Пространство, время и предположения теории

Наше путешествие к раскрытию природы пространства и времени было долгим и насыщенным множеством сюрпризов; несомненно, мы ещё только в начале пути. За несколько последних столетий мы были свидетелями цепочки прорывов, каждый из которых радикально менял наши представления о пространстве и времени. Теоретические и экспериментальные предложения, рассмотренные в данной книге, отражают идеи и взгляды нашего поколения; вероятно, большая их часть войдёт в наше научное наследие. В главе 16 мы обсудим некоторые из самых недавних теоретических достижений в попытке пролить свет на то, что может оказаться следующими шагами нашего путешествия. Но сначала, в главе 15, посмотрим в другом направлении.

Хотя нет и не может быть никаких правил научных открытий, но история показывает, что глубокое понимание часто ведёт к новым технологическим достижениям. Изучение электромагнитного взаимодействия в XIX в. в конечном счёте привело к изобретению телеграфа, радио и телевидения. Объединив это знание с последующими прорывами в области квантовой механики, мы смогли создать компьютеры, лазеры и самые разнообразные электронные устройства, которым не счесть числа. Понимание ядерных сил привело к опасному овладению самым мощным оружием, которое когда-либо знал мир, а также к развитию технологий, которые в перспективе могли бы удовлетворить энергетические потребности всего мира с помощью всего лишь цистерн солёной воды. Станет ли наше всё углубляющееся понимание пространства и времени первым шагом аналогичной цепочки открытий и технологических достижений? Овладеем ли мы когда-нибудь пространством и временем и достигнем ли того, что пока является уделом лишь научной фантастики?

Никто не знает этого. Но давайте сейчас оценим, как далеко мы зашли и что это может повлечь за собой.

Глава 15. Телепортация и машины времени

Путешествие сквозь пространство и время

Возможно, мне просто не хватало воображения в далёких 1960-х гг., но самой невероятной вещью мне тогда казался компьютер на борту «Энтерпрайза» из сериала «Звёздный Путь». Я был учеником начальной школы и мог спокойно допустить, что когда-нибудь будут созданы двигатели, позволяющие почти мгновенно преодолевать громадные космические расстояния, и меня не удивляла Вселенная, населённая инопланетянами, бегло говорящими по-английски. Но чтобы машина могла по запросу выводить изображение какой угодно исторической личности, предоставлять технические спецификации для любого оборудования или текст какой угодно книги из когда-либо написанных? Именно в это я отказывался верить. В конце 1960-х гг. подросток в моём лице был уверен, что никогда не будет найден способ собирать, хранить и предоставлять быстрый доступ к такому богатству информации. И всё же, менее полувека спустя, я сижу на кухне с ноутбуком, снабжённым беспроводным доступом в Интернет и программой распознавания речи, и играю роль капитана Кирка, листая обширные хранилища знаний — от капитальных до несерьёзных — не пошевелив и пальцем. Конечно, наши компьютеры ещё проигрывают в скорости и эффективности вымышленным компьютерам XXIII в. из мира «Звёздного Пути», но легко представить, что через двести лет наши технологии превзойдут всяческие ожидания.

Этот пример стал одним из избитых штампов для иллюстрации возможности научной фантастики предсказывать будущее. Но что может быть соблазнительней такой машины: вы входите в помещение, щёлкаете переключатель и мгновенно переноситесь в далёкое место или другое время? Возможно, однажды мы освободимся от ограничений на пространство и время, к которым мы были так долго привязаны, и познаем дальние пределы пространств и времён? Или же такая возможность навсегда останется уделом научной фантастики? Уличив меня в детской неспособности предвидеть информационную революцию, вы можете усомниться в моей способности предсказывать будущие технологические прорывы. Поэтому вместо размышлений о вероятности того, что может быть, в этой главе я расскажу, как далеко мы уже продвинулись, как в теории, так и на практике, в направлении реализации телепортации и машины времени, и что понадобится для дальнейшего продвижения и овладения контролем над пространством и временем.

