Теперь я спрашиваю вас: что будете делать вы?

Моим единомышленникам, благодаря которым написание этой книги стало возможным, особенно Дону, Аманде, Стиву, Яну, Диане и команде Sounds True: спасибо за вдохновение и ваш профессионализм. Моим дорогим помощникам и читателям, особенно Марсии, Лоре, Девоне, Анитре, Чарли, Елене, Энтони, Джулсу, Терри, Бену, Биллу, Ричу, Марте, Лане, Хантеру, Стивену, Гордону, Лори, Лидии, Барбаре, Питу, Мерил, Клодетте, Дрю, Эванджелине, Пэтти, Майку, Патрику, Веронике, Филше, Россу, Лесли, Джоани, Дебре, Марси, Джеку, Дон Мигелю, Брюсу, Дину, Роджеру, Ори, Генри, Джорджу, Дэвиду, Констанс, Шарлотте, Крис, Нику, Кэти, Эми, Энни, Питеру и Лоре: спасибо за вашу честность, заботу и потраченное время. Дональду Карлину, доктору физических наук, окончившему Массачусетский технологический институт и Йельский университет, спасибо, что помогаете мне придерживаться правильного пути. Артуру, Джиму и Скотту за веру в то, что все возможно. Тони за то, что всегда меня поддерживал. Что касается Джерри, я уверена, что ты где-то рядом.

В книге в качестве доказательства некоторых аргументов и теорий приводились утверждения, которые могут показаться поразительными. Здесь вы найдете дополнительные научные данные в поддержку этих утверждений.

Известно, что ученые в области квантовой физики изучают частицы, которые меньше атома, и что они ведут себя отлично от крупных объектов, которые можно увидеть, почувствовать и потрогать; но знаете ли вы, как были открыты эти загадочные частицы и законы, определяющие их поведение?

В 1803 году, еще до появления идеи существования квантовой физики, Томас Янг заявил, что у света есть особенности, которые можно объяснить, только если он обладает свойствами волны. Более ста лет спустя Альберт Эйнштейн доказал, что определенные частоты света существуют в виде «дискретных пакетов энергии», подобно частицам света, называемых «фотонами». В 1921 году он получил за свою теорию Нобелевскую премию. Считалось, что эта теория применима только к свету, пока в 1924 году Луи де Бройль не защитил докторскую диссертацию, в которой утверждал, что электроны, а также все остальное – материя, электроны и атомы – могут обладать свойствами как волн, так и частиц. В 1929 году де Бройль получил Нобелевскую премию. Так появилась первая, одна из самых известных, теорий квантовой физики – теория корпускулярно-волнового дуализма.

Корпускулярно-волновой дуализм – принцип, согласно которому свет и материя могут проявлять свойства как волн, и как частиц. Томас Янг, Альберт Эйнштейн и другие ученые для демонстрации волновых и корпускулярных свойств фотонов проводили разные модификации двухщелевого опыта.

Вот как это работает. Между источником света (фотонами) и пластиной, на которой фиксируется место попадания фотонов, размещается экран с щелью. Источник света, словно ружье, выстреливает крошечными фотонами. Фотоны проходят через щель в экране, ударяются о пластину, их концентрация нарастает, и они создают нечеткое изображение. Тот факт, что они накапливаются на пластине, указывает на то, что фотоны ведут себя как частицы.

Не удовлетворенные результатами, физики решили провести эксперимент, в котором использовали экран с двумя щелями. Если вы помните, они пытались выстрелить только одним фотоном и ожидали, что он проявит свойства твердой одиночной частицы. Вы могли бы подумать, что этот фотон пройдет только через одну щель. Или что получатся два изображения скопления фотонов, что было бы характерным для двух щелей. Но они не получили ни того, ни другого. Вместо этого казалось, что свет проходит через обе щели одновременно. Но свет проявлял не корпускулярные свойства, и изображения на пластине выглядели как волны. Если быть точнее, это были две отдельные волны, которые накладывались друг на друга, подобно волнам от выпущенных в пруд пуль, которые распространяются и накладываются друг на друга.

