Квантовая теория
Тогда же, в апреле 2005 года, д-р Джеффри Сатиновер прочитал лекцию о квантовой механике и о ее далеко идущих выводах.
Я поведу речь, что называется, о «передовой науке», хотя по сравнению с наукой каббала она довольно примитивна. В пример можно привести человека, не имеющего представления об орехе и нашедшего ореховую скорлупу. Потратив массу времени на исследования, с годами он склоняется к тому, что речь идет о совершенно мертвом и безжизненном объекте. Однако в конце концов, после многолетних и изнурительных изысканий, после тщательной проверки путаных данных о внутренней части скорлупы, он делает вывод о том, что в его руках оболочка живого объекта, которая, по всей видимости, содержала в себе нечто живое и развивающееся, а значит, отличное от нее.
Аналогия эта говорит о том, что современная наука на протяжении столетий с большим успехом изучала один лишь физический мир, полагая, что он и представляет собой всю реальность. Базовое допущение гласило: физический мир является мертвой и безжизненной реалией, и кроме нее ничего не существует.
С другой стороны, в последнее время наука пришла к заключению о том, что если подвергнуть чисто физический мир скрупулезному анализу, мы сумеем отыскать в нем тонкие намеки и доказательства того, что это лишь скорлупа и что существует живая непреложная реалия, которую эта скорлупа покрывает.
Я попытаюсь объяснить вам, почему именно современная квантовая теория стала чем-то вроде пограничной науки. Вокруг нее ведется широкая полемика, а потому я представлю на ваше рассмотрение лишь то, что является правильным на мой взгляд. В любом случае рекомендую вам изучить предмет, чтобы иметь возможность ознакомиться с мнениями других исследователей и прийти к самостоятельным выводам. Хотел бы подчеркнуть, что квантовая механика и современная наука ни слова не говорят о каббале и о духовности, однако утверждают, что физический мир это не «предел». Они доказывают, что существует «нечто иное», однако не в их силах хоть как-то охарактеризовать это «нечто». Для меня очень важно четко выделить данный момент.
Все, что нам известно, вся титаническая сила квантовой теории и ее выводов о физическом мире приводят нас к двум заключениям:
-
Обязательно должно существовать нечто за пределами физического мира.
-
Нам ничего не известно об этом факторе, и мы не в силах исследовать его при помощи науки.
Часто нам хочется, чтобы наука послужила инструментом для изучения духовности, однако ученые, и среди них лучшие физики, поняли, что это невозможно. Наука может служить интеллектуальным проводником, подводящим нас к пониманию того факта, что существует нечто иное. Выражаясь каббалистически, она может стать тем средством, которое приведет нас к осознанию «точки в сердце». Туманнейшая математика квантовой механики способна быть инструментом, позволяющим человеку осознать существование «точки в сердце». Однако шагнуть еще дальше наука не в состоянии.
Попробую дать краткое и легкое введение в квантовую теорию. Опасения излишни: не прибегая к заумной математике, я воспользуюсь тем языком, который вам наверняка знаком. Если раньше вы не находили в нем логики – поздравляю, потому что так и должно было быть.
Древние каббалисты сказали, что невозможно представить себе истинную природу реальности. К аналогичному пониманию пришла и современная квантовая механика. Невозможно использовать язык или мысленные образы, чтобы должным образом понять природу физической реальности. К примеру, многие из вас слышали известное утверждение о том, что, поняв материю как должно, мы видим, что она одновременно является волной и частицей. Высказывание это довольно модно и легко сходит с уст. Возможно, вы представляете себе что-то такое в своем мозгу и рисуете перед мысленным взором маленькое уравнение, однако это не более чем ряд символов, лишенный всякого смысла. Нет никакого способа сделать так, чтобы он показался логичным с первого же взгляда.
Осознав истинный смысл вещей, можно понять и то, что уже было мной сказано: квантовая теория позволяет нам выявить рубежи современной науки и констатирует, что существует «нечто» вне физического мира как такового. Чтобы объяснить это, я упомяну в продолжение лекции поразительный феномен, развивающийся в исследовательской сфере – квантовые вычисления [1].
Кроме того, я представлю на ваше рассмотрение наглядный эксперимент, теоретически описанный еще в 60-е годы Ричардом Фейнманом (1918-1988), одним из величайших физиков ХХ столетия, лауреатом Нобелевской премии. Пример этот по сей день остается самым сжатым описанием тайны, окутывающей квантовую механику. В последующие годы этот эксперимент был проведен на частицах разных видов. Я попытаюсь объяснить, почему он демонстрирует нам границы науки и прямо указывает на существование «чего-то» вне пределов простого материального мира.
