Космос Эйнштейна. Как открытия Альберта Эйнштейна изменили наши представления о пространстве и времени
Шрифт:
Можно утверждать, что крошки со стола Эйнштейна помогают сегодня ученым выиграть Нобелевскую премию. Более того, с появлением теории суперструн эйнштейнова концепция обобщения всех сил, служившая когда-то объектом осмеяния и пренебрежительных комментариев, в наше время выходит на центральное место в мире теоретической физики. В этой главе обсуждаются новые достижения в трех областях, где наследие Эйнштейна продолжает жить и править миром физики: это квантовая теория, общая теория относительности и космология, а также единая теория поля.
В 1924 г., когда Эйнштейн только написал работу по конденсату Бозе – Эйнштейна, он не думал, что это занятное явление будет обнаружено в сколько-нибудь обозримом будущем. Ведь для того чтобы все квантовые состояния коллапсировали в гигантский суператом, необходимо было охладить материалы почти до абсолютного нуля.
В 1995 г., однако, Эрик Корнелл из Национального института стандартов и технологии и Карл Виман из Университета Колорадо сделали именно это, получив
После первоначального объявления открытия в этой быстро развивающейся области посыпались как из рога изобилия. В 1997 г. в МТИ Кеттерле с коллегами создали первый в мире «атомный лазер» с использованием бозе-эйнштейновского конденсата. Как известно, удивительные свойства лазерному свету придает то, что фотоны движутся в унисон друг с другом, тогда как обычный свет хаотичен и некогерентен. Поскольку вещество тоже обладает волновыми свойствами, рассуждали физики, поток атомов можно сделать когерентным; однако прогресс в этом направлении стопорился из-за отсутствия бозе-эйнштейновского конденсата. Теперь же физики достигли своей цели тем, что сначала охладили набор атомов и превратили их в конденсат, а затем направили на этот конденсат лазерный луч, который выстроил из атомов синхронизированный пучок.
В 2001 г. Корнелл, Виман и Кеттерле были удостоены Нобелевской премии по физике. Нобелевский комитет наградил их «за экспериментальное наблюдение бозе-эйнштейновской конденсации в разреженных газах атомов щелочных металлов и за первые фундаментальные исследования свойств таких конденсатов». Практическое применение конденсата Бозе – Эйнштейна еще впереди, пока идет лишь процесс осознания. Лучи атомных лазеров могли бы оказаться в будущем ценным инструментом в применении к нанотехнологиям. Возможно, они позволят манипулировать отдельными атомами и создавать слои атомных пленок для полупроводников в компьютерах будущего.
Помимо атомных лазеров некоторые ученые говорят о построении квантовых компьютеров (компьютеров, вычисляющих при помощи отдельных атомов) на основе бозе-эйнштейновского конденсата, которые со временем могли бы заменить обычные кремниевые компьютеры. Другие говорят о том, что скрытая масса, или темная материя, может отчасти состоять из бозе-эйнштейновского конденсата. Если это так, то именно в этом странном состоянии может находиться большая часть вещества Вселенной.
Кроме того, деятельность Эйнштейна вынудила квантовых физиков заново обдумать свою преданность первоначальной копенгагенской интерпретации этой теории. Еще в 1930–1940-е гг., когда квантовые физики радостно хихикали за спиной Эйнштейна, игнорировать этого гиганта современной физики было совсем несложно, ведь значительные открытия в квантовой физике делались едва ли не ежедневно. Кто готов был тратить время на проверку фундаментальных положений квантовой теории, когда физики спешили собирать Нобелевские премии как яблоки с ветки? Проводились сотни расчетов по свойствам металлов, полупроводников, жидкостей, кристаллов и других материалов, результаты которых легко могли привести к созданию целых промышленных отраслей. На остальное просто не было времени. Вследствие этого физики десятилетиями просто привыкали к интерпретациям копенгагенской школы, «заметая под ковер» не имеющие ответа глубокие философские вопросы. Споры Бора с Эйнштейном были забыты. Однако сегодня, когда на многие «простые» вопросы о веществе получены четкие ответы, гораздо более сложные вопросы, поднятые Эйнштейном, по-прежнему остаются без ответа. В частности, по всему миру проводятся десятки международных конференций, на которых физики заново рассматривают проблему кота Шрёдингера, упомянутую в 7-й главе. Теперь, когда экспериментаторы научились манипулировать отдельными атомами, проблема кота перестала носить чисто академический характер. Более того, от ее решения может зависеть конечная судьба компьютерных технологий, которыми определяется значительная доля мирового богатства, поскольку компьютеры будущего, возможно, будут работать на транзисторах, построенных из отдельных атомов.
