Уходящие в темноту. Собрание сочинений в 30 книгах. Книга 22
Метод, с помощью которого можно изучать предмет, никак с ним не соприкасаясь, получил название бесконтактного метода измерений, и ученые, исследующее это удивительное явление, считают, что в будущем вся измерительная техника станет совсем другой. Возможно это только в том случае, если мы живем в реальном многомирии. В ветвящейся Вселенной.
В 1993 году два израильских физика Авшалом Элицур и Лев Вайдман описали в статье, опубликованной в Found. Physics, интересный мысленный эксперимент. «Предположим, – сказали они, – что на складе находятся бомбы, половина из которых исправна, а половина испорчена. Нужно отделить исправные бомбы от испорченных. Но есть одна особенность: каждая бомба (неважно – исправна она или нет) снабжена детектором, и если на него попадет один-единственный фотон, исправная бомба немедленно взорвется. Неисправная бомба не взорвется, конечно, но нам-то какая от этого польза, если в результате проверки мы будем иметь только неисправные бомбы, а все исправные взорвутся – ведь невозможно обнаружить что бы то ни было, не направив на предмет луч света или не получив от предмета излученный им фотон».
Если предположить (согласно идее Эверетта), что при каждом взаимодействии мироздание расщепляется, то всё не так, и Элицур с Вайдманом придумали способ, с помощью которого можно определить, исправна ли бомба, вообще ее не касаясь и ни единым фотоном не нарушая ее спокойствие.
Для этого они предложили использовать интерферометр Маха-Цандера. От обычного прибор отличается наличием двух зеркал, полностью отражающих падающий на них свет, и двух полупрозрачных – половину фотонов эти зеркала пропускают, а половину отражают. Расположены зеркала таким образом:
Рисунок 1. Слева внизу – источник света (фотонов). А и В – детекторы, фиксирующие попадание (или отсутствие) фотона. Черные параллелограммы – зеркала, полностью отражающие излучение, серые – полупрозрачные. Бомба, которую нужно обнаружить и протестировать, расположена на нижнем рисунке под первым (полупрозрачным) зеркалом.
«Давайте, – предложили Элицур и Вайдман, – под одним из зеркал поместим бомбу, о которой мы хотим узнать, исправна она или нет. Запустим в интерферометр один-единственный фотон и посмотрим, что произойдет».
Фотон может двигаться от зеркала к зеркалу разными путями, и Элицур с Вайдманом рассмотрели, что будет происходить в каждом случае. В конце пути – это легко видеть на схеме – фотон будет зарегистрирован или детектором А, или детектором В, других возможностей нет. Какой из них сработает, зависит от хода лучей света в каждом конкретном эксперименте.
Не будем подробно разбирать ход лучей и реакцию детекторов: читатели-физики, заинтересовавшись этой проблемой, найдут описание эксперимента в специальной литературе, а остальные, надеюсь, поверят автору в том, что физики-экспериментаторы, взявшиеся за проверку идеи Элицура и Вайдмана, не нашли в ней никаких противоречий. Здесь нам важно увидеть собственными глазами схему устройства, с помощью которого многомирие Эверетта впервые стало предметом физического экспериментирования.
Оказалось, что если Эверетт неправ и многомирия не существует, то нет никакой возможности обнаружить исправную бомбу, направив на нее фотон (бомба непременно взорвется!). Если же многомирие существует, есть не равная нулю вероятность того, что исправная бомба будет обнаружена и не взорвется. Точнее: взорваться-то она взорвется, но не в нашей Вселенной, а в другой, принадлежащей другой ветви многомирия! В нашей же Вселенной взрыва не произойдет, хотя бомба исправна.
Элицур и Вайдман показали, что, если многомирие существует, то с вероятностью 25% единственный фотон обнаружит исправную бомбу, не взорвав её.
