдения» – когда прибор или окружающая среда фиксируют объект – его волновая функция чудесным образом схлопывается, превращаясь в конкретный объект.
Твердыни, которые совсем недавно казались незыблемыми, прямо на глазах превращались в зыбучие пески. Такое понятное и вполне определённое будущее предсказать уже было нельзя – можно говорить только о вероятности того или иного течения событий. На этом поле вероятностей возникал пусть небольшой, но всё же шанс для невероятного – какой-нибудь немыслимой чертовщины, противоречащей здравому смыслу. Квантовая «ересь» взорвала мир физики и расколола его на два лагеря. Вместе с ним вдребезги рушилась вообще вся прежняя мировоззренческая вселенная, требуя философского переосмысления физической реальности. Новый фундаментальный закон – принцип неопределённости – безжалостно разрушал фундамент классического детерминизма. Больше не существует ни однозначной определённости в природе, ни высшего промысла – миром правит случайность. Прежний, понятный мир был разрушен навсегда.
Амбассадорами лагеря сторонников квантовой теории были Бор и Гейзенберг, а противниками оказались Эйнштейн и Шрёдингер, стоявшие у её истоков. Признавая несомненные успехи новой теории и даже временами искренне восторгаясь ими, отцы-основатели открыто недолюбливали своё дитя за его непредсказуемый характер. Шрёдингеру, автору волновых уравнений, применяемых для решения квантовых задач, она не нравилось настолько, что он даже сожалел о своей причастности к ней. В одной из своих статей он отмечает, что квантовая механика «пока всего лишь удобный трюк, который, однако, приобрёл… чрезвычайно большое влияние на наши фундаментальные взгляды на природу». Вечным оппонентом квантовой теории оставался и Эйнштейн. В пылу жарких научных споров он не раз восклицал: «Бог не играет в кости со Вселенной!». Великий учёный не отвергал теорию полностью, но не мог принять её в качестве окончательного варианта для фундамента физики. Эйнштейну не хватало в ней единства, целостности, полноты картины мира, какого-то скрытого, но очень важного параметра.
В 1935 году после опубликования статьи Эйнштейна-Подольского-Розена о неполноте квантовой механики Шрёдингер направил Эйнштейну письмо со словами поддержки и в продолжение темы предложил мысленный эксперимент, который, как предполагалось, позволит высмеять и наглядно продемонстрировать абсурдность Копенгагенской интерпретации. Эксперимент получил широкую известность как парадокс «кота Шрёдингера», Иллюстрация 4.
Иллюстрация 4. Кот Шрёдингера. Кот в условиях квантовой неопределенности. Кот жив или кот мёртв?
Кот помещается в закрытую коробку. За перегородкой находится «дьявольская машина»: счётчик Гейгера, крупинка радиоактивного вещества и синильная кислота. Когда атом вещества распадётся, вылетит элементарная частица, счетчик Гейгера сработает и приведёт в действие молоточек. Он разобьет колбу с синильной кислотой и кот тут же отравится. Когда вылетит частица никто не знает, но наблюдателю задается вопрос: кот жив или мёртв? Так как распад атома – исключительно квантовое событие, то и кота придется описывать как квантовый объект. До тех пор, пока коробка закрыта и изолирована, кот находится в состоянии суперпозиции. Он существует в виде суммы двух волновых функций: одна описывает живого кота, другая – мёртвого. Вероятность 50%, что атом не распался и кот жив, такая же вероятность, что атом распался и кот мёртв. Живой и мёртвый кот как бы смешаны внутри объёма коробки. Если следовать копенгагенской интерпретации, единственный способ определить судьбу кота – зафиксировать результат, то есть открыть короб и произвести наблюдение.
По замыслу Шрёдингера суть эксперимента состояла в том, что неопределённость на квантовом уровне неизбежно приводит к неопределённости, размытости в макроскопическом масштабе. Это в корне противоречит требованию определённости состояний макрообъектов, независимо от их наблюдения и, следовательно, не позволяет принять «модель размытости» в качестве реальной картины мира. Эйнштейну эксперимент понравился, хотя он рассматривал его суть несколько по-иному – как возможность статистического описания эксперимента и статистического опровержения копенгагенской интерпретации.
