Вселенная. Руководство по эксплуатации - Бломквист Джефф

сейчас произойдет. Вот, например, бросание монетки, Если бы вы смогли учесть точное положение, ориентацию, распределение массы, вращательный момент и направление ветра еще до того, как монетка коснется земли, то, вероятно, смогли бы и прогнать эти данные через компьютер и достаточно точно определить, как упадет монетка. Тот же самый эксперимент можно повторять при приблизительно тех же условиях еще много раз и получать тот же результат. Если бы мы сделали автоматический монеткобросатель и сумели бы его точно настроить, то у нас всегда выпадала бы решка.

На практике это дело настолько неопределенное — надо учесть, как именно держат монетку перед броском, какие имеются воздушные течения, с какой силой и в каком в точности направлении бросают монетку, — что нет никакого практического способа проделать все эти вычисления. Вот почему мы бросаем монетку, когда нам нужен идеальный генератор случайных чисел. Подобным же образом последовательность карт в колоде или приземление шарика в рулетке кажутся нам совершенно случайными, а на самом деле мы просто не знаем и не можем учесть все начальные условия. Подобно рассеянному ролевику, который высчитывает ущерб от набега зомби, мы просто не способны так быстро считать.

Но стороны монетки — не атомы, а когда мы говорим о случайности на субатомном уровне, происходит нечто совсем другое. На атом уровне Вселенная по-настоящему, всерьез случайна. Дело не в том, что у нас не хватает информации,— даже если мы прокрутим фильм о Вселенной, исходя из идентичных условий, квантовая механика гарантирует, что мы не получим того же результата. В опыте с двумя щелями электрон самым настоящим, доподлинным образом не представляет себе, в какую щель пролетит, пока мы этого не пронаблюдаем и не определим.

Квантовая случайность проявляется во всевозможных микроскопических явлениях. Самые фундаментальные из них связаны с радиоактивным распадом частиц, — именно поэтому Джефф и завязал разговор о них с кузеном Германом. Герман озабочен радиоактивностью не меньше, чем тем обстоятельством, что водопроводная вода содержит

психотропные вещества. Однако радиоактивность можно обращать и во зло, и на благо.

Радиоактивность возникает потому, что не все атомы стабильны. В природе наблюдается общая тенденция: система стремится содержать в себе минимальную возможную энергию. Так что если разрешить атому слишком долго сидеть на месте, он разваливается на более мелкие составляющие. Разумеется, если он в процессе теряет массу, то избавляется от нее посредством вредоносного излучения, которое называется радиацией. Бели эта радиация достаточно энергична, то она способна причинять довольно-таки серьезный урон.

Давайте вспомним пример из главы 2 — когда мы разговаривали о туннелировании. Если дать изотопу урана под названием уран-238 достаточно времени, он распадется на ядро гелия и ядро тория[45]. В среднем этот изотоп ожидает распада в течение примерно 4,5 миллиарда лет (грубо говоря, это возраст Солнца). Это называется «период полураспада». Если вы возьмете кирпич из чистого урана-238, оставите на четыре с половиной миллиарда лет, а потом посмотрите, что получилось, то обнаружите, что половина атомов в кирпиче — по-прежнему уран, а вторая половина превратилась во что-то другое. Это что-то другое — по большей части свинец, поскольку торий, в свою очередь, нестабилен и примерно за месяц распадается на протактиний. А период полураспада протактиния — всего несколько минут. И так далее до свинца.

Переход этот не постепенный. Наоборот, когда отдельный атом распадется, это происходит мгновенно[46]. Более того, уран не знает, сколько времени он ждал распада. Часов у него нет. Но представьте себе, как космический генератор случайных чисел смотрит на него тяжелым взглядом и бросает кость, у которой 100 квадрильонов граней. Одно число выпадает за другим, и ничего не происходит. И вдруг безо всякого предупреждения выпадает единичка. Эта единичка обозначает критический уровень нестабильности — и пуф-ф-ф! Распад. Если космический генератор случайных чисел проделывает подобную процедуру для каждого атома в течение 4,5 миллиарда лет, половина атомов по-прежнему будет ураном, а половина распадется, но предсказать, какой атом постигнет какая судьба, никак нельзя.