Коллеги, тщательно изучившие мысленный эксперимент Элицура-Вайдмана, не нашли в их анализе противоречий или ошибок и вынуждены были признать: да, если многомирие существует, то можно получить информацию о предмете, никак его не касаясь! Но… только в четверти случаев. Хорошая, казалось бы, идея, но ведь в трех случаях из четырех бомба все равно взорвется, и только о каждой четвертой бомбе мы будем знать, что она исправна, не коснувшись ее взрывателя. Не очень большая эффективность, верно?
Важен, однако, принцип – с помощью эксперимента Элицура-Вайдмана можно экспериментально доказать существование многомирия!
Кроме того, если в многомирии возможно что-то измерять, никак с предметом не контактируя, то наверняка существуют и способы увеличить вероятность нужного измерения?
Однако, прежде предстояло осуществить мысленный эксперимент Элицура-Вайдмана на практике и доказать экспериментально, что хотя бы в четверти случаев можно что-то измерять, ничего не измеряя. Увидеть, не видя, и доказать, что Эверетт прав.
В 1994 году такой эксперимент был поставлен Полом Квятом из университета в Иннсбруке (сейчас Квят – член совета Оппенгеймеровской Национальной лаборатории в Лос-Аламосе) и Томасом Герцогом из Женевского университета. Они действительно использовали для опытов интерферометр с четырьмя зеркалами, как предлагали Элицур с Вайдманом. Правда, вместо бомбы взяли все же обычное зеркало – не взрывать же установку, а с ней и всю лабораторию, в трех случаях из четырех, если Элицур с Вайдманом правы!
И все получилось так, как предсказывали израильские физики. В каждом четвертом эксперименте Квят зафиксировали присутствие зеркала, хотя фотон этого зеркала не касался!
Таким образом, многомирие по Эверетту получило подтверждение.
Квят и его сотрудники сделали, однако, и следующий шаг. Если удлинить схему, – рассуждали физики, – и поставить восемь зеркал вместо четырех, то вероятность зафиксировать детектором присутствие невидимой бомбы (зеркала) должна, согласно теоретическим выкладкам, увеличиться вдвое и достичь 50%. То есть, в таком эксперименте «исправную бомбу» можно обнаружить, не касаясь ее взрывателя-зеркала, в каждом втором случае. Правда, сам процесс наблюдений при этом усложнялся, но это уже всего лишь технические детали.
Физики построили новую установку и действительно довели количество «обнаружений исправной бомбы» до 50%.
И это все? Это тот максимум, на который могут рассчитывать экспериментаторы, пытаясь увидеть невидимое? Квят полагал, что – да, большего достичь не удастся. Скептицизм ученого развеял Марк Казевич из Стенфордского университета. Во время своего пребывания в Иннсбруке Казевич обсудил с Квятом самые разные варианты экспериментов, и ученые пришли к потрясающему (пока только в мысленном эксперименте!) заключению: в принципе, можно построить такую установку, где вероятность обнаружения «бомбы», никак ее не касаясь, окажется сколь угодно близка к 100%! То есть, не существуют, по идее, никакие природные ограничения для создания аппаратуры, которая, например, давала бы изображение реального предмета, никак его при этом не освещая и не получая от него никакой информации!
Природных (физических) ограничений не было, но технические существовали, конечно. И для следующего своего эксперимента Квят с сотрудниками (в числе которых был теперь и Казевич) построили установку, работавшую на другом принципе и использовавшую не просто отражающие и наполовину поглощающие зеркала, а зеркала, меняющие поляризацию падающих на них фотонов. Установка значительно усложнилась, но уже предварительные результаты опытов, проведенных в лаборатории в Лос-Аламосе, показали: вероятность обнаружения необнаружимого составляет 70%. Квят и его сотрудники доказали (это было еще в середине девяностых годов прошлого века), что более чем две трети физических измерений могут быть бесконтактными.
Можно обнаружить черную кошку в черной комнате, даже не зная, есть ли в комнате кошка!
Но и две трети правильных ответов – не такой уж надежный результат. Ведь в мысленном эксперименте надежность бесконтактных измерений была уже доведена чуть ли не до 100%. А в реальности – разве достаточно сказать, что взорвутся при проверке не три бомбы из четырех, а только одна из трех? Одна бомба все равно разнесет установку. Или, иными словами, только в 70% случаев экспериментатор получит правильное изображение невидимого предмета. Мало для практического применения бесконтактных измерений.