Аргументы Эйнштейна и Шрёдингера не могли остановить дальнейшее триумфальное развитие квантовой физики, напротив, помогли работе над прояснением других её важных основ. Со временем старая Копенгагенская интерпретация теории утратила свою абсолютную монополию, уступив часть позиций гораздо более радикальной многомировой интерпретации. В новой трактовке Вселенная расщепляется надвое, где в одной Вселенной кот жив, а в другой – мёртв. Или на множество Вселенных, где каждое квантовое событие ежесекундно множит ткань мироздания, превращая Вселенную в колоссальный, вечно ветвящийся Мультиверс, а кот существует во всевозможных состояниях.
Научная и философская проблема физической реальности так и осталась нерешённой. И хотя физики доказали, что «скрытых параметров» внутри самих частиц нет, идея Эйнштейна о поиске Единой теории поля сегодня актуальна как никогда. Нынешняя Стандартная модель микромира при всей её точности не способна описать гравитацию, а значит – картина Вселенной остаётся неполной. Всё больше исследователей обращаются к поиску новой, более глубокой реальности. Учёные предполагают, что могут существовать пока не обнаруженные элементарные частицы (например, тяжёлые стерильные нейтрино, частицы тёмной материи или кванты гравитации), которые не вписываются в привычные рамки, но способны распутать клубок квантовых парадоксов. Прямо сейчас поиски этих недостающих элементов вселенской мозаики ведутся в глубинах космоса и на мощнейших ускорителях.
Из элементарных частиц состоит всё известное нам вещество, вся таблица Менделеева. Атом представляет собой размытое облако электронов, окружающих крохотную плотную сердцевину, где сосредоточена почти вся масса – ядро, состоящее из протонов и нейтронов. Оно примерно в 100 тысяч раз меньше самого атома. То есть в нашей реальности пустоты гораздо больше, чем «твёрдости». Если бы атомное ядро было размером с горошину, то сам атом разросся бы до размеров футбольного стадиона. Если бы удалось полностью убрать всё свободное пространство из атомов человеческого тела, то гигантская масса человека сжалась бы до объекта, который невозможно разглядеть даже в микроскоп – он был бы в тысячи раз меньше крохотной песчинки. А всё человечество, избавленное от межатомной пустоты, легко уместилось бы в одном кубике сахара.
Однако оказывается, что могут существовать и другие атомы, экзотические. В так называемом мюонном атоме на место одного из электронов встраивается отрицательный мюон, характеристики которого совпадают с характеристиками электрона во всём, кроме массы и времени жизни (мюон нестабилен). Из-за того, что мюон тяжелее своего собрата–электрона в 207 раз, мюонная орбиталь меньше электронной ровно на столько же. Соответственно, и размер мюонного атома получается в 207 раз меньше обычного. Но ядро-то остаётся прежним. Поэтому для мюона вероятность оказаться внутри ядра возрастает в 2073, то есть почти в девять миллионов раз больше по сравнению с электроном. В случае с тяжёлыми атомами радиус орбиты мюона становится меньше радиуса ядра. Облако находится уже не во вне, а начинает струиться где-то в недрах ядра. Схематичное сравнение обычного и мюонного атомов показано на Иллюстрации 5. Такое строение мюонного атома, похожее на коробочку с квантовым сюрпризом, кардинально меняет его физические свойства.
Иллюстрация 5. Сравнение моделей обычного (слева) и мюонного (справа) атомов
Экзотический квант
Понятие «экзотическая материя» применяется в физике элементарных частиц, в теории о строении «кротовых нор», используется при создании материалов с необычными свойствами. Так называют вещество или поля, которые нарушают привычные физические закономерности и ведут себя принципиально иначе по сравнению с обычным веществом. Образцы некоторых видов экзотической материи учёным удаётся получить на практике, как, например, мюонные атомы или отрицательную энергию вакуума в эффекте Казимира. Существование других допускается пока лишь гипотетически, например, вещество с антигравитационными свойствами или материя с отрицательной массой.
