Мичио Каку
Паралелни светове (8)

6
Паралелни квантови вселени

„Спокойно мога да заявя, че никой не разбира квантовата механика.“

Ричард Файнман

„Всеки, който не се шокира от квантовата теория, просто не я разбира.“

Нилс Бор

„Безкрайно невероятностният двигател представлява чудесно изобретение, правещо възможно прекосяването на огромни междузвездни пространства за нищожно малка част от секундата, като при това се избягва онова досадно мотаене из хиперпространството.“^[1]

Дъглас Адамс

В превърналия се в бестселър чалнат фантастичен роман на Дъглас Адамс „Пътеводител на галактическия стопаджия“ главният герой се натъква на най-изкусния начин за пътуване в космоса. Вместо да използва дупки-червеи, хиперпространствени двигатели или портали към други измерения, космическият кораб успява да овладее принципа на неопределеността, за да профучава за миг през огромните пусти пространства между галактиките. Ако можем по някакъв начин да контролираме вероятността на някои невероятни събития, тогава всичко ще бъде възможно, дори движението със свръхсветлинна скорост и пътуването във времето. Достигането на далечни звезди за секунди е много малко вероятно, но ако някой успее да подчини квантовите вероятности, дори невъзможното ще стане нещо съвсем обичайно за него.

Квантовата теория се основава на идеята, че за всяко възможно нещо, независимо колко фантастично или безумно е то, съществува вероятност да се случи. Тя на свой ред е в основата на теорията за инфлационната вселена — след Големия взрив е имало квантов преход към ново състояние, в което вселената внезапно се е разширила до невъобразими размери. Оказва се, че цялата вселена може да се е появила от крайно невероятен квантов скок. Макар че Адамс пише шеговито, ние физиците си даваме сметка, че ако можем по някакъв начин да контролираме тези вероятности, ще бъдем в състояние да вършим неща, които по нищо не биха се различавали от магията. Но засега промяната на вероятността за едно или друго събитие далеч надхвърля възможностите на технологиите.

Понякога задавам на студентите си в университета простички задачи, като например да изчислят каква е вероятността да се разтворят и да се появят от другата страна на тухлена стена. Според квантовата теория съществува нищожно малка, но все пак поддаваща се на изчисляване вероятност това да стане. Или пък вероятността да се изпарим от дневната и да се озовем на Марс. Според квантовата теория по принцип нищо не пречи да се появим от нищото на Червената планета. Разбира се, вероятността за това е толкова малка, че може да ни се наложи по-дълго време, отколкото й е отпуснато на вселената. Ето защо можем спокойно да загърбим невероятните събития в ежедневието си. На субатомно ниво обаче тези вероятности са жизненоважни и от тях зависи функционирането на електрониката, компютрите и лазерите.

Навярно малцина знаят, че електроните редовно се дематериализират и се появяват отново от другата страна на стените в компонентите на вашия компютър или компактдисково устройство. На практика съвременната цивилизация би рухнала, ако електроните не можеха да бъдат на две места по едно и също време. (Молекулите на телата ни също биха се разпаднали при отсъствието на този странен принцип. Представете си две слънчеви системи, които се сблъскват в пространството под въздействието на Нютоновия закон за гравитацията. Ще се получи хаотична бъркотия от планети и астероиди. По същия начин, ако атомите се подчиняваха на Нютоновите закони, те щяха незабавно да се разрушат при сблъсъка им с друг атом. Два атома остават свързани в стабилна молекула благодарение на факта, че електроните могат да бъдат едновременно на толкова много места, че образуват електронен „облак“, който свързва атомите в едно цяло. Така че причината молекулите да са стабилни и вселената да не се е разпаднала се дължи на това, че електроните могат да се намират на много места едновременно.)

Но щом електроните могат да съществуват в паралелни състояния между съществуването и несъществуването, защо това да не се отнася и за цялата вселена? В края на краищата в един момент от съществуването си тя е била по-малка и от електрон. Започнем ли да прилагаме квантовия принцип към нея, ние неминуемо сме принудени да допуснем съществуването на паралелни вселени.

Точно тази вероятност изследва Филип К. Дик в смущаващия си фантастичен роман „Човекът във високия замък“. В него се разказва за алтернативна вселена, отделила се от нашата след едно-единствено съдбоносно събитие. През 1933 г. световната история се променя, след като куршумът на един наемен убиец убива президента Рузвелт по време на първия му мандат. Вицепрезидентът Гарнър поема поста му и започва политика на изолационизъм, която отслабва военната мощ на Съединените щати. Неподготвени за атаката над Пърл Харбър и неспособни да се възстановят след загубата на тихоокеанския си флот, през 1947 г. САЩ са принудени да капитулират пред Япония и Германия. Страната е разделена на три части. Германците контролират Източното крайбрежие, японците — Западното, а между тях е оставена една несигурна буферна зона — Скалистите планини. В тази паралелна вселена някакъв мистериозен автор пише книга със заглавие „И скакалци земята покриха“ — цитат от забранената от нацистите Библия. В нея се разказва за алтернативна вселена, в която Рузвелт оживява, а САЩ и Великобритания побеждават нацистите. Мисията на героинята е да разбере дали има някаква истина в историята за вселена, в която демокрацията и свободата побеждават тиранията и расизма.

Зоната на здрача

Светът на „Човекът във високия замък“ е отделен от нашия с един-единствен незначителен инцидент — точно насоченият куршум на убиеца. Възможно е обаче паралелният свят да се отдели от нашия и от нещо още по-нищожно — едно-единствено квантово събитие, като например космически лъч.

В един от епизодите на телевизионната серия „Зоната на здрача“ героят се събужда и установява, че съпругата му не го познава. Жената крещи да се махне или ще се обади в полицията. Докато скита из града, човекът открива, че дългогодишните му приятели също не го познават, сякаш никога не е съществувал. Накрая посещава дома на родителите си, където остава потресен до дъното на душата си. Майка му и баща му твърдят, че никога не са го виждали и че никога не са имали син. Останал без приятели, семейство и дом, героят броди безцелно из града и накрая заспива като бездомник на една пейка в парка. Когато отваря очи, открива, че се намира в удобното легло до съпругата си. Когато обаче тя се обръща, той с ужас установява, че това не е съпругата му, а напълно непозната жена, която вижда за първи път през живота си.

Възможни ли са подобни абсурдни ситуации? Може би. Ако героят бе задал някои разкриващи въпроси на майка си, може би щеше да открие, че тя е направила спонтанен аборт и затова няма син. Понякога е достатъчен един-единствен космически лъч или частица от космоса да уцели ДНК на зародиша, за да предизвика мутация, която да доведе до помятане. В подобен случай едно-единствено квантово събитие е в състояние да раздели два свята — един, в който живеете като обикновен и порядъчен гражданин, и друг, който е абсолютно същият с тази разлика, че никога не сте се раждали.

Преминаването между тези светове е възможно според законите на физиката. Вероятността за това обаче е астрономически малка. Но както виждате, квантовата теория ни представя вселената като много по-странно място от онова, което описва Айнщайн. Според теорията за относителността сцената на живота, на която играем ролите си, може да е направена от гума и актьорите да се движат по криви траектории. Подобно на Нютоновия свят, актьорите от света на Айнщайн си казват репликите от написан преди постановката сценарий. В квантовата пиеса обаче участниците изведнъж захвърлят сценария и започват да играят на своя глава. Куклите късат въжетата си. Цари свободната воля. Актьорите могат да изчезват и да се появяват, и дори нещо повече — да ги виждаме едновременно на две места. Когато произнасят репликите си, те никога не знаят със сигурност дали не се обръщат към някой, който може внезапно да изчезне и да се появи другаде.

Титаничният ум — Джон Уилър

Може би никой с изключение на Айнщайн и Бор не се е борил повече с абсурдите и успехите на квантовата теория от Джон Уилър. Дали цялата физическа реалност не е просто илюзия? Съществуват ли паралелните квантови вселени? В миналото, когато не се занимавал с тези неразрешими квантови парадокси, Уилър прилагал вероятностите в устройството на атомни и водородни бомби и бил един от пионерите в изучаването на черните дупки. Той е последният от гигантите, или „титаничните умове“, както ги нарича ученикът му Ричард Файнман, борещи се със смахнатите следствия на квантовата теория.

Именно Уилър пръв изнамери подходящия термин „черна дупка“ през 1967 г. на една конференция в Института на NASA за космически изследвания „Годърт“ в Ню Йорк след откриването на първите пулсари.^[2]

Джон Уилър е роден през 1911 г. в Джаксънвил, Флорида. Баща му бил библиотекар, но инженерството било отличителната черта на рода му. Трима от чичовците му били минни инженери и в работата си често използвали експлозиви. Идеята за използването на динамита му действала завладяващо и той много обичал да гледа експлозии. (Един ден най-неразумно експериментирал с парче динамит, което гръмнало в ръката му и отнесло част от палеца и върха на показалеца. По чисто съвпадение същото се случило и с Айнщайн, докато учел в колежа — след предизвикана от невнимание експлозия се наложило да му направят няколко шева.)