Эта идея поможет нам лучше понять самые разные явления. Например, углерод-14 создается под воздействием космических лучей в верхних слоях атмосферы, которые медленно циркулируют вниз и образуют воздух, а мы им дышим. Все живые существа, которые перерабатывают углерод, и растения, и животные, берут углерод-14 (вместе с гораздо более распространенным углеродом-12). Соотношение углерода-14 и углерода-12 в наших телах и стеблях растений остается постоянным и таким же, как в атмосфере в целом.

Пока мы не умрем.

После смерти организма углерод-14 начинает распадаться на азот с периодом полураспада примерно в 5700 лет. Все, что когда-то было живым, и все, что было сделано из того, что когда-то было живым, можно подвергнуть анализу. Углерод-14 распадается, а количество углерода-12 остается прежним, поэтому если мы измерим их соотношение в образце и сравним с их соотношением в атмосфере, то вычислим, как долго наш образец пробыл мертвым. Хотя радиоуглеродный анализ оказался очень эффективным инструментом в археологии и палеонтологии, основан он на квантовой физике[47].

Мы приняли как данность, не доказывая, что атомы не знают заранее, когда они должны распасться, и что их распад, наряду с другими квантовыми явлениями, фундаментально случаен. Эта неопределенность очень обескураживает, и в мире было бы гораздо уютнее, если бы мы сумели как-то пересмотреть систему так, чтобы избавиться от неопределенности. Но возможно ли это?

Эйнштейну очень не нравилась мысль о том, что природа и в самом деле случайна. Возможно, вы слышали его решительное: «Господь не играет со Вселенной в кости». Со стороны Эйнштейна это изрядный научный консерватизм, напоминающий старые недобрые времена кровопусканий, эфира и всепоглощающего ужаса перед ведьмами. Эйнштейн полагал, что если бы мы знали Вселенную достаточно подробно, то могли бы точно предсказать, как она будет развиваться.

Эйнштейн участвовал в основании квантовой механики, а она, как считалось, окончательно сравняла с землей твердыню детерминизма, однако на самом деле Эйнштейн никогда не был ее преданным сторонником. В течение долгого времени на все его бесконечные возражения удавалось отвечать Ниль- су Бору[48], однако к 1935 году Эйнштейн вместе с Борисом Подольским и Натаном Розеном, своими коллегами по Принстонскому институту передовых исследований, нашел квантовый парадокс, который, по его мнению, было невозможно разрешить. Эйнштейн поставил целью доказать, что Господь и в самом деле не играет со Вселенной в кости.

Это не просто философский спор. Вопрос в том, правда ли, что радиоактивный распад и определение положения частиц случайны, или они лишь кажутся случайными. Главное было придумать, как доказать либо одно, либо второе. В свое время мы опишем ЭПР-парадокс (он получил такое название в честь Эйнштейна и его команды), но это получится гораздо проще, если мы приведем конкретные примеры. Брайан, Герман и Дейв за апельсиновым десертом тети Мейвис решили создать «запутыватель- ную машину », причем каждый внес в эту идею свой идиотский вклад.

Эта машина должна измерять свойство, общее для всех фундаментальных частиц: так называемый спин. Частица, обладающая спином, генерирует маленькое магнитное поле. Поскольку магниты взаимодействуют друг с другом, мы можем измерить направление спина электрона, если он пробежит мимо магнита в виде планочки. Бломберги превращают магнит в детектор спина, который они вертят, куда хотят. Если держать магнитную пла-ночку вертикально, можно определить, вверх или вниз направлен спин. Если держать ее горизонтально, можно измерить, направлен он вправо или влево. Спин очень полезен для наших целей, поскольку мы способны создавать реальные системы, где создаются две частицы и спины взаимно исключают друг друга. Если у одной частицы спин вверх, У другой наверняка спин вниз. Если у одной спин налево, у другой спин направо. Вот что мы имеем в виду, когда говорим о «запутанности квантовых состояний». Это просто ученый способ сказать, что если мы знаем квантовые свойства одной частицы, то в состоянии сказать что-то осмысленное о квантовых свойствах другой.