На протяжении поколений основополагающая точка зрения науки не отличалась от воззрений Эйнштейна. Она и сегодня распространена среди многих ученых мира. Эта концепция утверждает, что не существует ничего за пределами физического мира. Поскольку наш мозг состоит из одних лишь физических частиц, постольку любое отдельное событие, то есть любое взаимодействие одной частицы с другой полностью определяется положениями частиц и их движениями в предыдущий момент времени. Это относится ко всем событиям физического мира, включая то, что происходит в нашем теле, в нашем мозгу, в наших мыслях и в наших взаимоотношениях.
Иными словами, вся физическая вселенная, включая всех нас, представляет собой безжизненный механический аппарат, неизбежно и неотвратимо развертывающий свою деятельность. Любое кажущееся восприятие, ощущение того, что мы человеческие существа и что у нас есть сознание, чувства и намерения – все, что мы делаем здесь сейчас, и все остальные аспекты нашего человеческого бытия – это просто иллюзия. Нет любви, нет ненависти, нет страсти и нет даже удовлетворения. Мы мертвые частицы в сложных соединениях, образовывающихся с течением времени.
Весь прогресс современной медицины базировался на этой точке зрения и достиг успеха исключительно благодаря ей. В результате многие из нас обязаны этому жизнью. Такой взгляд обладает большой силой, и отмахнуться от него невозможно. Хотя принцип этот безжалостен не только к нашему восприятию себя, но и к нашей потребности придать жизни значение и смысл, однако огромная часть мира функционирует согласно данной модели, какой бы отталкивающей она ни была.
Многие современные философы признали, что наряду с большой пользой, которую принесло такое воззрение, оно нанесло и ужасную рану проистекающим из него выводом о том, что жизнь в конечном итоге бессмысленна. К примеру, нацисты с легким сердцем перенесли эту точку зрения на многие сферы своей деятельности и достигли большого эффекта не только в качестве убийц, но и в качестве ученых. Часто подход современной медицины к людям оказывается хладнокровным и жестоким – главным образом, вследствие эффективности подобного взгляда на вещи.
Вычислительная техника [2] является как бы предельной очисткой и доводкой механистической точки зрения до математики и логики механических взаимодействий. Базой для современной вычислительной техники стала идея о том, что физическая реалия может находиться в нескольких возможных состояниях. Компьютер состоит из элементов, основанных на «битах» [3], и содержит их в огромном количестве. Бит – это физическая реалия, способная находиться в одном из двух состояний.
Современная квантовая механика открыла феномен с далеко идущими последствиями. Она утверждает, что возможны физические реалии, находящиеся в двух состояниях одновременно. Поверьте мне на секунду, что такое действительно бывает.
Смысл этого в следующем. У стандартного компьютера есть определенное количество состояний (N). В отличие от него количество состояний квантового компьютера определяется как 2 в степени n.
В лаборатории Йельского университета мы создали элемент с четырьмястами ячейками такого типа. В обычном компьютере количество битов огромно, и 400 ячеек по сравнению с ними представляются чем-то мизерным, однако такое устройство обеспечит для нас 2400 битов памяти – число столь колоссальное, что свыкнуться с ним просто немыслимо. Таким образом, речь идет о создании компьютеров с гигантскими возможностями, которые будут «творить чудеса». Трудно даже вообразить себе подобную мощь.
Как же возникло предположение о том, что два состояния могут существовать одновременно? Здесь самое время напомнить об эксперименте Фейнмана пятидесятилетней давности. Если в бак с водой помещено устройство, движущееся вверх-вниз и создающее волны, исходящие из двух разных источников, то волны эти будут пересекаться. В конечном итоге вследствие их пересечений мы получим модель, которая называется «интерференцией волн» (см. чертеж 1) и представляет собой множество точек их сложения. Явление это хорошо известно, и можно с легкостью вычислить положение таких точек.
Теперь опишем аналогичный эксперимент, поменяв волны на частицы. Представьте себе «пулемет», стреляющий по экрану отдельными частицами, словно пулями. Поставим между «пулеметом» и экраном перегородку с одним маленьким отверстием. Через это отверстие при стрельбе будет проходить лишь тонкий пучок частиц, а потому они всегда будут попадать в определенную заранее известную нам точку экрана (чертеж 2).
Теперь слегка изменим условия эксперимента, поставив перегородку с двумя отверстиями. Ожидаемым нами результатом стало бы попадание частиц в две разные и вполне определенные точки экрана – аналогично тому, что происходит в предыдущем эксперименте с одним отверстием. Однако на деле, если мы хорошо организуем эксперимент и выдержим определенное соотношение между размерами частиц и размерами отверстий в перегородке, результат будет отличаться от ожидаемого. Мы обнаружим, что частицы попадают в экран по всей его длине, а не только в тех двух точках, где мы предполагали их найти.