Уилър бил преждевременно развито дете. Отрано овладял математическия анализ и жадно поглъщал всяка книга за новата област, за която говорели приятелите му — квантовата механика. Буквално пред очите му в Европа Нилс Бор, Вернер Хайзенберг и Ервин Шрьодингер създавали нова теория, разкриваща неочаквано тайните на атома. Само няколко години по-рано последователите на философа Ернст Мах отричаха съществуването на атомите и твърдяха, че те никога не са били наблюдавани в лабораторни условия и вероятно са просто измислица. Малко вероятно е да съществува нещо, което не може да се наблюдава, твърдели те. Големият немски философ Людвиг фон Болцман, положил основите на термодинамиката, се самоубил през 1906 г. донякъде и заради многобройните подигравки, предизвикани от предположението му за съществуването на атомите.

И най-ненадейно, само за някакви си години (между 1925 и 1927 г.), тайните на атома започнали да се разнищват. Никога досега в съвременната история (с изключение на 1905 г., когато излязъл трудът на Айнщайн) за толкова кратко време не е имало научно постижение от подобен мащаб. Уилър искал да бъде част от тази революция, но много добре разбирал, че САЩ са провинция за физиката — в страната нямало нито един физик, който да може да се мери с големите светила. Уилър последвал примера на Дж. Робърт Опенхаймер — напуснал Щатите и заминал за Копенхаген, за да се учи при един от най-големите — Нилс Бор.

Направените дотогава експерименти показвали, че електроните имат поведение и на частици, и на вълни. Този странен дуализъм най-сетне бил обяснен от квантовата физика — докато танцува около ядрото на атома, електронът има вид на частица, но се съпровожда и от загадъчна вълна. През 1925 г. австрийският физик Ервин Шрьодингер предложил уравнение (известното вълново уравнение на Шрьодингер), описващо точно движението на тази вълна. Означена с гръцката буква пси, тя давала нечувано точни предсказания за поведението на атомите и именно това положило началото на революцията във физиката. Изведнъж, едва ли не от самото начало, учените били в състояние да надзърнат в самия атом ида изчислят как електроните се носят по орбитите си, преминават от едно състояние в друго и как съединяват атомите в молекули.

Квантовият физик Пол Дирак дори изтъкнал, че физиката скоро щяла да превърне цялата химия в най-обикновено инженерство: „Физичните закони, необходими за математическата теория на по-голямата част от физиката и за цялата химия вече са напълно познати и трудността е само в това, че прилагането им води до прекалено сложни за решаване уравнения.“^[3] Колкото и забележителна да била тази пси-функция, все още си оставало загадка какво точно представлявала тя.

Най-сетне през 1928 г. физикът Макс Борн излязъл с идеята, че тази вълнова функция показва вероятността за откриване на електрона в която и да било точка. С други думи, никога не можем да бъдем сигурни къде точно се намира частицата — можем единствено да изчислим вълновата й функция, която ще ни каже каква е вероятността да я открием в определена позиция. И така, щом атомната физика може да се сведе до вълни на вероятност даден електрон да се намира на едно или друго място и ако електронът е в състояние да се намира на две места едновременно, как можем да определим къде всъщност се намира той?

Бор и Хайзенберг в крайна сметка формулирали пълния набор рецепти в квантовата готварска книга, съставена блестящо чрез атомни експерименти със забележителна прецизност. Вълновата функция само ни казва каква е вероятността електронът да се намира тук или там. Ако в определена точка стойността на функцията е голяма, това означава, че най-вероятно електронът се намира именно там (и обратното — ако стойността е малка, електронът по-скоро ще отсъства). Например, ако можем да „видим“ вълновата функция на даден човек, тя ще изглежда почти като самия човек. Същевременно обаче функцията леко се просмуква в пространството, което означава, че има някаква малка вероятност човекът да се намира на Луната. (Всъщност вълновата функция на човека се простира из цялата вселена.)

Това също означава, че вълновата функция на някое дърво може да ни каже каква е вероятността то да е изправено или паднало, но не е в състояние да определи точното му състояние. Разбира се, здравият разум ни казва, че телата се намират в точно определени състояния. Когато поглеждаме към дървото, то е пред очите ни — или право, или паднало, но никога и двете едновременно.

За да разрешат несъответствието между вълните от вероятност и нормалното ни възприемане на заобикалящата ни реалност, Бор и Хайзенберг приели, че след направеното от страничен наблюдател измерване вълновата функция магически „колапсира“ и електронът остава в определено състояние — т.е., ние виждаме изправеното дърво едва след като сме погледнали към него. С други думи, процесът на наблюдение определя окончателното състояние на електрона. Наблюдението е жизненоважно за съществуването. След като погледнем към електрона, неговата вълнова функция колапсира и той заема определено положение, при което нямаме нужда от вълнови функции.

Най-общо казано, постулатите на школата на Бор в Копенхаген могат да се обобщят по следния начин:

1. Цялата енергия се излъчва на дискретни порции, наречени кванти. (Например квантът на светлината е фотонът. Квантите на слабото ядрено взаимодействие са W– и Z-бозоните, на силното — глуонът, а квантът на гравитацията се нарича гравитон, който тепърва предстои да се види в лабораторни условия.)

2. Материята съществува под формата на частици, но вероятността да открием частицата в определена точка се изразява като вълна. От своя страна тази вълна се подчинява на специфично вълново уравнение (като уравнението на Шрьодингер).

3. Преди наблюдението тялото съществува във всички възможни състояния едновременно. За да се определи състоянието му, ние трябва да проведем наблюдение, което „колапсира“ вълновата функция и тялото приема определено състояние. Самият акт на наблюдаване унищожава вълновата функция и тялото се установява в точно определено реално състояние. Вълновата функция е изпълнила предназначението си — тя ни е дала точната вероятност да открием тялото точно в това състояние.

Детерминизъм или неопределеност

Квантовата теория е най-успялата физична теория на всички времена. Нейна висша формулировка е Стандартният модел — плодът на десетилетия експерименти с ускорители на частици. Части от тази теория бяха подложени на тест и доказани с точност до една десетомилиардна. Ако се включи и масата на неутриното, Стандартният модел става съвместим с всички експерименти със субатомни частици без изключение.

Но независимо от това колко успешна е квантовата теория, експериментално тя се основава на постулати, които са отприщили същински бури от философски и теологични спорове през последните осемдесет години. Вторият постулат предизвикал особено силно раздразнението на теолозите, защото повдига въпроса кой всъщност решава съдбата ни. В продължение на векове философи, теолози и учени силно се интересували от бъдещето и дали е възможно да узнаем какво ни очаква. В „Макбет“ отчаяният от неспособността да повдигне воала на бъдещето Банко произнася следните думи:

Ако умеете да различите

сред семето на времето зърната,

които ще кълнят, от тез, които

са ялови, съдбата предскажете…

(Първо действие, Трета сцена)^[4]

Шекспир пише тези стихове през 1606 г. Осемдесет години по-късно един друг англичанин — Исак Нютон — проявява дързостта да твърди, че знае отговора на този древен въпрос. И Нютон, и Айнщайн вярвали в концепцията, известна като детерминизъм, според която по принцип могат да се определят всички бъдещи събития. За Нютон вселената представлявала гигантски часовников механизъм, задействан от Бог в зората на времето. Той работи оттогава по напълно предсказуем начин, подчинявайки се на трите закона на динамиката. Френският математик и научен съветник на Наполеон Пиер Симон дьо Лаплас написал, че с помощта на законите на Нютон бъдещето може да се предскаже със същата точност, с която познаваме миналото. Според него, ако някой узнае положението и скоростта на всяка частица във вселената, то „за подобен разум не би имало нищо несигурно и бъдещето ще се представи пред него също като миналото“^[5]. Когато Лаплас представил на Наполеон капиталния си труд „Небесна механика“, императорът отбелязал: „Написал сте този огромен труд за небесата, без нито веднъж да споменете за Бог.“ „Нямах нужда от тази хипотеза, сир“, отвърнал Лаплас.