С полным правом к экзотической материи можно отнести и человека. Он обладает целым набором характеристик, нарушающих законы физики. Человек, в отличие от всей прочей материи, бесцеремонно попирает главное достояние физической науки – он нарушает энергетические условия.
Соблюдение энергетических условий означает, что камень никогда не покатится от подножия на вершину горы – он может только падать вниз с вершины. Река не потечёт в гору, она способна лишь стекать с неё, а на равнине будет искать себе русло, огибая все возвышения рельефа и стремясь к уровню Мирового океана. Всё в природе покорно следует по пути наименьшего сопротивления. Всё, кроме человека – он устремлён к достижению вершин. Даже если у него нет намерения покорить Эверест, он стремится к достижению иных вершин: профессиональных, спортивных, научных и т. д. И даже если человек не стремится ни к каким высотам, ему всё равно приходится ежедневно преодолевать энергетический барьер: учиться, справляться с трудностями, выстраивать отношения, добывать хлеб насущный, заботиться о близких и т. д. Преодоление – это то, что движет прогрессом человеческого общества. Не свободное скольжение по физической глади жизни, а осознанная воля к преодолению делает человека человеком и отличает его от всех иных видов живой и неживой материи.
Человек преодолевает даже силу гравитации. Разумеется, он, как и любое физическое тело на Земле, непрерывно испытывает на себе силу тяжести. Но, в отличие от камня, он способен активно противостоять ей – например, просто подпрыгнув. На первый взгляд, это обыденное действие, но на фоне пассивной неживой материи оно уникально. Человек задействует внутреннюю химическую энергию организма, заставляя мышцы ног совершать работу и передавать телу импульс, направленный против вектора земного притяжения. Это не нарушение законов физики, но локальная победа одной силы над другой. Благодаря этому он может перемещаться по поверхности планеты в любом направлении. В процессе освоения ближнего космоса человек смог полностью разорвать оковы земного притяжения. Для этого ему потребовалась дополнительная энергия химического топлива, но он смог её получить и использовать.
Человек – это сложная система, состоящая из множества молекул, клеток, органов, подсистем. При этом каждый отдельный элемент, обособленная часть, оторванная от связей с системой человеческого организма, сама по себе не имеет абсолютно никакого значения. Человек – это единое целое, которое несравненно больше, чем просто сумма его частей. В этом органическом единстве он выступает как неделимая частица. Человека с полным на то основанием можно назвать антропным квантом.
Квант, конечно, не типичный, экзотический, но это именно квант:
· Во-первых, человек обладает собственной внутренней энергией – способностью к осознанному действию, творчеству, труду. Этот внутренний импульс рождается внутри самой системы, а не вызывается внешним механическим воздействием.
· Во-вторых, энергия одного человека – это минимальная, элементарная порция энергии разумной живой материи. Меньше просто не бывает.
· В-третьих, энергия, которой располагает человек, является неделимой величиной. Человек может поделиться результатами работы своей энергии, но не может поделиться самой энергией.
Антропный квант обладает физическими характеристиками, которые можно описать языком точных величин: массой, ростом, возрастом, мышечной силой, скоростью движения, артериальным давлением, температурой тела. Эти параметры динамически меняются под влиянием множества внутренних и внешних факторов, особенно в процессе биологического взросления и старения. Однако они никогда не могут выйти за рамки строго определённого, эволюционно заданного диапазона.
Антропный квант функционирует как эффективная энергетическая машина, работающая по законам физики, и являющаяся одновременно:
· Потребителем энергии – непрерывно поглощает энергию из окружающей среды в виде пищи и кислорода;
· Преобразователем энергии – трансформирует химическую энергию молекул в механическую работу мышц, электрические импульсы нервной системы и тепло;
· Генератором энергии – вырабатывает собственное электромагнитное и тепловое поле, непрерывно излучая его в пространство;
· Аккумулятором энергии – запасает энергетические резервы на молекулярном уровне в виде гликогена и молекул АТФ, обеспечивая системе автономность и выживание в периоды дефицита.
