Читать книгу "О происхождении времени. Последняя теория Стивена Хокинга - Томас Хертог"

с чаепитием и обсуждением физических проблем.

Как и Стивен, Уилер, по всей видимости, отличался безграничным научным оптимизмом. Его творческое воображение и способность сосредотачивать внимание на самых важных вопросах физики вдохновили целые направления исследований на десятилетия вперед. Когда в 2008 году в возрасте 97 лет он скончался, в его некрологе, помещенном в New York Times, было процитировано высказывание Фримена Дайсона: «Поэтически Уилера можно уподобить пророку – он, как Моисей, озирает с горной вершины Обетованную землю, которую его народ однажды унаследует».

Рис. 44. Джон Уилер читает лекцию о различиях между классической и квантовой механикой. Принстон, 1967 г.

В своем мысленном эксперименте, который должен был прояснить роль наблюдения и причинности в квантовой теории, Уилер для простоты рассматривал не вселенные, а частицы. Сегодня эта схема известна под названием эксперимента с отложенным выбором; она представляет собой вариант эксперимента с двойной щелью. Опыт с двойной щелью, облучаемой частицами света, впервые выполнил английский ученый-энциклопедист Томас Юнг в XVIII веке. В современной версии этого эксперимента свет падает на две параллельные щели, прорезанные в препятствии, и затем попадает на установленную позади них фотопластинку. На пластинке образуется интерференционная картина из светлых и темных полос, так как расстояния, которые световые волны преодолевают от каждой щели до данной точки экрана, вообще говоря, различны. Квантовая природа света начинает проявляться, когда мы резко уменьшаем интенсивность источника света, превращая поток волн в скудный ручеек фотонов, испускаемых поодиночке. Так же, как и в эксперименте с электронами, который я описал в главе 3, приход каждой индивидуальной частицы – фотона – проявляется как крошечное пятно на фотопластинке. Но если мы некоторое время будем проводить этот опыт в условиях столь низкой интенсивности, то совокупность точек столкновений фотонов с экраном начнет образовывать интерференционную картину. Квантовая механика объясняет это, описывая каждый индивидуальный фотон как распространяющуюся волновую функцию, которая на щелях разделяется на части, а за щелями распространяется дальше и переплетается сама с собой, создавая картину высоких и низких вероятностей того, где каждый фотон будет попадать на пластинку.

Но если экспериментатор решит «сжульничать», поставив вблизи каждой щели по детектору с целью отследить, какой из путей – или оба вместе – выберут фотоны, тогда интерференционная картина больше появляться не будет. Вместо нее фотонные пятна в совокупности образуют на пластинке две яркие параллельные полосы, два совершенно раздельных классических следа – напротив одной и другой щели. Это происходит потому, что приемники действуют, как и облачка частиц вблизи каждой щели на рис. 42, – они выполняют акт наблюдения, который заставляет волновые участки, выходящие из обеих щелей, разделяться. Спрашивая у фотонов, через какую из щелей они собираются проскользнуть, детекторы вынуждают волновые функции фотонов проявить корпускулярную природу света.

Уилер, однако, придумал остроумный вариант эксперимента Юнга, в котором детекторы размещены не вблизи щелей, а подальше – вблизи фотопластинки (см. рис. 45). По сути, он представил себе, что пластинка заменена на жалюзи и пара детекторов размещена позади них, причем каждый приемник направлен на одну из щелей. Если мы закроем жалюзи, эксперимент даст то же, что и прежде: волновые функции фрагментов фотона-волны переплетаются и образуют интерференционную картину. Но если мы откроем створки жалюзи, фотоны пройдут сквозь них и детекторы помогут нам определить, через какую щель они прошли. Таким образом, для каждого отдельного фотона экспериментатор сможет решить, в каком режиме проводить эксперимент – другими словами, какой вопрос задавать, и значит, выявлять ли корпускулярную или волновую природу частиц света.

Замечательная догадка Уилера заключалась в том, что мы можем отложить наш выбор – открывать створки жалюзи или оставить их закрытыми – до самого момента, когда фотон достигнет пластинки. Создается поистине загадочная ситуация. Откуда фотон, уже прибывший к преграде, знает, вести ему себя как волна и распространяться по обоим путям или как частица и распространяться лишь по одному из них, в зависимости от будущего выбора экспериментатора? Очевидно, что фотоны не могут знать заранее, откроет экспериментатор жалюзи или закроет. С другой стороны, они не могут и отложить свое решение: быть ли им волной или частицей. Ведь если фотону надо приготовиться к возможности, что жалюзи будут закрыты, его волновая функция разделится при столкновении с преградой так, что комбинация обоих фрагментов волны сможет образовать наблюдаемую интерференционную картину. Это, однако, рискованно – ведь если жалюзи окажутся в конце концов открытыми, потому что экспериментатор в последний момент решил, что он хочет знать, по какому пути пошел фотон, то у волнообразного интерферирующего фотона появятся трудности.

Рис. 45. Вариант опыта Юнга с двойной щелью и частицами света. Вместо фотопластинки в правой части рисунка установлены жалюзи, а позади них – пара детекторов, каждый из которых направлен на одну из щелей. Экспериментатор, управляющий детекторами, может отложить свое решение – оставить створки жалюзи закрытыми и тем самым выполнить опыт Юнга в его исходной постановке, в которой получается интерференционная картина, или открыть створки и тем самым определить, через какую щель фотон прошел – до того момента, когда каждый индивидуальный фотон достигнет створок жалюзи. Мы могли бы подумать, что такой отложенный выбор будет сбивать фотоны с толку. Ничего подобного: природу обмануть не удается. Фотоны всегда «угадывают» выбор экспериментатора, демонстрируя тем самым, что акт наблюдения в квантовой теории неуловимо влияет на прошлое.

Мысленный эксперимент Уилера позже был осуществлен. В 1984 году квантовые физики-экспериментаторы в Мэрилендском университете установили перед экраном высокотехнологичные жалюзи: сверхбыстрый электронный затвор, при помощи которого можно было выбирать между двумя режимами наблюдений. Опыт подтвердил идею Уилера: фотоны, которые попадали в створки жалюзи, образовывали интерференционную картину, а те, что проходили насквозь, – нет. Каким-то образом фотоны всегда вели себя так, даже если выбор между тем, включать отслеживающий путь фотона детектор или нет, откладывался до момента, когда данный фотон уже оказывался за препятствием.

Как же так? Дело в том, что ненаблюдаемое прошлое в квантовой механике существует только как спектр возможностей – волновая функция. Так же, как электроны или частицы, образующиеся при радиоактивном распаде, призрачные волновые функции фотонов приобретают определенную реальность, только когда будущее, которое они порождают, уже вполне установилось – то есть стало наблюдаемым. Эксперимент с отложенным выбором – живая и поразительная иллюстрация того, что процесс наблюдения в квантовой механике вводит в физику некую тонкую форму телеологии, компонент с обратным направлением времени. Эксперименты и наблюдения, которые мы проводим сегодня – те самые вопросы, что мы задаем Природе, – ретроактивно преобразуют то, что могло случиться, в то, что действительно случилось, и таким образом участвуют в определении того, что можно сказать о прошлом.

Уилер,