За Нютон и Айнщайн идеята за свободната воля, ръководеща съдбата ни, е илюзия. Айнщайн нарича нормалното ни възприемане на заобикалящия ни свят, твърдите тела, които докосваме и които са истински и съществуват в определени състояния, „обективна реалност“. Ето и най-ясното представяне на неговата позиция:

„Аз съм детерминист, принуден да действа така, сякаш съществува свободна воля, защото ако желая да живея в цивилизовано общество, трябва да действам по съответния начин. Знам, че от философска гледна точка убиецът не е отговорен за престъпленията си, но предпочитам да не сядам с него на една маса… Аз не мога да контролирам онези мистериозни жлези, в които природата подготвя самата същност на живота. Хенри Форд го нарича свой Вътрешен глас, а за Сократ това е неговият демон — всеки човек обяснява по свой начин факта, че човешката воля не е свободна… Всичко е предопределено — както началото, така и краят, от сили, върху които нямаме власт. Това важи както за насекомото, така и за звездата. Човешките същества, растенията и космическият прах — всички ние се носим в загадъчния танц, чийто ритъм се определя от невидим музикант.“^[6]

Теолозите също се борели с този проблем. Повечето религии вярват в някакъв вид предначертаване на пътя и идеята, че Бог е не само всемогъщ и вездесъщ, но и всезнаещ (в това число и бъдещето). В някои религии това означава, че Бог знае дали ще отидем в рая или в ада още преди да сме се родили. Всъщност някъде на небето има „книга на съдбата“, в която са изброени всички наши имена, дати на раждане, простъпки и триумфи, радости и мъки, дори и датата на смъртта ни и дали след това ни очаква живот в рая или вечно проклятие.

(Именно този деликатен теологически въпрос за предначертаната съдба донякъде станал причина за разделяне на католическата църква през 1517 г., когато Мартин Лутер заковал деветдесет и петте си тезиса на входа на църквата във Витенберг. С тях той атакувал практиката да се продават индулгенции — на практика подкупи, осигуряващи на богатите места в рая. Лутер сякаш казвал — може би Бог знае нашето бъдеще и съдбите ни са наистина предрешени, но Той не може да бъде убеден да промени мнението си от нашите богати дарения за църквата.)

За приемащите концепцията за вероятността учени най-противоречивият постулат от всички е третият, изтормозил цели поколения физици и философи. „Наблюдението“ е доста разтеглива и зле дефинирана концепция. Освен това тя зависи от факта, че на практика съществуват два вида физика — на странния свят на субатомните частици, в който електроните могат да бъдат на две места едновременно, и на макроскопичния свят, в който живеем и който като че ли се подчинява на обичайните Нютонови закони.

Според Бор между света на елементарните частици и познатия ни заобикалящ ни свят се издига невидима „стена“. Макар че светът на елементарните частици се подчинява на смахнатите правила на квантовата теория, ние самите живеем от другата страна на стената — в света на добре дефинираните планети и звезди, в който вълните вече са колапсирали.

Уилър, който имал късмета да изучи квантовата механика от самите й създатели, обичал да обобщава двете школи. Той дава за пример трима съдии по бейзбол, обсъждащи отбелязването на точки по време на мач. При вземането на решения съдиите казват:

Първи номер: Отсъждам ги, сякаш ги виждам.

Втори номер: Отсъждам ги по начина, по който са.

Трети номер: Те не съществуват, докато не ги отсъдя.^[7]

За Уилър вторият съдия е Айнщайн, според когото съществува абсолютна реалност извън човешкия опит. Айнщайн я нарича „обективна реалност“ — идея, че обектите могат да съществуват в определено състояние и без намесата на човека. Третият съдия е Бор, според когото реалността започва да съществува едва след като е направено наблюдение.

Дърветата в гората

Понякога физиците гледат на философите определено високомерно и обичат да цитират Цицерон, според когото „няма нищо толкова абсурдно, че да не е било казано от философи“. Математикът Станислав Улам, който се отнасял крайно скептично към даването на високопарни наименования на глупави концепции, някога казал: „Лудостта е способност да се намират фини разлики между различни видове глупости.“^[8] Самият Айнщайн също не останал назад: „Нима цялата философия не прилича на написана върху пчелен мед? Изглежда прекрасно, когато я съзерцаваме, но след миг от нея остава единствено безформена каша.“^[9]

Физиците обичат и апокрифната история, разказана уж от един университетски ректор, който направо се вбесил, когато се запознал с бюджета на факултетите по физика, математика и философия. „Защо физиците непрекъснато искат толкова скъпо оборудване? — възнегодувал той. — На математиците не им трябват пари за нищо друго, освен за хартия, моливи и кошчета за боклук. А философите са по-добре дори от тях — не отварят дума за кошчета!“^[10]

Възможно е обаче последни да се смеят именно философите. Квантовата теория е непълна и се гради на несигурна философска основа. Квантовите противоречия ни карат да се върнем отново към трудовете на философи като епископа Бъркли от XVIII в., според когото обектите съществуват само защото има кой да ги наблюдава. Тази философия се нарича солипсизъм или идеализъм. Привържениците й твърдят, че ако в гората падне някое дърво, но няма кой да го види, то всъщност не е паднало.

Сега разполагаме с квантова реинтерпретация на дърветата. Не знаем дали нещо е паднало или не, преди да направим наблюдение. На практика дървото съществува едновременно във всички възможни състояния — то може да е подпалено, паднало, отсечено, нарязано и т.н. В момента на наблюдаването дървото се озовава в определено състояние и едва тогава можем да видим, че например е паднало.

Сравнявайки философските трудности на теорията на относителността и квантовата теория, Файнман отбелязва: „Навремето вестниците пишеха, че само дванадесет души разбирали теорията на относителността. Не вярвам да е имало такова нещо… От друга страна спокойно мога да кажа, че никой не разбира квантовата механика.“^[11] Според него квантовата механика „описва природата като абсурдна от гледната точка на здравия разум. И същевременно е напълно съвместима с експерименталните данни. Така че се надявам, че можете да приемете природата такава, каквато е — т.е., абсурдна“^[12]. Това доста смути редица практикуващи физици, които изведнъж получиха усещането, че градят теориите си върху пясък. „С известно неудобство признавам, че цял живот съм работил според теоретична рамка, която никой не разбира напълно“^[13], пише Стивън Уайнбърг.

В традиционната наука наблюдателят се мъчи да бъде колкото се може по-безстрастен към света. (Както казва един шегаджия, „винаги можеш да познаеш учения в стриптийз бар — той е единственият, който гледа публиката“.) А сега за първи път се оказва, че е невъзможно да се раздели наблюдател от наблюдавано. Както отбелязва Макс Планк, „науката не е в състояние да разреши най-голямата загадка на Природата, тъй като ние самите сме част от мистерията, която се опитваме да разкрием“^[14].

Проблемът с котката

Откривателят на вълновото уравнение Ервин Шрьодингер решил, че нещата са отишли прекалено надалеч и признал на Бор, че съжалява, че изобщо е предложил вълновата теория, щом тя въвежда концепцията за вероятност във физиката.

За да унищожи идеята за вероятностите, той предложил експеримент. Представете си затворена в кутия котка. Вътре в кутията има бутилка с отровен газ, свързана с чук, който на свой ред е свързан с гайгеров брояч, поставен до парче уран. Никой не спори, че радиоактивното разпадане на атома на урана е чисто квантово явление, което не може да се предскаже. Да кажем, че има 50 процента вероятност атомът на урана да се разпадне през следващата секунда. Ако това стане, гайгеровият брояч ще се задейства, чукът ще разбие бутилката и ще убие котката. Невъзможно е да кажете дали котката е жива или мъртва, преди да сте отворили кутията. Всъщност, за да опишат животното, физиците трябва да използват вълновата функция на живата и мъртвата котка — т.е., поставяме котката в неприятното положение да е наполовина жива и наполовина мъртва.

Да отворим кутията. Надзърнем ли вътре, ни правим наблюдение, вълновата функция колапсира и виждаме, че котката е, да речем, жива. За Шрьодингер това звучало глупаво. Как е възможно котката да е едновременно жива и мъртва, само защото не сме я държали под око? Нима тя започва да съществува едва когато я наблюдаваме? Айнщайн също не бил особено щастлив от тази интерпретация. Когато в дома му идвали гости, той им казвал: „Вижте луната.“ Дали тя започва да съществува, когато някоя мишка погледне към нея? За Айнщайн отговорът бил не. Но в известен смисъл, той би могъл да бъде и положителен.

Накрая се стигнало до историческия сблъсък между Айнщайн и Бор на конференцията в Солвей през 1930 г. По-късно Уилър ще отбележи, че това бил най-големият известен му дебат в историята на науката. За тридесет години не му се е случвало да чуе за спор между двама по-велики умове върху по-дълбок въпрос, имащ такива огромни последствия за нашето разбиране за вселената.