Обратите внимание: речь уже не шла о том, существует ли многомирие по Эверетту, или это красивая, но бесполезная гипотеза. Конечно, многомирие существует. Задача теперь стояла – как можно эффективнее использовать многомирие на практике.
В физике очень часто случается так, что быстро преодолеваются первые, не самые трудные, препятствия, а потом тянутся годы (порой – десятилетия), пока удается добиться надежного, применимого на практике, эффекта.
Прошло чуть более десяти лет, и сегодня в реальных экспериментах (группы японских ученых Цегая и Намикаты) удается бесконтактным способом обнаружить до 88% невидимых объектов, которых не коснулся ни один фотон. Это не полная надежность, какой хотят добиться физики, но дорога еще не пройдена до конца, и сейчас ученые убеждены: в ближайшие двадцать-тридцать лет бесконтактные методы измерений найдут свое применение во множестве областей человеческой деятельности: в фотографии, например, в рентгеноскопии (не придется больше стоять под вредным для здоровья излучением рентгеновской установки), в создании квантовых компьютеров.
Тем временем бразильские ученые Сант-Анна Адонаи и Буэно Оттавио обобщили метод Элицура-Вайдмана и описали эксперимент, в котором для бесконтактных измерений используют не фотоны, а волны Де-Бройля (и этот вариант еще более увеличивает область бесконтактных измерений).
Пол Квят назвал метод бесконтактных измерений квантовой магией. Это действительно выглядит, будто магическое действо: способность видеть, не видя. Но на самом деле все необходимые идеи и возможности были уже заложены в квантовой физике, ведь природа квантовых измерений известна с тридцатых годов прошлого века, а теория Эверетта появилась в 1957 году – более полувека назад. «Но только недавно, – писал Квят в своей статье в Scientific American еще в 1995 году, – физики начали применять эти идеи, чтобы открыть новые феномены в квантовом информационном процессе, включая и возможность видеть в темноте».
Мы живем в многомирии – блестящие эксперименты Квята, Цегая, Намикаты, Адонаи и Оттавио доказали это вполне определенно.
Экспериментальная физика свое слово сказала. Но осталась еще одна проблема: философская и теологическая. Монотеистические религии утверждают: Бог един. Что же создал Он во время шести дней творения? Одну Вселенную? Множество? Согласуется ли идея многомирия с религиозными представлениями о мироздании? Что говорят о многомирии современные теологи?
«В доме Отца моего горниц много»…
В XIV веке английский монах и философ Уильям Оккам сформулировал принцип, который был принят как один из краеугольных камней научного познания мира. «Не умножай сущностей сверх необходимого», – иными словами, если вам нужно объяснить какое-то явление природы, пользуйтесь сначала известными теориями, идеями и предположениями. Если не получится, что ж, тогда придумайте что-то новое, добавьте новую сущность к списку уже известных сущностей. Но не раньше, чем будут исчерпаны все прочие возможности объяснения.
Наука тщательно следует принципу Оккама, выбирая из всех мыслимых объяснений природного явления самые простые, по возможности не меняющие принятой картины мироустройства. Но наука развивается, разрешая возникающие на ее пути противоречия. Разрешив одно противоречие, наука непременно оказывается перед следующим, порой еще более сложным.
Так и произошло, когда физики обнаружили, что уравнение Шредингера, описывающее взаимодействия элементарных частиц, имеет не одно-единственное, а несколько (порой – огромное количество!) решений, причем нет никакой возможности и никаких физических причин отдать предпочтение одному решению из этого множества. Между тем, если (да что «если», так и происходит на самом деле) уравнение Шредингера описывает реальный физический процесс, то решений может быть только одно. Ведь наблюдаем мы один-единственный исход взаимодействия, а не сразу два, десять или сотню. Столкнувшись друг с другом, частицы разлетаются под определенными углами – траектории полета частиц после взаимодействия прекрасно видны, например, в пузырьковых камерах. Невозможно представить, чтобы частицы летели сразу во всех возможных направлениях.