Сегодня признается, что из всех альтернативных вариантов копенгагенская школа Бора предлагает наименее привлекательный ответ на проблему кота, хотя до сих пор никаких экспериментальных отклонений от первоначальной боровской интерпретации не обнаружено. Копенгагенская школа постулирует существование «стены», отделяющей повседневный макроскопический мир деревьев, гор и людей, который мы видим вокруг себя, от загадочного контринтуитивного микроскопического мира квантов и волн. В микроскопическом мире элементарные частицы существуют в промежуточном состоянии между бытием и небытием. Однако мы живем по другую сторону стены, где все
Некоторые физики, включая нобелевского лауреата Юджина Вигнера, пошли еще дальше. Ключевой элемент наблюдения, подчеркивал Вигнер, – это сознание. Чтобы провести наблюдение и определить реальность кота, необходим наделенный сознанием наблюдатель. Но кто наблюдает за наблюдателем? Наблюдателю тоже необходим свой наблюдатель (именуемый «другом Вигнера»), который определил бы, что наблюдатель жив. Но это подразумевает существование бесконечной цепочки наблюдателей, каждый из которых наблюдает за соседом и определяет, что предыдущий наблюдатель жив и здоров. Для Вигнера это означало, что где-то существует, возможно, некое космическое сознание, определяющее природу самой Вселенной! Он писал: «Само изучение внешнего мира привело к выводу о том, что содержимое сознания и есть конечная реальность». Кое-кто утверждал в связи с этим, что это доказывает существование Бога, некоего космического сознания, или то, что сама Вселенная каким-то образом обладает сознанием. Как сказал однажды Планк, «наука не в состоянии разрешить конечную загадку Природы. А все потому, что в конечном итоге мы сами являемся частью загадки, которую пытаемся разрешить».
За прошедшие десятилетия были предложены и другие интерпретации. В 1957 г. Хью Эверетт, в то время аспирант физика Джона Уилера, предложил, возможно, самое радикальное решение проблемы кота – «многомировую» теорию, согласно которой все возможные вселенные существуют одновременно. Кот в самом деле может быть мертвым и живым одновременно, потому что сама Вселенная расщепилась надвое. Следствия из этой идеи, откровенно говоря, неуютны, поскольку при этом подразумевается, что вселенная постоянно, каждое квантовое мгновение раздваивается, образуя бесконечное число квантовых вселенных. Сам Уилер, поначалу горячо поддержавший идею своего студента, позже отказался от нее, заявив, что с таким подходом связано слишком много «метафизического багажа». Представьте, к примеру, космический луч, пронзающий в подходящий момент чрево матери Уинстона Черчилля и вызывающий выкидыш. Таким образом, одно квантовое событие отделяет нас от вселенной, в которой Черчилль, способный поднять народ Англии и всего мира на борьбу с убийственными силами Адольфа Гитлера, попросту не родился. В той параллельной вселенной нацисты, возможно, выиграли Вторую мировую войну и поработили значительную часть мира. Или представьте себе мир, где солнечный ветер, запускаемый квантовыми событиями, сбил с пути ту комету или метеорит, который 65 млн лет назад угодил в мексиканский полуостров Юкатан и стер с лица Земли динозавров. В той параллельной вселенной человек не появился вовсе и Манхэттен, где я сейчас живу, населен неистовыми динозаврами.
Голова идет кругом при мысли о всех возможных вселенных. После нескольких десятилетий бесплодных споров о разных интерпретациях квантовой теории в 1965 г. физик Джон Белл из ядерной лаборатории CERN в Женеве (Швейцария) проанализировал эксперимент, способный, по идее, решающим образом доказать или опровергнуть эйнштейнову критику квантовой теории. Придумал этакую своеобразную лакмусовую бумажку [28] . Сам он симпатизировал глубоким философским вопросам, которые поднимал в свое время Эйнштейн, потому и предложил теорему, которая должна была наконец решить этот вопрос. Первый убедительный эксперимент такого рода осуществил в 1983 г. Ален Аспе в Парижском университете, и его результаты подтвердили квантово-механическую точку зрения. Эйнштейн в своей критике квантовой теории был неправ.
28
Точнее, Белл выступал за перепроверку старого мысленного эксперимента Эйнштейна – Подольского – Розена. В принципе, возможно измерить угол между осями поляризации пары электронов. Проведя подробный анализ зависимости между различными углами поляризации двух пар электронов, Белл сумел построить в отношении этих углов неравенство, названное его именем. Если квантовая механика верна, то величины должны удовлетворять одному набору отношений, если неверна – другому. Всякий раз, когда проводится этот эксперимент, корректными оказываются предсказания квантовой механики. – Прим. авт.
Но если критику Эйнштейном квантовой теории можно смело отбросить, то какая из различных квантово-механических школ правильно видит мир? Большинство физиков сегодня считает, что копенгагенская интерпретация удручающе неполна. Стена, отделяющая, по мнению Бора, микроскопический мир от макроскопического, в наше время, когда ученые в состоянии манипулировать отдельными атомами, выглядит неубедительно. Более того, сканирующий туннельный микроскоп способен перемещать отдельные атомы; с его помощью из атомов было составлено название фирмы IBM и построены работающие счеты. Вообще, на базе манипуляций с атомами создана новая технологическая область, получившая название «нанотехнологии». Эксперименты, подобные мысленному опыту Шрёдингера с котом, теперь можно проводить на отдельных атомах.