Винаги дръзкият, предизвикателен и изключително красноречив Айнщайн излязъл с цяла канонада „мисловни експерименти“, целящи унищожаването на квантовата теория. Непрестанно мънкащият Бор се олюлявал при всяка следваща атака. „За мен беше истинско удоволствие да присъствам на диалога между Бор и Айнщайн — спомня си физикът Пол Еренфест. — Беше като партия шах с все нови и нови ходове. Нещо като вечен двигател от втория тип, решен да пробие през неопределеността. Бор неизменно пуфтеше философски с лулата си и се мъчеше да намери начин да обори всеки следващ пример. Айнщайн беше като същинска кукла на пружина, изскачаща живо от кутията си всяка сутрин. О, беше наистина прекрасно. Аз лично почти безрезервно подкрепям Бор и съм против Айнщайн. Сега той се държи към Бор по същия начин, както противниците на собствената му теория в миналото.“^[15]

Накрая Айнщайн предложил експеримент, който според него щял да нанесе окончателен удар на квантовата теория. Да си представим кутия, в която са затворени фотони. Ако кутията има затвор, той може да се отвори за съвсем кратко време и да освободи един фотон. Ние можем да измерим точно скоростта на затвора и енергията на фотона, и следователно сме в състояние да определим състоянието на протона с безкрайна точност, с което нарушаваме принципа на неопределеността.

„Това бе тежък удар за Бор — пише Еренфест. — Тогава не успя да намери решение. Цялата вечер си остана намусен и обикаляше всички присъстващи, мъчейки се да ги убеди, че това не може да е вярно, тъй като ако А. е прав, това ще означава край на физиката. Само че така и не успя да намери опровержение. Никога няма да забравя как двамата опоненти напускаха университетския клуб. Величественият Айнщайн крачеше спокойно с дяволита усмивка на лице, а Бор се тътреше до него, очевидно извън себе си.“^[16]

Когато по-късно Еренфест се срещнал с Бор, той буквално бил загубил дар слово. Единственото нещо, което можел да произнася отново и отново, било: „Айнщайн… Айнщайн… Айнщайн…“

На следващия ден Бор, който прекарал напрегната безсънна нощ, успял да намери малка пукнатина в аргумента на Айнщайн. След освобождаването на фотона кутията става малко по-лека, тъй като материята и енергията са едно цяло. Това означава, че кутията леко се повдига под въздействието на гравитацията, тъй като енергията е маса според собствената теория на Айнщайн. Това обаче внася елемент на неопределеност в енергията на фотона. Ако измерим неопределеността на масата и неопределеността на скоростта на затвора ще открием, че кутията се подчинява точно на принципа на неопределеността. Бор използвал собствената теория на Айнщайн за гравитацията, за да го опровергае! Айнщайн бил победен.

Твърдят, че след като Айнщайн заявил, че „Бог не играе на зарове“, Бор му отвърнал: „Спрете да казвате на Бог какво да прави.“ В крайна сметка Айнщайн признал, че Бор е успял да обори аргументите му. „Убеден съм, че в теорията му несъмнено се съдържа зрънце истина“^[17], пише по-късно той. (Въпреки това Айнщайн се отнасял с презрение към физиците, които не успявали да проумеят неуловимите парадокси на квантовата теория: „Разбира се, днес всеки шарлатанин смята, че знае отговора, а всъщност заблуждава сам себе си.“^[18])

След тези и други разгорещени дебати с квантовите физици, Айнщайн най-после се отказал, но предприел друг подход. Той признал, че квантовата теория е вярна, но само в определена област и като приблизително описание на реалната истина. Айнщайн искал да абсорбира квантовата теория в една по-обща и могъща теория, наречена обща теория на полето — по същия начин, по който теорията на относителността генерализирала (но не унищожила) теорията на Нютон.

(Този дебат между Айнщайн и Шрьодингер от една страна и Бор и Хайзенберг от друга не може да се подмине с лека ръка, тъй като „мисловните експерименти“ вече могат да се проведат в лабораторни условия. Макар че учените не могат да направят котката едновременно жива и мъртва, с помощта на нанотехнологиите те са в състояние да манипулират отделни атоми. Неотдавна тези важни експерименти бяха проведени с молекула, съдържаща 60 въглеродни атома, така че „стената“ на Бор, която разделя големите тела от квантовите, рязко започна да се руши. Днес експериментаторите дори размишляват какво е необходимо, за да се покаже, че състоящият се от хиляди атоми вирус може да се намира на две места едновременно.)

Бомбата

За съжаление дискусиите върху тези занимателни парадокси били прекъснати с идването на Хитлер на власт през 1933 г. и трескавите опити за създаване на атомна бомба. От години било известно, че според прословутото уравнение на Айнщайн E = mc² в атома се съдържа огромно количество енергия. На повечето учени обаче и през ум не им минавало, че има начин за овладяването й. Дори откривателят на атомното ядро Ърнест Ръдърфорд бил категоричен: „Енергията, получена от разбиването на атома, не става за нищо. Всеки, който очаква трансформацията на атомите да се превърне в сериозен източник на енергия, говори празни приказки.“^[19]

През 1939 г. Бор предприел съдбовното пътуване до Ню Йорк, за да се срещне с ученика си Джон Уилър. Големият учен носел страшни новини — Ото Хан и Лизе Майтнер показали, че ядрото на урана може да се разцепи на две, при което се отделят два или повече неутрона, които на свой ред разцепват други ядра и слагат началото на верижна реакция, способна да превърне цял град в развалини. (Според квантовата механика никога не можем да сме сигурни дали някой неутрон ще разцепи ядрото на ураниевия атом, но можем да изчислим с невероятна точност вероятността милиардите ураниеви атоми в бомбата да се разцепят. Точно в това е силата на квантовата механика.)

Изчисленията показвали, че атомната бомба би могла да се окаже напълно осъществимо оръжие. Два месеца по-късно Бор, Юджин Уигнър, Лео Сцилард и Уилър се събрали в стария кабинет на Айнщайн в Принстън, за да обсъдят перспективите за изработване на атомна бомба. Според Бор за целта щели да са необходими ресурсите на цяла държава. (Няколко години по-късно Сцилард ще убеди Айнщайн да напише прословутото писмо до президента Рузвелт, с което го приканва да се заеме с изработването на атомна бомба.^[20])

През същата година нацистите, които много добре си давали сметка, че катастрофалното освобождаване на енергия от ураниевия атом може да им осигури непобедимо оръжие, наредили на студента на Бор Хайзенберг да се заеме с разработването на атомна бомба. Среднощните дискусии върху квантовата вероятност за разцепване на атоми станали невероятно сериозни, а залогът бил бъдещето на човечеството. Скоро споровете за намирането на живи котки щели да отстъпят пред умуванията каква е вероятността да се разцепи ядрото на ураниевия атом.

През 1941 г., когато нацистите държали в ръцете си по-голямата част от Европа, Хайзенберг се срещнал тайно със стария си ментор Бор в Копенхаген. Подробностите около срещата все още за забулени в тайна. На нея са посветени не един и два успешни филмови сценария, а историците спорят по темата и до ден-днешен. Дали Хайзенберг е предложил да саботира нацистката атомна бомба? Или се е опитвал да привлече Бор на страната на Хитлер? (Шест десетилетия по-късно, през 2002 г., повечето от загадките относно намеренията му най-сетне бяха разбулени — роднините на Бор публикуваха негово писмо до Хайзенберг, написано през 50-те, но така и останало неизпратено. В него Бор припомня думите на Хайзенберг, че победата на германците е неминуема. Тъй като нямало начин да се спре военната им машина, единственото логично решение било Бор да работи за тях.^[21])

Бор бил ужасен и потресен до дъното на душата си. Треперейки, категорично отказал да позволи трудът му върху квантовата теория да попадне в ръцете на нацистите. Немците държали Дания и ученият предприел бягство към свободата със самолет, по време на което едва не се задушил от липсата на кислород.

Междувременно в Колумбийския университет Енрико Ферми показал, че верижната ядрена реакция е осъществима. След като стигнал до това заключение, той хвърлил поглед към небостъргачите на Ню Йорк и си дал сметка, че една-единствена бомба е в състояние да унищожи всичко, което се издигало пред очите му. Уилър, който също разбирал колко високи са станали залозите, доброволно напуснал Принстън и се присъединил към Ферми в мазето на Стаг Фийлд в Чикагския университет, където двамата построили първия ядрен реактор и провъзгласили официално началото на атомната ера.

През следващото десетилетие Уилър станал свидетел на някои от най-паметните постижения в областта на ядреното въоръжаване. По време на войната той бил един от надзорниците на резервата Ханфорд в щата Вашингтон, където се добивал плутоният, необходим за бомбите, които щели да унищожат Нагасаки. Няколко години по-късно работел върху създаването на водородната бомба и присъствал на първото й изпитание през 1952 г., когато парче от Слънцето се стоварило върху малък остров в Тихия океан и унищожило всичко около себе си. Но в крайна сметка Уилър се върнал към първата си любов — загадките на квантовата теория, — след като бил на предната линия на историята в продължение на повече от десет години.