Но – и это тоже факт, – уравнение Шредингера имеет все-таки много решений, а не одно-единственное. Как быть с остальными?
Принцип Оккама говорит: не надо придумывать новых сущностей. Наблюдения показывают, что любое взаимодействие имеет единственный наблюдаемый исход? А теория говорит, что возможно множество исходов? Что ж, тем хуже для теории, ибо самое простое, что можно сделать: отдать приоритет видимой реальности. Пытаясь объяснить возникшее противоречие между множественностью решений уравнения Шредингера и единственностью наблюдаемой картины мира, физики предложили идею: в момент, когда производится наблюдение, физически реальным становится одно-единственное решение уравнения Шредингера, то, которое соответствует наблюдению. А все остальные решения мгновенно «коллапсируют», перестают существовать, не имеют больше физического смысла.
Бритва Оккама отсекла лишнее, и физики облегченно вздохнули. Но противоречие осталось. Интерпретация процессов в квантовом мире, названная копенгагенской, прекрасно описывала наблюдаемую реальность. Уравнения Шредингера во всех случаях без исключений давали верные описания работы атомных реакторов, ускорителей, любых явлений, которые физики наблюдали в мире элементарных частиц. Большинство физиков предпочитало не задумываться над тем, что происходит в мироздании в тот момент, когда из множества решений уравнения Шредингера «неведомая сила» отбирает одно-единственное.
Каким образом происходит выбор? Свободен ли этот выбор? Случаен ли? И кто, собственно, выбирает? Сам ли электрон «решает», по какой из множества возможных траекторий ему двигаться? Или это подсознательно (возможно, осознанно) решает экспериментатор? А может, решение принимает Высшая сила, иными словами – Бог?
Поразительно, но не у физиков, а именно у богословов и философов уже было решение этой неожиданно возникшей и, казалось бы, сугубо физической проблемы: проблемы коллапса волновой функции.
С древних времен философы обсуждали возможность существования иных миров, отличных от нашего, и с древних времен богословы спорили о том, что означает данная человеку Творцом свобода воли, позволяющая каждому из нас каждое мгновение принимать то или иное свободное решение (перейти ли улицу на красный свет светофора, например, или подождать зеленого?) и, тем самым, выбирать, каким окажется мироздание в следующую секунду. Будет ли это мирозданием, где вы благополучно перебежали улицу, или мироздание окажется таким, где вас сбила машина?
Кроме проблемы свободы выбора, существует еще одна важная физическая проблема, не разобравшись в которой невозможно понять не только, почему именно так устроен наш физический мир, но самое важное: невозможно понять, почему в этом мире существуем мы, разумные существа, люди.
Дело в том, что все физические законы нашей Вселенной, все существующие в ней мировые постоянные, а также многие другие физические, астрофизические и биологические особенности строения мироздания будто специально подобраны таким образом, чтобы в нашей Вселенной мог возникнуть человеческий разум на планете Земля. Противники эволюционной теории и современных теорий зарождения жизни на нашей планете выдвигают простой и, как раньше казалось, неоспоримый аргумент. Самопроизвольное возникновение человеческого разума – процесс настолько маловероятный, что нет смысла его даже рассматривать. Физические и астрофизические свойства Вселенной должны быть подобраны и взаимно согласованы с такой тщательностью, которая, как будто, полностью исключает всякую случайность. Достаточно было бы, например, космологической постоянной на один-два порядка отличаться от известного современного значения, и физические условия во Вселенной оказались бы таковы, что биологическая жизнь появиться не могла бы. Достаточно было постоянной Планка отличаться от известного значения на один-два порядка, и наша Вселенная или погибла бы в первые секунды после Большого взрыва, или в ней не смогли бы возникнуть звезды и галактики, а если бы не родилось Солнце, то и для жизни не оказалось бы места. Достаточно было Солнцу быть не такой спокойной звездой, какой оно является на самом деле… Достаточно было Земле сформироваться на пару десятков миллионов километров дальше от Солнца или ближе… Достаточно было Солнечной системе возникнуть чуть дальше (или ближе) от центра Галактики… Достаточно было Солнечной системе образоваться в области Галактики, заполненной массивными звездами, где часто происходят взрывы сверхновых…
И если бы Земля в свое время не обзавелась Луной… Если бы Луна находилась ближе к нашей планете (или дальше) … Если бы атмосфера Земли имела немного другой химический состав… Если бы большие метеориты чаще бомбардировали поверхность планеты…
Все эти и еще множество подобных условий должны были выполниться, чтобы на Земле могла возникнуть и развиться жизнь, которая, в конце концов, привела к появлению человека разумного. Вероятность случайного совпадения всех этих условий (а может, еще множества других, о которых мы пока и не подозреваем) так мала, что для возникновения на Земле человечества потребовалось бы время, на много порядков большее, чем время реальной жизни нашей Вселенной!