В среднем около 70-80% суточной энергии человек расходует «на себя» – на основной обмен, связанный с базовым жизнеобеспечением: на поддержание непрерывной работы внутренних органов и на переваривание пищи. Самым энергетически затратным органом является мозг. Составляя всего 2% от общей массы тела, он никогда не прекращает свою деятельность. В состоянии полного покоя мозг забирает около 10% всей энергии организма, при умственной активности этот показатель возрастает до 25%, а в стрессовых ситуациях достигает 40%. На движение, совершение внешней работы и осознанное преобразование окружающего мира у человека остаётся не так много – в среднем от 20% до 30% суточной энергии.
Антропный макро-квант, как мы ранее выяснили, обладает собственным спином. Это уже чисто квантовая характеристика. Что именно она даёт человеку в энергетическом плане – неизвестно, это совершенно не исследованное поле, никто не изучал этот вопрос. Если обратиться к аналогиям в микромире, то там спин является не просто характеристикой, а главным регулятором квантового мира. Именно он управляет поведением частиц, заставляя их нарушать все законы нашей привычной макроскопической логики. Спин решает, будет ли частица строить твёрдое вещество или превратится в пронизывающее пространство силовое поле. Спин порождает у частицы собственный магнитный момент, даже если у неё нет электрического заряда. Благодаря спину частицы способны объединяться в коллективы с абсолютно фантастическими свойствами. Яркий пример тому – сверхпроводимость, при которой электроны текут по металлу без малейшего сопротивления, а наведённый ток может циркулировать в замкнутом кольце миллиарды лет, не угасая. Другое проявление – сверхтекучесть, когда атомы жидкости синхронизируются настолько, что полностью теряют трение. Субстанция обретает способность без всякого давления течь вверх по стенкам сосуда и выливаться наружу, просачиваясь сквозь микроскопические поры. Следуя аналогиям из микромира, можно предположить, что спин – это очень важная характеристика человека, связанная с его жизненной энергией, с самой жизнью.
Для антропного кванта выполняется аналог принципа суперпозиции. Это тоже квантовая характеристика. Базовыми энергетическими состояниями человека являются сон и бодрствование. Сами по себе они дискретны и ортогональны: активный человек не может спать, а спящий – бодрствовать. Коллапс волновой функции сознания всегда переводит нас в одну из этих крайностей.
Есть у антропного кванта и своя «постоянная Планка», связанная с суточным циклом жизнедеятельности. Она характеризует масштаб неделимого «кванта действия», необходимого для перевода всей системы из одного базового энергетического состояния в другое – из фазы сна в фазу активного бодрствования и обратно. Антропная постоянная Планка – это наш собственный минимальный «квантовый шаг», суточный спинорный оборот в 720°.
В микромире фундаментальная постоянная Планка (h) определяет границу, ниже которой детерминизм ОТО уступает место квантовой вероятности. Она равна ничтожным 6,6 × 10 -34 Дж·с. Наш макроскопический квант несоизмеримо отличается от атома, поэтому и его константа несоизмеримо больше. Суточный баланс человеческой энергии и времени рождает «антропную константу» порядка 10 11 Дж·с. Таким гигантским квантовым скачком мы совершаем фазовый переход «сон-бодрствование». Разница между этими двумя константами составляет сорок пять порядков – на такую астрономическую величину наш «шаг» отличается от «квантового шага» атома.
В фундаментальной физике разрывы подобного масштаба встречаются лишь при описании глобальной архитектуры Вселенной. Например, электромагнитное отталкивание электрона и протона на сорок порядков сильнее их гравитационного притяжения – именно эта колоссальная разница сил позволяет крохотному школьному магниту удерживать скрепку, побеждая притяжение всей планеты. Столь же гигантская дистанция в сорок пять порядков отделяет мыслящего человека от элементарной частицы, наглядно иллюстрируя, какой невероятный мост из энергии и времени природа возвела между микромиром и человеческим разумом.
Кот Шрёдингера – 2
Проведем со злосчастным котом Шрёдингера другой эксперимент, в обратном порядке и на этот раз без урана и кислоты. Мы не будем ждать момента, когда кот перейдёт в смешанное состояние. Вместо этого привлечём кота, который с самого начала эксперимента находится в неопределённом, «размытом» состоянии для внешнего мира.