Сумиране по траектории

Един от безбройните студенти на Уилър след войната бил Ричард Файнман, който се натъкнал на най-простият и същевременно вероятно най-дълбок начин за обобщаване на плетениците на квантовата теория. (Една от последиците от тази идея ще му спечели Нобелова награда през 1965 г.) Да кажем, че искате да прекосите стаята. Според Нютон би трябвало просто да поемете по най-краткия път от точка A до точка B, наречен още класическа траектория. Според Файнман обаче първо трябва да вземете предвид всички възможни пътища. Това включва и пътища, преминаващи през Марс, Юпитер, най-близката звезда и дори такива, които водят назад във времето чак до Големия взрив. Независимо колко смахнати и напълно невероятни изглеждат тези пътища, вие сте длъжни да ги вземете предвид. След това Файнман номерирал всяка траектория, давайки точно определени правила за изчисляване на номера. Колкото и странно да изглежда, като сумирате номерата на всички възможни пътища, ще получите вероятността да изминете разстоянието от точка A до точка B според стандартната квантова механика. Това било наистина забележително откритие.

Файнман открил, че сумата на номерата на траекториите, които са прекалено странни и нарушават Нютоновите закони на движението, обикновено се анулира и дава малък резултат. Това било началото на квантовите флуктуации — т.е., те представят пътища, чиято сума е много малка. Файнман открил също, че нормалната Нютонова траектория не се анулира и така получава най-голяма сума — т.е., това е траекторията с най-голяма вероятност. Така нашето нормално възприятие на физическата вселена се оказва просто най-вероятното състояние сред безброй други. Всички останали състояния обаче продължават да съществуват и някои от тях ни връщат назад до ерата на динозаврите, запращат ни до най-близката свръхнова или до границите на вселената. (Тези странни траектории създават малки отклонения от нормалния Нютонов път, но за щастие свързаната с тях вероятност е изключително малка.)

С други думи, колкото и странно да изглежда, при всяко преминаване през стаята вашето тяло успява да „надуши“ предварително всички възможни пътища — дори минаващите през далечните квазари и Големия взрив — и да ги сумира. С помощта на мощен математически инструмент (наречен функционални интеграли) Файнман показал, че Нютоновата траектория е просто най-вероятната, а не единствената. С математическата си находчивост той успял да докаже, че колкото и поразителна да изглежда, тази картина е точен еквивалент на обикновената квантова механика. (Всъщност чрез този подход Файнман намерил решение на вълновото уравнение на Шрьодингер.)

Силата на това „сумиране по траектории“ е в това, че днес, когато формулираме всеобщите теории, инфлацията и дори струнната теория, ние използваме „интегралния път“ на Файнман. Днес този метод се преподава във всяко висше училище по света и засега е най-мощният и удобен начин за формулиране на квантовата теория.

(Аз го използвам ежедневно в собствените си проучвания. Всяко използвано от мен уравнение е получено чрез сумиране по траектории. Когато като студент се запознах с подхода на Файнман, той промени коренно представата ми за вселената. Интелектуално разбирах абстрактната математика на квантовата теория и общата теорията относителността, но именно идеята, че докато прекосявам стаята по някакъв начин успявам да надуша пътищата, които биха ме отвели до Марс или далечните звезди, промени светогледа ми. Получих странна умозрителна картина на самия себе си — живеещия в квантов свят. Започнах да разбирам, че квантовата теория е далеч по-чужда от последствията от теорията на относителността.)

Когато Файнман разработил странната си формулировка, намиращият се по онова време в Принстън Уилър се втурнал в намиращия се по съседство кабинет на Айнщайн и се заел да го убеждава колко елегантна и мощна е новата теория. Започнал развълнувано да обяснява сумирането по траектории, без да си дава сметка отначало колко смахнато звучало всичко това на слушателя му. Най-накрая Айнщайн поклатил глава и отново повторил, че все още не вярва, че Бог играе на зарове с вселената. Признал пред Уилър, че може и да не е прав, но въпреки това настоял, че си е заслужил правото да допуска грешки.

Приятелят на Уигнър

Повечето физици свиват рамене и вдигат ръце всеки път, когато се сблъскат с побъркващите парадокси на квантовата механика. За повечето практикуващи учени квантовата механика е набор от рецепти и правила, успяващи да намерят със свръхестествена точност правилните вероятности. Както казва приелият духовнически сан физик Джон Полкингхорн, „философската нагласа на средния специалист по квантова механика не е по-голяма от тази на средния автомобилен механик“^[22].

Някои от най-изтъкнатите умове във физиката обаче са се борили с тези въпроси. Например съществуват няколко начина за решаване на котешкия проблем на Шрьодингер. Първият, защитаван от Нобеловия лауреат Юджин Уигнър и други, е, че съзнанието определя битието. Според Уигнър „не е възможно логичното формулиране на законите на квантовата механика, без да се вземе предвид съзнанието [на наблюдателя]… Самото изучаване на заобикалящия ни свят води до заключението, че върховната реалност е съдържанието на съзнанието“^[23]. Или, както пише поетът Джон Кийтс, „нищо не е истинско, преди да се изпита“^[24].

Но ако правя наблюдение, кой ще определи в какво състояние се намирам самият аз? Трябва да има още някой, който да ме наблюдава и да накара вълновата ми функция да колапсира. Понякога наричат този някой „приятелят на Уигнър“. Това обаче означава, че някой трябва да наблюдава приятеля на Уигнър, а също приятеля на приятеля на Уигнър и т.н. Съществува ли космическо съзнание, което наблюдава цялата вселена и така определя цялата верига приятели?

Един от физиците, които твърдо вярват в централната роля на съзнанието, е Андрей Линде, един от създателите на теорията за инфлационната вселена.

„Като човешко същество нищо не ми дава правото да твърдя, че вселената съществува при липсата на наблюдатели. Ние с вселената сме едно цяло. Когато казвате, че вселената съществува и без наблюдатели, аз не мога да намеря никакъв смисъл в думите ви. Не мога да си представя една стройна теория на всичкото, която да игнорира съзнанието. Записващото устройство не може да изиграе ролята на наблюдател заради онзи, който ще прегледа записа. За да видим, че нещо се случва и да си кажем, че нещо се е случило, трябва да имаме вселена, записващо устройство и нас самите… При липсата на наблюдатели с вселената ни е свършено.“^[25]

Според философията на Линде вкаменелостите на динозаврите не съществуват, докато не ги видим. Щом погледът ни падне върху тях, те започват да съществуват, сякаш ги е имало милиони години. (Придържащите се към това становище физици винаги държат да подчертаят, че тази картина е експериментално съвместима със свят, в който вкаменелостите на динозаврите са наистина на милиони години.)

(Онези, на които не им допада въвеждането на елемента съзнание във физиката, твърдят, че камерата може да наблюдава електрон и следователно вълновите функции могат да колапсират и без наличието на съзнателни същества. Но тогава кой ще каже, че съществува самата камера? Нужен е друг апарат, който да „наблюдава“ първия и да колапсира неговата собствена вълнова функция. Втората камера на свой ред се нуждае от трета, тя — от четвърта и така до безкрай. Ето защо използването на камери не отговаря на въпроса как колапсират вълновите функции.)

Декохерентност

Един от начините за частично решаване на тези трънливи философски въпроси, който започна да набира популярност сред физиците, е известен като декохерентност. Начинът бе формулиран за първи път през 1970 г. от немския физик Дитер Зех. Той забелязал, че в реалния свят не можем да отделим котката от нейното обкръжение. Котката се намира в постоянен контакт с молекулите на въздуха, кутията и дори с космическите лъчи, които я пронизват по време на експеримента. Колкото и да са незначителни, тези взаимодействия оказват радикално влияние върху вълновата функция — ако се повлияе и в най-малка степен, тя ще се раздели на две вълнови функции — тази на мъртвата или на живата котка, които няма да си взаимодействат. Зех показа, че за колапсирането на вълновата функция е достатъчен контактът и с една-единствена молекула. Който да доведе до постоянно отделяне на функциите на мъртвата и живата котка, които вече няма да комуникират помежду си. С други думи, котката е била в контакт с молекулите на въздуха още преди да сме отворили кутията и следователно вече е жива или мъртва.

Зех направи ключовото наблюдение, което всички останали бяха пропуснали — за да бъде едновременно жива и мъртва, вълновите функции на двете състояния на котката трябва да трептят в почти пълна синхронност — състояние, наречено кохерентност. На практика обаче това е почти невъзможно. Създаването на кохерентни обекти в лабораторни условия е изключително трудно. (Трудно е да получите повече от няколко кохерентно трептящи атома заради взаимодействията отвън.) В реалния свят телата взаимодействат с околната среда, което може да наруши двете вълнови функции и да ги накара да изпаднат в състояние на декохерентност — т.е., да престанат да са синхронни и да се разделят. Зех показа, че щом двете функции престанат да вибрират във фаза една с друга, те престават да си взаимодействат.