Но мы-то существуем и можем задать сакраментальный вопрос: каким же образом случилось это крайне невероятное событие?
Выигрыш миллиона в лотерею очень мало вероятен, но нельзя исключить, что именно такой выигрыш выпадет вам, как только вы купите свой первый в жизни лотерейный билет. «Антропный принцип», о котором шла речь, говорит о том, что Вселенная именно такова, потому что в ней есть мы, способные задать вопрос о том, почему Вселенная именно такова.
Возможны два объяснения. Первое. Случай не играл никакой роли при образовании Вселенной, поскольку Вселенную создал бесконечно мудрый Конструктор, иными словами – Бог, который, конечно же, все продумал заранее. Бог хотел создать именно такую Вселенную, в которой смог бы жить человек разумный – хотел и создал. И потому нет смысла спрашивать: как же получилось, что Вселенная такова, какой мы ее видим? Она такова, потому что такой ее создал Бог-творец.
Это путь теологический.
Есть второй путь. Существует не одна Вселенная, а огромное их количество (не исключено, что бесконечно большое!). Отличаться друг от друга вселенные могут очень сильно: в одной вселенной, например, постоянная Планка в тысячи раз больше, чем в нашей, и там даже звезды не смогли образоваться. В другой все мировые постоянные такие же, как у нас, отличие лишь в том, что в одном и том же квантовом процессе в нашей вселенной оказалось физически реально одно решение уравнения Шредингера, а в «той» вселенной – другое.
В нашей вселенной наблюдатель увидел на экране осциллографа, что частица летит по диагонали вниз, а в «той» вселенной точно такой же наблюдатель увидел, что частица полетела вверх. Разница невелика, но вселенных огромное множество, и практически с вероятностью, равной единице, хоть в какой-то из них выполняется нужное нам решение уравнения Шредингера. Иными словами, если Вселенная – одна, то жизнь и разум в ней никак не успеют естественным образом возникнуть за 14 миллиардов лет ее существования. Но если вселенных почти бесконечно много, то с вероятностью, практически равной единице, существует и такая вселенная, где выполнены абсолютно все условия для возникновения жизни и разума. В этой Вселенной мы с вами и живем. В многомирии появление такой Вселенной неизбежно.
А как же: «И сотворил Бог небо и землю?» Многомирие прекрасно решает парадокс «антропного принципа» и замечательно согласуется с множественностью решений уравнения Шредингера. Возможно ли совместить представления о многомирии с догматами монотеистических религий?
В Канаде работает известный физик Дон Н. Пейдж, который, наряду с разработкой современных идей квантовой механики, пытается примирить их с положениями христианства, будучи евангелическим христианином по вере своей.
В своих статьях «Теологический аргумент для эвереттовского мультверса», «Бог так любит мультиверс?» Пейдж показывает, что существование многомирия не противоречит божественному плану, как не противоречит ему эволюционная теория, против которой выступают многие церковные (и не только церковные) деятели.