Телепортация в квантовом мире

В общепринятых описаниях научной фантастики телепортер (или транспортёр — на сленге «Звёздного Пути») сканирует объект и определяет его строение, а затем посылает эту информацию в удалённое место, где и воссоздаётся этот объект. В одних научно-фантастических произведениях сам объект «дематериализуется» и его атомы и молекулы посылаются вместе с информацией для последующей сборки, в других же произведениях создаётся точная копия объекта из атомов и молекул, находящихся в «приёмнике» телепортера. Научный подход к телепортации, развитый за последнее десятилетие, ближе по духу ко второму варианту, что сразу же влечёт два существенных вопроса. Первый вопрос представляет собой стандартную, но трудную философскую головоломку: когда, если вообще когда-либо, точная копия должна идентифицироваться с оригиналом и рассматриваться как оригинал? Второй вопрос заключается в том, возможно ли, даже в принципе, полностью определить строение и состав объекта так, чтобы затем можно было создать «шаблон», по которому можно было бы точно восстановить объект?

Во Вселенной, подчиняющейся законам классической физики, ответ на второй вопрос был бы положительным. Параметры каждой частицы, составляющей объект (её тип, положение, скорость и т. д.), в принципе можно абсолютно точно измерить, а затем передать эту информацию в удалённое место, чтобы воссоздать по ней сам объект. Сделать подобное для объекта, состоящего больше чем из горстки элементарных частиц, видится неимоверно сложной задачей, но в классической Вселенной эта задача в принципе разрешима — всё упирается только в сложность.

Во Вселенной, подчиняющейся законам квантовой физики, — нашей Вселенной — ситуация гораздо более тонкая. Мы знаем, что акт измерения вынуждает ряд параметров объекта выплыть из «квантового тумана» и принять определённые значения. Например, когда мы наблюдаем частицу, то измеренные нами параметры не отражают неопределённую квантовую смесь атрибутов, которую она имела до нашего наблюдения.{286} Таким образом, если мы хотим скопировать объект, мы попадаем в порочный квантовый круг. Чтобы скопировать, мы должны наблюдать, чтобы знать, что копировать. Но сам акт наблюдения вносит изменения, так что если мы копируем то, что видим, то мы скопируем не то, что было до нашего наблюдения. Отсюда можно прийти к заключению, что телепортация в квантовом мире невозможна, но не просто из-за практических ограничений, вытекающих из сложности одновременного измерения всех параметров гигантского количества объектов, а в силу фундаментальных ограничений, отражающихся в квантовой физике. Тем не менее, как мы увидим в следующем разделе, в начале 1990-х гг. международная группа физиков нашла искусный способ обойти это препятствие.

Что касается первого вопроса по поводу взаимосвязи между копией и оригиналом, квантовая физика даёт точный и ободряющий ответ. Согласно квантовой механике все электроны во Вселенной идентичны друг другу в том смысле, что все они обладают одной и той же массой, одним и тем же электрическим зарядом, одними и теми же характеристиками слабого и сильного взаимодействия и одним и тем же полным спином. Более того, согласно основательно проверенному утверждению квантовой механики только что приведённый перечень исчерпывает все характеристики электрона; электроны идентичны по отношению к этим характеристикам, а других существенных характеристик просто нет. В том же смысле идентичны все u-кварки, идентичны все d-кварки, идентичны все фотоны и т. д. — данное утверждение справедливо для всех типов частиц. Как было установлено ещё много десятилетий тому назад, частицы также можно рассматривать как наименьшие «пакеты» поля (например, фотоны — наименьшие пакеты электромагнитного поля), и квантовая физика показывает, что такие мельчайшие составляющие одного и того же поля всегда идентичны. (Или, согласно представлению теории струн, частицы одного типа имеют идентичные характеристики из-за того, что являются идентичными вибрациями струны всего одного типа.)