Множество светове

На пръв поглед декохерентността изглежда много добро решение, тъй като вълновата функция вече колапсира не под въздействието на съзнанието, а поради влиянието на външния свят. Това обаче все още не отговаря на фундаменталния въпрос, който не давал покой на Айнщайн — как точно природата „избира“ състоянието, в което да колапсира? Кой или какво определя окончателното състояние на котката, когато я докосне някоя въздушна молекула? Тук теорията за декохерентността просто заявява, че двете вълнови функции се разделят и престават да си взаимодействат, но това не е отговор на първоначалния въпрос дали котката е жива или мъртва. С други думи, декохерентността премахва нуждата от съзнание в квантовата механика, но не решава въпроса на Айнщайн как природата „избира“ финалното състояние на котката. Тук теорията на Зех мълчи.

Съществува обаче едно естествено разширение на декохерентността, което решава въпроса и напоследък печели все повече привърженици сред физиците. Този подход е предложен за първи път от друг ученик на Уилър — Хю Еверет III, който дискутира възможността котката да е едновременно жива и мъртва, но в две различни вселени. Когато през 1957 г. Еверет представил докторската си дисертация, почти никой не му обърнал внимание. С годините обаче интересът към „множеството светове“ започна да расте. Днес заниманията с парадоксите на квантовата теория отново са в центъра на вниманието на теоретичната физика.

Според тази коренно нова интерпретация котката е едновременно жива и мъртва, защото вселената се е разделила на две. В едната котката е мъртва, а в другата — жива. Всъщност това разделяне се образува при всеки квантов преход и така се образува една безкрайна поредица от разделящи се вселени. Според сценария всяка една вселена е възможна и е не по-малко реална от останалите. Обитателите на отделните светове могат разпалено да твърдят, че именно тяхната вселена е истинската, а всички останали са въображаеми или фалшиви. Тези паралелни светове не са ефимерни призраци — във всеки от тях има твърди тела и конкретни събития, които са толкова истински и обективни, колкото и всички останали.

Предимството на тази интерпретация е в това, че можем да изоставим третото условие — колапсирането на вълновата функция. Вълновите функции никога не колапсират, а продължават да се развиват, разделяйки се на други вълнови функции в безкрайно дърво, всеки клон на което представлява цяла вселена. Голямото предимство на интерпретацията е, че тя е по-проста от интерпретацията от Копенхаген — при нея не се изисква колапсиране на функцията. За сметка на това получаваме вселени, които непрекъснато се разделят на милиони и милиони разклонения. (Някои не могат да разберат как биха могли да проследят всички тези размножаващи се светове. Вълновото уравнение на Шрьодингер го прави автоматично. Достатъчно е просто да проследим еволюцията на вълновата функция, за да получим всички разклонения на вълната.)

Ако тази интерпретация е вярна, то в този момент тялото ви съществува заедно с вълновите функции на влезли в смъртна схватка динозаври. В стаята ви трепти и вълновата функция на свят, в който германците са спечелили Втората световна война, Земята се посещава от извънземни, а вие изобщо не сте се раждали. Световете от „Човекът във високия замък“ и „Зоната на здрача“ са сред всички останали вселени в дневната ви. Номерът е, че не можете да си взаимодействате с тях, тъй като те са в състояние на декохерентност.

Както казва Алан Гът, „има вселена, в която Елвис е все още жив“^[26]. Или, както пише физикът Франк Вилчек: „Ние сме обсебени от съзнанието, че съществуват милиони леко различаващи се наши копия, живеещи паралелния си живот, и че всеки миг се появяват още наши двойници и поемат към своето алтернативно бъдеще.“ Авторът отбелязва, че историята на Древна Гърция и оттам на западния свят би могла да се развие по съвсем друг начин, ако Елена от Троянската война не е била такава пленителна красавица, а е имала грозна брадавица на носа. „Какво пък, брадавиците могат да се появят от мутацията в една-единствена клетка, предизвикана от излагане на ултравиолетовите лъчи. Заключение: съществуват безкрайно много светове, в които Елена е имала брадавица на носа.“^[27]

Сещам се за един цитат от класическия научнофантастичен роман на Олаф Стапледон „Звездотворец“: „Всеки път, когато някое същество се изправи пред няколко възможни избора, то ги прави всичките и по този начин създава множество… различни истории на космоса. Тъй като във всяка еволюционна стъпка съществуват множество същества и всички те непрекъснато се изправят пред избор, комбинациите между пътищата им са безброй и във всеки миг се появяват безброй различни вселени.“^[28]

Умът ни се взима при мисълта, че според подобна интерпретация на квантовата механика редом с нас съществуват и всички останали възможни светове. Макар че за достигането им може би ще са ни нужни дупки-червеи, тези квантови реалности съществуват в същото помещение, в което се намираме и самите ние. Има ги където и да отидем. Ключовият въпрос е ако това е вярно, защо не виждаме непрекъснато алтернативните вселени около себе си? Точно тук се намесва декохерентността — нашата вълнова функция се е отделила от другите светове (т.е., не е във фаза с тях) и ние вече не сме свързани с тях. Това означава, че и най-малкото взаимодействие с околната среда попречва на различни вълнови функции да си взаимодействат. (В 11 глава споменавам едно възможно изключение от правилото, което позволява на разумни същества да пътешестват между квантовите реалности.)

Това не ви ли се струва прекалено странно, за да е възможно? Нобеловият лауреат Стивън Уайнбърг оприличава тази теория за множеството вселени на радиото. Заобиколени сме от стотици радиовълни, излъчвани от различни радиостанции. Кабинетите и домовете ни са изпълнени непрекъснато с тях. Ако включите обаче радиото, можете да слушате само една честота — останалите са в декохерентност и не са във фаза помежду си. Всяка станция има различна енергия, или честота. В резултат на това приемникът може да улавя само едно предаване в конкретен момент.

По същия начин, ние в нашата вселена сме „настроени“ на честотата, съответстваща на нашата физическа реалност. Съществуват обаче безкрайно много паралелни реалности, към които не можем да се „настроим“. Въпреки че тези светове много си приличат един на друг, всеки от тях притежава различна енергия. И тъй като всяка от тези вселени се състои от трилиони и трилиони атоми, разликите в енергията могат да бъдат доста големи. Тъй като честотата на вълните е пропорционална на тяхната енергия (според закона на Планк), вълните на всеки свят трептят на различна честота и не могат да си взаимодействат по абсолютно никакъв начин.

Странно, но след като възприеха тази необичайна гледна точка, учените могат да изведат всички решения на копенхагенския подход, без да им се налага да колапсират вълновата функция. С други думи, експериментите с копенхагенската интерпретация или с интерпретацията за многото светове ще дадат абсолютно еднакви резултати. Колапсирането на вълновата функция на Бор е математически еквивалент на взаимодействието с околната среда. С други думи, котката на Шрьодингер може да бъде жива и мъртва едновременно, ако намерим начин да я изолираме напълно от всеки атом или космически лъч. Разбира се, това е практически невъзможно.

Щом се осъществи контакт с космически лъч, вълновите функции на мъртвата и живата котка се разделят и се получава впечатлението за колапсиране.

Материя от информация

При подновения интерес към проблема за измерване в квантовата теория Уилър се превърна в доайен на квантовата физика и започна да се появява на многобройните конференции, организирани в негова чест. Някои поддръжници на Ню Ейдж, останали силно запленени от въпроса за съзнанието във физиката, дори започнаха да го величаят като някакъв гуру. (Самият Уилър обаче далеч не се чувстваше поласкан от подобни асоциации. Веднъж за своя най-голяма изненада и тревога откри, че е поставен в една програма наред с трима парапсихолози и бързо направи изявлението, от което е и фразата: „Където има дим, там има дим.“^[29])

След седемдесет години работа върху парадоксите на квантовата теория Уилър бе първият, който признава, че не знае отговорите на всички въпроси. Не престава да подлага на съмнение предположенията си. Когато го питат за проблема на измерването в квантовата механика, той отговаря: „Този въпрос направо ме подлудява. Признавам си — понякога напълно сериозно споделям идеята, че светът е продукт на въображението, а в други моменти смятам, че съществува вън и независимо от нас. Напълно безрезервно подкрепям думите на Лайбниц — светът може да е фантасмагория, а съществуването — нищо повече от сън, но въпреки това този плод на въображението е достатъчно реален за мен, ако при подходящото използване на разума си не оставаме излъгани от него.“^[30]

Днес теорията за многото светове или декохерентността става все по-популярна сред физиците. Самият Уилър обаче е загрижен, че тя изисква „прекалено много излишен багаж“ и предлага още едно решение на проблема с котката на Шрьодингер, което нарича „то от бит“ (it from bit). Това е нестандартна теория, започваща с предположението, че информацията е в основата на всичко съществуващо. Според Уилър, когато погледнем към Луната, към някоя галактика или атом, тяхната същност е в информацията, съдържаща се в тях. Самата информация пък се е появила тогава, когато вселената е започнала да наблюдава себе си. Уилър рисува кръгова диаграма, представляваща историята на вселената. В началото тя започва съществуването си, защото е била наблюдавана. Това означава, че „то“ (материята във вселената) се е появило, когато е бил наблюдаван „бит“ (информация) от вселената. Нарича тази вселена „съучастническа“ — т.е., вселената се адаптира към нас, както и ние към нея и самото ни съществуване я прави възможна. (Тъй като няма консенсус относно проблема с измерването в квантовата механика, повечето физици засега изчакват с реакциите си към тази теория.)