Еще во времена Дарвина консервативный христианский теолог, руководитель Принстонской семинарии Бенджамин Уорфилд (1851—1921) в своей книге «Основы» (The Fundamentals, откуда, кстати, возникло понятие «фундаментализм») писал: «Я свободен сказать от себя, что нет в Библии ни общего утверждения, ни утверждения в какой-либо части, касающейся творения, ни в Бытии 1—2, ни в других местах какого-либо упоминания о необходимости оппонировать эволюции».
«Эволюция, – отмечает Пейдж, – не опровергает существование Бога или некоего общего проекта. Сегодня есть много ведущих богословов и ученых, принимающих и эволюцию, и Божье творенье. Среди них, например, Френсис Коллинз, руководитель проекта „Геном человека“».
«До Дарвина, – продолжает Пейдж, – некоторые христиане представляли чудо человека, как доказательство отдельного и индивидуального плана. Сейчас некоторые христиане представляют чудо точной подгонки мировых постоянных, как доказательство теизма и также отдельной и индивидуальной программы создания Богом этих постоянных».
По мнению Пейджа, оба представления равно ошибочны. Ошибка же заключается в том, что в обоих случаях замысел Творца (и так полагает не только Пейдж, но и другие известные теисты: Джон Лесли, Стивен Барр, Клаас Краай и другие) бесконечно более грандиозен, нежели это полагают традиционные религии.
Бог всемогущ и всеведущ, и ничто не могло помешать Ему создать не одну Вселенную – нашу – а великое (возможно, бесконечное) множество вселенных, в одной из которых и возникло человечество, как естественный результат выполнения Божественного плана.
Антропный принцип здесь прекрасно уживается с теизмом, а на вопрос «зачем было Богу создавать так много вселенных, если для создания человека достаточно и одной?» Пейдж отвечает встречным вопросом: «А почему вы думаете, что создать многомирие – задача для Творца более сложная, чем создание единственной Вселенной?»
Существуют множества, которые в целом описать гораздо легче, чем каждый отдельный элемент. Множество всех целых чисел намного проще, чем почти все числа, которые являются элементами этого множества.
«Поскольку, – продолжает Пейдж, – Бог может создать все, что логически возможно и что согласуется с Его природой и целями, то, видимо, для Него не существует трудностей создать так много вселенных, сколько Ему угодно. Возможно, Он предпочитает элегантность и принципы, с помощью которых Он создает огромный мультиверс, а не единственную вселенную, то есть экономит принципы, а не материалы».
Иными словами, когда (будем пользоваться этим термином, более нам понятным, хотя Бог, по идее, существует вне пространства-времени, и понятие «когда» для него не имеет смысла) Бог решил создать материальную Вселенную (или огромный набор вселенных – Мультиверс), то руководствовался принципом красоты и совершенства. Но красоты и совершенства не материальных сущностей, которые ему предстояло создать – думал он о красоте и совершенстве физических законов и математических идей, в основу этих законов положенных. Прежде чем создавать Вселенную (или Мультиверс) Бог сконструировал законы природы, сообразуясь с которыми мироздание и было создано.
И тогда Пейдж, будучи, с одной стороны, физиком, а с другой – христианином, приходит к двум важным выводам. Первый: если выбирать между двумя вариантами физической картины будущего мира, то в одной картине волновая функция при взаимодействии коллапсирует, оставляя единственный вариант мироздания. В другой картине волновая функция не коллапсирует, и тогда создается не Вселенная, а Мультиверс. С точки зрения красоты, элегантности, простоты и совершенства, конечно, предпочтительнее вариант мироздания без коллапса волновой функции, порождающего трудно разрешимые философские и физические противоречия.
Конечно же, Бог выбрал красоту и совершенство и создал не Вселенную, а многомирие – Мультиверс. К тому же, избрав такой сценарий, Творец решил попутно еще две, казалось бы, неразрешимые (но ведь не для Него!) задачи:
В Мультиверсе нет необходимости в точной подгонке мировых постоянных, чего требует антропный принцип: все варианты существуют, а, значит, обязательно существует и такая Вселенная, в которой живем мы, человечество.