Так почему же фотоны ведут себя как частицы в экспериментах с одной щелью и как волны в экспериментах с двумя щелями? Чтобы получить больше данных, ученые установили датчики наблюдения, чтобы посмотреть, как фотоны проходят через две щели и попадают на пластину за экраном. И вот что произошло: во время наблюдения каждый фотон проходил только через одну щель. Другими словами, волновая картина на фотопластинке исчезла, и ученые получили изображение, которые ожидали увидеть изначально: фотоны на пластине выглядели как частицы, а не как волны. Как это ни странно, но поведение фотона менялось с корпускулярного на волновое, только когда датчик наблюдал за его прохождением через щель. Кроме того, фотоны вели себя либо как частицы, либо как волны – объединения этих свойств ученые не наблюдали. И хотя все началось с фотонов, помните, что корпускулярно-волновой дуализм не ограничивается только ими. Подобные эксперименты проводились с нейтронами, атомами и даже более крупными молекулами.

С тех пор ученые много раз проводили эксперименты с фотонами, и некоторые были весьма необычными. В эксперименте, известном как «квантовый ластик», был разработан метод, который позволял преднамеренно не детектировать фотон. В каждом случае обнаруживалось, что результаты наблюдений, соответствующие детектированию фотона и его отсутствию, имеют один и тот же эффект. Поскольку в эксперименте ничего не наблюдалось и имело место только отсутствие наблюдения, ученые предположили, что само наблюдение – критически важный процесс в коллапсе волновой функции. Профессор Ричард Конн Генри в журнале Nature написал: «Волновая функция разрушается просто потому, что человек ее не видит». И он сделал вывод: «Вселенная полностью ментальна».

Как упоминалось в главе 3, ученые активно работают над тем, чтобы продемонстрировать, что квантовые законы, управляющие микроскопическим миром, могут быть применимы и к макроскопическому миру, что в случае успеха приведет к созданию теории всего. Один из способов, при помощи которого ученые пытаются объединить общую теорию относительности с квантовой механикой, – это концепция квантовой запутанности.

Вспомните – запутанные частицы ведут себя так, словно они связаны, даже если находятся на расстоянии целой Вселенной друг от друга. Недавно это свойство успешно продемонстрировали ученые из Брукхейвенской национальной лаборатории Университета Стоуни Брук и высокоскоростная компьютерная сеть Министерства энергетики США (ESnet), которые проводили эксперимент с запутанными фотонами, находящимися друг от друга на расстоянии семнадцати километров. Считается, что это самое большое расстояние, на котором проводились эксперименты с запутанными частицами в США. Если говорить о еще больших расстояниях, ученые предполагают, что квантовая запутанность и космические червоточины – одно и то же явление. Обычно физики рассматривают модель лишь двух квантово запутанных частиц. Но в недавнем исследовании ученые выдвинули гипотезу, что поведение запутанных субатомных частиц можно объяснить тем, что они связаны чем-то вроде квантовой червоточины. На самом деле само пространство-время могло возникнуть из-за квантовой запутанности. Поскольку червоточины – это искажения пространства, описываемые теорией гравитации Эйнштейна, исследователи понимают, что частицы, подчиняющиеся законам квантовой механики, могут быть запутаны. Более того, обнаружение взаимосвязи между червоточинами, – которые обычно существуют только в астрофизике – и явлением квантовой запутанности установило бы прочную связь между общей теорией относительности и квантовой механикой.

Ученые, которые разрабатывают теорию всего, часто особое внимание уделяют квантовой суперпозиции. Совсем недавно международная группа ученых, специализирующихся на изучении времени, предположила, что время может течь квантовым образом. Мы уже знаем, что по законам физики крупные объекты замедляют время из-за гравитации. Это означает, что часы, находящиеся на небольшом расстоянии от крупного объекта, будут идти медленнее, чем такие же часы, находящиеся дальше от него. Так почему такой же эффект не может существовать в микроскопическом квантовом мире? Например, как бы часы отсчитывали время, если бы подверглись воздействию огромного объекта в квантовом мире?