Квантови компютри и телепортиране

Подобни философски дискусии може да ни се струват безнадеждно отвлечени и абсолютно неприложими на практика. Вместо да спорят колко дяволи могат да се съберат на върха на една игла, квантовите физици като че ли се мъчат да определят на колко места едновременно може да се намира даден електрон.

Това обаче не са безцелни разсъждения на затворените в кулите си от слонова кост учени. Един ден може би те ще имат напълно практическо приложение — ще се използват за поддържане на световната икономика. Богатствата на цели държави може да зависят от несигурното положение на котката на Шрьодингер. Може би тогава компютрите ни ще правят изчисленията си в паралелни вселени. Днес почти цялата компютърна инфраструктура се основава на силициеви транзистори. Законът на Мур, според който изчислителната мощ се удвоява на всеки осемнадесет месеца, е в сила заради способността ни да вграждаме все по-малки и по-малки транзистори в силициеви чипове благодарение на ултравиолетови лъчи. И макар че революционизира технологията, законът на Мур не може да действа вечно. Слоевете в последния модел чипове „Пентиум“ са с дебелина двадесет атома. Може би след петнадесет-двадесет години ще използваме чипове с големина 5 атома. На подобни невъобразимо малки разстояния сме принудени да изоставим Нютоновата механика и да възприемем квантовата, в която господства принципът на неопределеността на Хайзенберг. Вследствие на това вече не знаем къде точно се намира електронът. Това означава, че ще има къси съединения всеки път когато електроните излязат от изолаторите и полупроводниците, вместо да си стоят в тях.

В бъдеще ще стигнем до положението да не можем да поставяме повече транзистори върху силициевите плочки. Краят на Силициевата епоха наближава. Може би след нея ще последва квантовата ера. Силициевата долина ще се превърне в Ръждивия пояс. Някой ден може би ще сме принудени да впрегнем в изчисленията си самите атоми и да създадем нови компютърни архитектурни конфигурации. Съвременните компютри работят на основата на бинарната система — всяко число се изписва с нули и единици. Спинът на атомите обаче може да бъде едновременно насочен нагоре, надолу или настрани. Компютърните битове (нулите и единиците) ще се заместят от „кубитове“ (каквото и да е между нулата и единицата), с което изчислителната мощ ще нарасне неимоверно в сравнение със съвременните машини.

Например един квантов компютър би могъл да разтърси основите на международната сигурност. Съвременните големи банки, многонационални корпорации и индустриални държави кодират тайните си с помощта на сложни алгоритми. Голяма част от кодовете се основават на умножаването на огромни числа. Намирането на число със сто цифри може да отнеме векове на обикновен компютър. За квантовата изчислителна машина обаче подобна задача не би представлявала никакъв проблем.

За да разберем как би работил един квантов компютър, нека си представим, че сме наредили серия от атоми, чиито спинове са насочени в една посока в магнитното поле. Когато ги осветим с лазерен лъч, много от спиновете ще сменят позицията си. Като измерим отразената лазерна светлина, ние записваме сложната математическа операция на разсейването на светлината. Ако изчислим този процес с помощта на квантовата теория и подхода на Файнман, трябва да вземем предвид всички възможни положения на атомите, завъртени във всички възможни посоки. Дори и най-простото квантово изчисление, което би трябвало да отнеме частица от секундата, би се оказало почти непосилно за стандартен компютър, независимо колко време му отпуснем.

Както посочи Дейвид Дъч от Оксфорд, това означава, че когато използваме квантови компютри, ще трябва да изчисляваме всички възможни паралелни вселени. Макар и да не можем да осъществяваме пряк контакт с тях, атомният компютър би могъл да ги изчисли, използвайки състоянията на спиновете. (Ние не сме кохерентни с останалите вселени в стаята си, но това не се отнася за атомите в квантовия компютър, които по конструкция трептят кохерентно.)

Макар че потенциалът на квантовите компютри е наистина зашеметяващ, на практика същото се отнася и за свързаните с осъществяването им проблеми. Понастоящем световният рекорд за броя на използваните в един квантов компютър атоми е седем. В най-добрия случай можем да умножим три по пет и да получим петнадесет — нещо, което едва ли ще ни се стори особено впечатляващо. За да може да съперничи и на обикновен лаптоп, квантовият компютър се нуждае от стотици, а може би и хиляди кохерентно трептящи атоми. Тъй като сблъсъкът и с една молекула би довел до нарушаването на кохерентността, ще ни трябва изключително чиста среда, в която да изолираме тестовите атоми. (За построяването на квантов компютър, който да работи по-бързо от съвременните компютри, са ни необходими хиляди и милиони атоми. А това означава, че от квантовата епоха все още ни делят десетилетия.)

Квантово телепортиране

Може да се окаже, че има и още едно практично приложение на безсмислената на пръв поглед дискусия за паралелните квантови вселени — квантовото телепортиране. „Телепортаторът“ от „Стар Трек“ и други научнофантастични произведения за пренасяне на хора и оборудване през пространството, изглежда като чудодейно средство за моментално преодоляване на огромни разстояния. Но колкото и примамлива да е, идеята за телепортирането спъва физиците, защото изглежда, че нарушава принципа на неопределеността. Когато измерваме атом, ние нарушаваме състоянието му и затова не можем да създадем негово точно копие.

През 1993 г. обаче бе намерена вратичка от този аргумент, наричана понякога квантова обвързаност. Тя се основава на един стар експеримент, предложен през 1935 г. от Айнщайн и колегите му Борис Подолски и Нейтан Розен (т.нар. парадокс АПР) с цел да се покаже колко абсурдна е всъщност квантовата теория. Да кажем, че има експлозия и два електрона отлитат в противоположни посоки със скорост, близка до скоростта на светлината. Тъй като електроните могат да се въртят като пумпал, приемаме, че спиновете им са корелирани — т.е., ако спинът на единия електрон сочи нагоре, то спинът на другия е насочен надолу (и общият им спин е равен на нула). Преди обаче да направим измерването, ние не знаем накъде точно сочи спинът на всеки от електроните.

Да изчакаме няколко години. Двата електрона са се отдалечили на огромно разстояние един от друг. Ако сега измерим единия и открием, че спинът му е насочен нагоре, то моментално разбираме какъв е спинът на втория електрон. Получава се така, че спинът на единия електрон принудително определя спина на другия. Това означава, че моментално научаваме нещо за частица, намираща се на светлинни години от нас. (Оказва се, че информацията пътува по-бързо от светлината, което противоречи на специалната теория на относителността.) Така Айнщайн показва, че измерването на една двойка частици нарушава принципа на неопределеността. Нещо повече — става ясно, че квантовата механика е далеч по-смахната, отколкото изглежда на пръв поглед.

Дотогава учените смятали, че вселената е локална и че нарушенията в една нейна част се разпространяват навън от източника. Айнщайн показал, че квантовата механика е по същество нелокална — промените в една точка могат моментално да се отразят в отдалечени части на вселената. Айнщайн нарича това „призрачно действие от разстояние“, което за него било пълен абсурд. Следователно, посочва той, квантовата теория би трябвало да е погрешна.

(Критиците на квантовата механика могат да решат парадокса Айнщайн-Подолски-Розен като приемат, че ако разполагаме с достатъчно прецизни апарати, могат наистина да определят в каква посока се въртят електроните. Неопределеността на спина е фикция, дължаща се на несъвършенството на инструментариума. Учените въвели концепцията за скритите променливи — т.е., трябва да има някаква скрита субквантова теория, в която няма никаква неопределеност и която се основава на нови променливи, наречени скрити.)