Частицы будут попадать в экран симметрично, на равных расстояниях, распространяясь в обоих направлениях до бесконечности. При этом количество частиц, попадающих в ту или иную точку, будет разниться. В центр экрана попадет наибольшее количество частиц, а по мере удаления от центральной точки их число будет постепенно снижаться. Пропорция между количествами частиц, попадающих в каждую точку экрана, описывается волновой моделью (чертеж 3). Отсюда и происходит высказывание о том, что квантовые частицы являются корпускулами и волнами одновременно.
В таком случае, что такое волна? Для простоты понимания, сначала я отвечу на этот вопрос в первом приближении, а затем поправлю неточность. Волна – это распределение вероятностей нахождения частицы в определенной точке по длине экрана. Практически из «пулемета» в сторону экрана испускается блуждающая волна вероятностей – говоря иначе, вероятность нахождения частицы в определенном месте.
А теперь я поправлю себя. Измеряя количества частиц, попадающих в разные точки экрана, мы получаем математический результат, соответствующий не движущейся волне вероятностей, а движущейся волне квадратного корня вероятностей. На деле часть квадратных корней имеет отрицательные значения. Вероятность какого-либо события в реальном мире колеблется между единицей и нулем, однако она не может быть отрицательной. Таким образом, «нечто», распространяющееся в пространстве, не существует в физическом мире, но вызывает в нем последствия.
Сделаем еще один шаг вперед. Можно организовать эксперимент таким образом, чтобы гарантировать выстреливание из «пулемета» лишь одной частицы. Как мы это сделаем? Измерим скорость движения частицы на пути к экрану, а также пройденное ею расстояние, и понизим частоту стрельбы до такой степени, чтобы быть уверенными в «одиночном выстреле». Фактически возможна и такая ситуация, когда частица будет вылетать из ствола один раз в неделю.
Так вот, и в этом случае мы получим то же самое распределение вероятностей, в точности напоминающее уже известную нам интерференционную картину двух налагающихся волн. Несмотря на то что речь идет об испускании одной частицы в неделю, мы наблюдаем складывающиеся друг с другом волны квадратного корня вероятностей.
А на самом деле положение дел намного более серьезно: даже если, выстрелив одну частицу, мы полностью разберем оборудование, а через год заново соберем его и выстрелим вторую частицу – результат будет точно таким же (см. чертеж 4).
Эта вероятностная картина выстраивается с абсолютной механической точностью и поразительным образом представляется находящейся вне времени и пространства. Механические параметры в совершенстве предопределены, их математика точно известна, и сегодня мы используем это явление в создании потрясающих вычислительных аппаратов. Выстрелив одну частицу, мы сможем с абсолютной математической точностью предсказать вероятность ее попадания в определенное место на экране. Однако квантовая механика утверждает – и это основной момент, – что ни один фактор физической вселенной не определяет, куда именно попадет данная частица. Иными словами, при рассмотрении миллионов частиц, их поведение определяется с абсолютной математической точностью, но конкретное место попадания отдельной частицы не определяется ничем из того, что находится в физической вселенной.
Некоторые из крупнейших физиков сделали из этого вывод о том, что в физической вселенной действует детерминистический компонент, в точности соответствующий нашим ожиданиям, но действует также и «нечто иное», неведомое. Это «нечто» тончайшим образом вплетено в ткань Вселенной и не препятствует событиям на механическом уровне. А потому, если недостаточно фокусировать взор, все события представляются механическими.
Однако, вглядевшись внимательнее, мы обнаружим, что все частные события во Вселенной подвержены воздействию некоего фактора, не являющегося ее частью. Более того, поскольку сама теория требует, чтобы это «нечто» не являлось частью Вселенной, мы остаемся на рубеже. Поэтому некоторые физики назвали квантовую механику пограничной наукой, то есть наукой, указывающей на границу, которой люди способны достичь в своих исследованиях физической вселенной как таковой. А также они сказали, что за этой гранью существует нечто такое, чего наука не сможет раскрыть для нас никогда.
[1] Квантовые вычисления – новая, быстро развивающаяся область на пересечении квантовой физики, теории информации, вычислительной техники и математики. Она возникла в 80-е годы как альтернатива традиционным компьютерам, которые подходят к своему физическому пределу. Основная цель нового направления – расширение возможностей традиционных компьютерных вычислений и протоколов обмена информацией за счет применения новой вычислительной парадигмы, использующей характерные черты квантовой механики (В. Иванов, Лаборатория информационных технологий Объединенного института ядерных исследований).
[2] Совокупность технических и математических средств, методов и приемов, используемых для облегчения и ускорения решения трудоемких задач, связанных с обработкой информации, в частности числовой, путем частичной или полной автоматизации вычислительного процесса (БСЭ).
[3] Бит – двоичный разряд, минимальная единица измерения количества информации, ячейка компьютерной памяти.