Как нас обманывают органы чувств - Дональд Дэвид Хоффман

и пластиной стоит металлический экран с двумя узкими щелями – назовем их А и Б, – сквозь которые могут проходить фотоны.

Если открыта только одна щель, то фотоны попадают, как и ожидалось, на часть фотографической пластины позади этой щели. Но если открыты обе щели, то фотоны попадают, в противовес ожиданиям, серией полос, напоминающей интерференционную картину, которая получается при столкновении двух волн – с примечательным результатом, что некоторые области на пластине, получающие много фотонов, когда открыта только одна щель, получат меньше фотонов, или даже вовсе ни одного, когда открыты обе щели. В этом случае на первый взгляд кажется, что каждый фотон каким-то образом прошел сквозь обе щели А и Б одновременно. Для волны это не проблема. Но фотон – частица; и, если мы проведем такой же эксперимент с электронами, которые также частицы, мы получим такую же интерференционную картину.

Как же частица проворачивает такой трюк? Расщепляется на половинки? Если мы попробуем внимательно понаблюдать за щелями, то видим, что фотон всегда проходит только через одну щель, никогда через обе. Более того, если мы наблюдаем, через какую щель он проходит, то интерференционная картина разрушается.

Никто на самом деле не знает, что делает фотон или электрон, когда открыты обе щели. Это нерешенная загадка квантовой теории. Кажется некорректным говорить, он проходит через А, через Б, через обе или ни через одну. Физики просто говорят, что его траектория – это суперпозиция А и Б. Это значит, что мы не знаем, что происходит, даже если можем записать простые формулы, включающие линейные комбинации, называемые суперпозициями, которые точно моделируют результаты экспериментов. И подобную магию в двухщелевых экспериментах демонстрируют не только крохотные частицы, как фотоны и электроны. В 2013 году Сандра Эйбенбергер и ее коллеги обнаружили такой же магический трюк в исполнении большой молекулы – любовно называемой C284.H190.F320.N4.512 – состоящей из 810 атомов, общая масса которых превышает 10000 протонов или 18 миллионов электронов. Она чуть меньше вируса{177}. Квантовая странность не ограничивается субатомным уровнем.

Уилеровская вариация этого эксперимента с отложенным выбором умная: подождать, когда фотон минует металлический экран, и только тогда решать, что измерять – траекторию А, траекторию Б или суперпозицию. Его словами: «Давайте подождем, пока частица пройдет экран, прежде чем – по своему свободному выбору – решать, должна ли она была пройти „через обе щели” или „через одну”{178}. Эксперимент Уилера проводился с фотонами (и атомами гелия!), и он сработал{179}. Что мы выбираем измерять после того, как фотон миновал экран, определяет, что делал фотон или, по крайней мере, что мы можем сказать о том, что он делал, до момента измерения. «В эксперименте с отложенным выбором мы, путем принятия решения здесь и сейчас, оказываем необратимое влияние на то, что захотим сказать о прошлом – странная инверсия нормального хода времени»{180}. Прошлое зависит от нашего выбора в настоящем. Не удивительно, что Поппер и биологи растерялись.

Позже Уилер расширил свой эксперимент до космического масштаба{181}. Вместо фотонной пушки рассмотрим далекий квазар – сверхмассивную черную дыру, которая поглощает вещество из окружающей галактики, формируя аккреционный диск, и в процессе испускает астрономическое количество света и излучения, возможно в сотню раз превышающее суммарную мощность звезд нашей галактики Млечный Путь. Предположим, что этот квазар находится позади массивной галактики. Согласно теории гравитации Эйнштейна, такая галактика искажает пространство-время. Его теория также предсказывает, что, если все пойдет как надо, мы можем видеть два изображения этого квазара, потому что его свет может путешествовать по двум разным траекториям через искаженное пространство-время – космическая оптическая иллюзия, вызываемая огромными гравитационными линзами. Рис. 8 демонстрирует пример на сделанной космическим телескопом «Хаббл» фотографии двойного квазара QSO 0957+561, находящегося на расстоянии почти 14 миллиардов световых лет от земли.

Благодаря ей мы имеем конфигурацию, необходимую для проведения эксперимента с отложенным выбором в космическом масштабе. Используя телескоп, чтобы уловить фотоны из двойного квазара, мы можем выбрать измерять ли, какую траекторию через гравитационную линзу выбирает фотон – верхнюю или нижнюю часть изображения Хаббла, – или измерять суперпозицию. Если мы решаем измерять траекторию и обнаруживаем фотон, скажем, в верхней части, значит, почти 14 миллиардов лет этот фотон двигался по этой траектории из-за выбора, который мы сделали сегодня. Если же мы решили бы измерять суперпозицию, тогда этот фотон имел бы другую историю на протяжении прошедших 14 миллиардов лет. Наш сегодняшний выбор определяет миллиарды лет истории. Большинство из нас не может выжать лежа сотню килограммов. Но мы можем дотянуться за триллионы километров и на миллиарды лет назад, чтобы переписать прошлое – подвиг, достойный Геракла.

Рис. 8. Изображение двойного квазара QSO 0957+561, полученное космическим телескопом «Хаббл». Источник: ESA/NASA

Это поднимает ставки. Квантовая теория разбивает наши интуитивные представления об объектах, отрицая, что они обладают определенными значениями физических параметров, которые не зависят от того, подвергаются ли они наблюдению и как. Теперь она разбивает пространство и время. Как говорит Уилер: «Нет пространства. Нет времени. Слово «время» не ниспослано свыше. Его изобрел человек. Если существуют проблемы с концепцией времени, мы сами их создали… как говорил Эйнштейн „Пространство и время являются принципами нашего мышления, а не условий, в которых мы живем”»{182}.

Эйнштейн показал, что разные наблюдатели, двигающиеся с разной скоростью, не согласны в своих измерениях времени и пространства. Но они согласны насчет скорости света и насчет интервалов в пространстве-времени – объединении пространства и времени в единое целое, где пространство и время могут взаимно изменяться. Это породило надежду, что пространство-время является объективной реальностью, даже если пространство и время по отдельности ею не являются. Уилер, пользуясь своим экспериментом с отложенным выбором как оружием уничтожения здравого смысла, убил эту надежду. «Что мы должны сказать о спайке пространства и времени в пространство-время, которое дал нам Эйнштейн в 1915 году, и о до сих пор общепринятой классической геометродинамике?.. ничего сущее не может надеяться считаться фундаментальным, если оно не переводит всю физику континуума в язык битов»{183}. Он настаивал, что пространство-время и его объекты не фундаментальны. Вместо этого он предложил принцип «всё из бита»: фундаментальна информация, а не материя; материя возникает из битов информации. Скачок Уилера от пространства-времени к битам информации более чем шокирующий. Почему эти два понятия должны быть связаны? И почему биты должны заменить пространство-время? Пространство-время кажется таким реальным – действительно, краеугольный камень и основа реальности. Безусловно,