Залозите станаха особено високи през 1964 г., когато Джон Бел подложи АПР и скритите променливи на кисел тест. Той показа, че ако някой проведе АПР-експеримента, би трябвало да има цифрова корелация между спиновете на двата електрона, зависеща от използваната теория. Ако теорията за скритите променливи е вярна, както смятат скептиците, тогава спиновете би трябвало да са свързани по един начин. Ако квантовата механика е вярна, връзката би трябвало да е друга. С други думи, квантовата механика (основата на съвременната атомна физика) ще триумфира или ще се сгромоляса само заради един-единствен експеримент.

Експериментите обаче непрекъснато показват, че Айнщайн греши. В началото на 80-те Алан Аспект и негови колеги във Франция проведоха АПР-експеримент с два отдалечени на 13 м детектора, които измерват спина на фотони, излъчвани от атоми на калция. През 1997 г. бе проведен експеримент с детектори, отдалечени на 11 км. И в двата случая квантовата теория победи. Оказва се, че някакъв вид информация наистина пътува по-бързо от светлината. Въпреки че Айнщайн греши за АПР-експеримента, той е прав за по-широкия въпрос за комуникацията със свръхсветлинни скорости. Макар и да ни позволява да научим моментално за нещо в другия края на галактиката, АПР-експериментът не ни позволява да комуникираме по такъв начин. Казано просто, така не можем да изпратим морзово съобщение. АПР-експериментът ни позволява да придобием информация за другия край на галактиката, но не и да предаваме полезна (т.е., подредена) информация.

Бел описва ефекта, използвайки примера на математика Бертелсман. Той имал странният навик всеки ден да носи зелен чорап на единия си крак и син на другия, като ги избирал случайно. Ако един ден видите, че на левия му крак има син чорап, по-бързо от светлината ще научите, че десният чорап е зелен. Но това знание не ви позволява да обменяте информация. Разкриването на информацията е нещо различно от предаването й. АПР-експериментът не означава, че можем да общуваме чрез телепатия, да пътуваме по-бързо от светлината или във времето, а че не можем напълно да отделим самите себе си заобикалящия ни свят.

Всичко това ни кара да погледнем на вселената по друг начин. Съществува космическа „обвързаност“ между всеки атом на тялото ни и атомите, отдалечени на светлинни години от нас. Тъй като цялата материя е възникнала от една-единствена експлозия, която наричаме Големия взрив, в известен смисъл атомите на тялото ни са свързани с атомите в другия края на вселената чрез някаква своеобразна космическа квантова паяжина. Свързаните частици приличат на близнаци, които все още споделят обща пъпна връв (тяхната вълнова функция), която може да е дълга светлинни години. Случващото се с единия компонент на двойката автоматично засяга и другия и следователно информацията за едната частица моментално разкрива състоянието на другата. Свързаните двойки действат като един обект, въпреки че могат да са разделени от огромно разстояние. (За да бъдем по-точни, тъй като вълновите функции на частиците в Големия взрив някога са били свързани и кохерентни, те биха могли да са отчасти свързани и милиарди години по-късно, така че нарушенията в едната част на вълновата функция да въздействат и върху другата.)

През 1993 г. учените предложиха да използват концепцията за АПР-обвързването за намиране на механизъм за квантово телепортиране. През 1997 и 1998 г. учените от „Кал Тек“, университета в Аарус, Дания, и Университета на Уелс проведоха първото експериментално квантово телепортиране на един фотон през маса. Самюел Браунстейн от Уелския университет, който участвал в екип, сравни свързаните частици с влюбени, „които се познават толкова добре, че могат да отговорят какво прави другият дори ако са на различни полюси“^[31].

(При експериментите с квантовото телепортиране са нужни три тела, наречени A, B и C. Нека B и C са свързаните близнаци. Макар че могат да се намират на огромно разстояние помежду си, връзката между тях се запазва. Нека B да влезе в контакт с A — тялото, което трябва да се телепортира. B „сканира“ A, така че съдържащата се в A информация се прехвърля в B и автоматично се предава и на близнака C. Така C се превръща в точно копие на A.)

Квантовото телепортиране бързо набира скорост. През 2003 г. учените от Женевския университет в Швейцария успяха да телепортират фотони през фиброоптичен кабел на разстояние 2 км. Фотони с дължина на вълната 1,3 мм в едната лаборатория бяха телепортирани във фотони с различна дължина на вълната (1,55 мм) в другата лаборатория. „Възможно е в рамките на моя живот да успеем да телепортираме и по-големи обекти като молекули, но пренасянето на наистина големи тела е невъзможно с технологиите, които можем да си представим“^[32], отбеляза Никола Жизен, един от участниците в проекта.

Друго важно постижение бе направено през 2004 г., когато учените от Националния институт за стандарти и технология (NIST) телепортираха не просто квант светлина, а цял атом. Те успяха успешно да свържат два берилиеви атома и прехвърлиха характеристиките на единия върху другия.

Съществува огромен потенциал за приложението на квантовото телепортиране. Трябва обаче да се отбележи, че с него са свързани някои сериозни практически проблеми. Първо, в процеса на телепортиране първоначалният обект се разрушава, така че не можем да направим негов точен двойник. Възможно е съществуването на едно-единствено копие. Второ, не можем да телепортираме тяло по-бързо от светлината. Теорията на относителността е в сила дори за квантовото телепортиране. (За да телепортирате A в C, се нуждаете от посредника B, който ги свързва и се движи по-бавно от светлината.) Третото и може би най-важното ограничение на квантовото телепортиране е същото, пред което се изправя и квантовото изчисляване — въпросните тела трябва да са кохерентни. И най-слабото взаимодействие с околната среда унищожава квантовото телепортиране. Все пак се приема, че в рамките на нашия век можем да станем свидетели на първото телепортиране на вирус.

Телепортирането на човек може да породи други проблеми. „Засега основната ни грижа е огромното количество информация — отбелязва Браунстейн. — И с най-добрите комуникационни канали, с които разполагаме в момента, прехвърлянето на цялата информация ще трае цяла вечност.“^[33]

Вълновата функция на вселената

Може би ще разберем напълно квантовата теория, когато я приложим не към отделни фотони, а към вселената като цяло. Стивън Хокинг се шегува, че всеки път когато чуе за проблема с котката, посяга към пистолета си. Той предлага свое решение — да се намери вълновата функция на цялата вселена. Ако вселената е част от вълнова функция, тогава няма нужда от наблюдател (той трябва да е извън вселената).

В квантовата теория всяка частица е асоциирана с определена вълна. Вълната ни казва каква е вероятността частицата да се намира в дадено положение. Когато е била съвсем млада, вселената е била по-малка от субатомна частица. Ето защо тя може би също притежава вълнова функция. Тъй като електронът може да съществува в много състояния едновременно и тъй като вселената е била по-малка от електрон, може би тя също е съществувала в множество състояния, описвани от някаква свърхвълнова функция.

Това е вариант на теорията за многото светове — не е нужно да прибягваме до наблюдател, който да следи цялата вселена. Но вълновата функция на Хокинг напълно се различава от функцията на Шрьодингер. При вълновата функция на Шрьодингер във всяка точка на континуума пространство-време съществува вълнова функция. При Хокинг за всяка вселена има отделна вълна. Вместо пси-функцията, описваща всички възможни състояния на електрона, Хокинг въвежда пси-функция, описваща всички възможни състояния на вселената. При обикновената квантова механика електронът съществува в обикновеното пространство. Във вълновата функция на вселената обаче самата вълнова функция съществува в „свръхпространство“ — пространството на всички възможни вселени, въведени от Уилър.

Тази основна вълнова функция (да я наречем майката на всички вълнови функции) се подчинява не на уравнението на Шрьодингер (което е в сила за отделните електрони), а на уравнението на Уилър-Девит, което важи за всички възможни вселени. В началото на 90-те Хокинг заяви, че може да реши отчасти тази вълнова функция на вселената и да покаже, че най-вероятно в нея е съществувала изчезналата космологична константа. Статията провокира много спорове, тъй като зависеше от сумирането по всички възможни вселени. Хокинг направи това изчисление, като включи и дупките-червеи, свързващи нашата вселена с всички останали. (Представете си безкраен океан от сапунени мехури, свързани чрез тънки нишки или дупки-червеи, и се опитайте да ги съберете.)

В крайна сметка мнозина се усъмниха в метода на Хокинг. Беше посочено, че сумата от всички възможни вселени е математически непостижима, поне докато не разполагаме с „теория на всичкото“, която да ни ръководи. Критиците твърдят, че докато не се появи подобна теория, никой не може да се доверява наистина на изчисленията за машините на времето, дупките-червеи, момента на Големия взрив и вълновите функции на вселената.

Днес обаче редица физици смятат, че най-сетне сме открили теорията на всичкото, макар тя все още да не е в напълно завършен вид. Става въпрос за струнната теория или за по-висшата й версия М-теорията. Дали тя ще ни позволи да „разчетем замисъла на Бог“, както смяташе Айнщайн?