Возьмём прикрытую коробку, где находится спящий кот. Наблюдателю предстоит ответить на тот же сакраментальный вопрос: кот жив или мёртв? При этом ему запрещено открывать коробку или производить любое иное возмущение среды. Теперь сам наблюдатель оказывается в тисках квантовой неопределённости: он видит координату кота – коробку, но его сигнальная система (зрение, слух) лишена возможности замерить импульс квантового объекта: кот не перемещается и из коробки не доносится ни звука. Пока кот безмятежно спит, для наблюдателя вероятность 50%, что там находится живой кот, и точно такая же вероятность, что мёртвый. Состояния смешаны. Но как только от кота регистрируется первый информационный импульс – он замяукал, заскрёбся или высунул голову наружу, – волновая функция неопределённости мгновенно схлопывается. Информационный мост построен, и для наблюдателя становится очевидным неоспоримый факт: кот жив, Иллюстрация 6.
Иллюстрация 6. Кот Шрёдингера-2
Наблюдатель в условиях квантовой неопределенности. Кот жив или мёртв?
Задача перед нашим экспериментом стоит та же, что и в его оригинальной версии: попытаться обнаружить за квантовой механикой более глубокий, скрытый физический фундамент, позволяющий перейти от тумана вероятностей к определённости и смоделировать «кошачью» систему с помощью строгой детерминированной физики. Однако само поле поиска в нашем случае кардинально меняется. Нам больше не нужно смешивать, а затем пытаться как-то разделить живого и мёртвого кота. Мы будем вести поиски вдоль тонкой границы, отделяющей спящего кота от проснувшегося.
Сон является естественным физиологическим состоянием человека и имеет чётко выраженную суточную цикличность. Он обеспечивает организм отдыхом, играет важную роль в процессах метаболизма, способствует переработке и хранению информации, восстанавливает иммунитет и защитные силы организма.
Природа сна, на которую наброшен покров чего-то мистического, интересовала людей во все времена. Древние греки считали ночной сон и сон вечный близкими явлениями. Аристотель описывал сон как «пограничное состояние между жизнью и не-жизнью». При этом люди всегда замечали и использовали целебную силу сна. Изучением его природы занимались выдающиеся русские ученые-физиологи И. М. Сеченов и И. П. Павлов, советско-израильский психофизиолог В. С. Ротенберг, основатель психоанализа З. Фрейд и другие. Исследованию сна посвятил свою жизнь уроженец Российской империи американский нейрофизиолог Н. Клейтман, обнаруживший и описавший разные фазы сна, в том числе фазу быстрого сна (БДГ-фазу или REM-фазу).
Природа сна активно изучается, однако она по-прежнему ставит больше вопросов, чем даёт ответов. Медицина исследовала человека вдоль и поперёк, просеяла его биологию до мельчайших молекул, научилась ювелирно редактировать геном, создавая организмы с заранее заданными характеристиками. При всём том до сих пор неизвестно, для чего вообще нужен сон. Когда-то считалось, что сон необходим для вывода токсинов, которые накапливаются за время бодрствования и начинают отравлять мозг, но никаких специфических «ядов сна» наука так и не обнаружила. Сон необходим для отдыха уставшего тела? Но люди с атрофией мышц, чьи тела неподвижны, нуждаются в нём точно так же. Сон нужен для передышки мозга, перегруженного дневной информацией? Но оказалось, что мозг во время ночного отдыха не только не отключается, а наоборот – в определённые фазы его нейроны работают даже более интенсивно, чем во время самого активного бодрствования.
Учёными прорабатываются различные теории, каждая из них открывает какие-то важные детали, но эти детали, как выпавшие кусочки мозаики, не дают представления об общей картине. Общепринятой точки зрения относительно природы сна не существует.
Объективно сон сопровождается кардинальным изменением всех физических параметров человека:
· Мышечный тонус: падает до минимума, двигательная активность практически полностью затихает.
