Эта идея прекрасно согласуется с опытом, в котором электроны, которые всегда считались «частицами», один за другим «выстреливались» в сторону диафрагмы в виде щели, за которой располагался экран. На экране фиксировались точки, в которые попадали электроны, прошедшие через щель. Если бы электроны были частицами, на экране была бы четкая область, в которую попадали бы частицы, движущиеся по прямой через щель. В реальности же электрон попадает в любую точку экрана, причем в одни области чаще, а в другие реже. Частота попаданий электронов в разные площадки экрана на рисунке показана кривой зеленого цвета. Форма этой кривой полностью совпадает с формой интенсивности волны (световой или волны на поверхности воды), проходящей через щель. Это заставляет отказаться от понятия частицы, движущейся по траектории: вместо нее в современной физике используется представление о некоторой «волне вероятности», которая и распространяется как будто «вместо» частицы, огибает щели экрана, а затем порождает фотон в том или ином месте в соответствии с математическими законами.

Но волна не имеет конкретной координаты, она размыта в некоторой области пространства. На смену представлениям о точечных частицах материи (локальность) приходит «нелокальность». Удивительно, что при регистрации координаты электрона на втором экране «нелокальность» электрона мгновенно сменяется четкой локальностью – электрон-волна мгновенно сворачивается в точку, фиксирующую след от электрона на втором экране. Это свойство получило название редукции волны при измерении.

Однако такая интерпретация редукции волны грозила нарушить свойство причинности. Мы привыкли, что каждое событие имеет свою причину: например, разбитая ваза на полу возникла потому, что ее откуда-то бросили или столкнули, причем сначала ее столкнули, а потом она разбилась. От момента действия причины (толчок вазы) до следствия (ее разбития) обязательно должно пройти какое-то время, затрачиваемое на преодоление пространства, разделяющего причину и следствие. Однако в квантовом мире все не так просто – в рассмотренном примере следствие наступает одновременно с причиной, как бы далеко одна от другой они ни находились. Действительно, в момент измерения все «части» электрона-волны, размытого в пространстве, мгновенно собираются в точку на экране в момент измерения его координаты.

Для демонстрации парадоксальности квантовой реальности А. Эйнштейн, Б. Подольский и Н. Розен придумали мыслительный эксперимент, в котором проверялось это свойство нелокальности квантового мира: описывались две частицы, разнесенные в разные концы Вселенной, и показывалось, что наблюдение одной из них в случае наличия нелокальности мгновенно скажется на состоянии другой. В 1964 г. Джон Белл предложил формулировку парадокса Эйнштейна – Подольского – Розена, допускающую непосредственную экспериментальную проверку. Эксперимент был поставлен в 1982 г., и он показал, что мир действительно таков, что в нем одна частица «чувствует» измерения, проведенные над второй. Приходится признать, что наш мир не есть набор локальных атомов-«кирпичиков», пусть даже и связанных последовательно между собой; он сам по себе – единое целое, и то, что происходит в одной его части, в тот же миг меняет его в целом.

Итак, сказанное выше приводит нас к мысли, что в основе наблюдаемой реальности лежит «невидимая» квантовая реальность, которая становится «видимой» в ходе взаимодействия наблюдаемой и наблюдающей частей рассматриваемой системы. Однако в реальных ситуациях эта система едина, ее разделение на «квантовую» и «классическую» весьма условно.

Одно из свойств квантовой реальности, кажущееся парадоксальным с позиций классической физики, связано с тем, что уточнение одной из характеристик объекта при взаимодействии квантового объекта с классическим прибором (то есть при измерении) сопровождается потерей точности в значении некоторых других. Так, например, уточнение координаты частицы в процессе ее взаимодействия с классическим прибором делает ее импульс (произведения массы на скорость) менее определенным; таким же свойством обладает время наблюдения системы и ее энергия и др. Такое странное с классической точки зрения положение сформулировано Н. Бором как принцип дополнительности. По-видимому, адекватное описание явлений микромира требует использования «разных языков», дополняющих друг друга.

Например, описание микрочастицы как точечного объекта отражает лишь часть его свойств, проявляющихся, например, при бомбардировке атомов. В других условиях (при прохождении через набор щелей) микрочастица проявляет свои волновые свойства. В результате возникает представление о квантовой частице как о некоторой скрытой реальности, ведущей себя по-разному в зависимости от способов взаимодействия с наблюдателем. По словам Нильса Бора, «…изолированные материальные частицы – это абстракции, свойства которых могут быть определены и зафиксированы только при их взаимодействии с другими системами». Наблюдения в этой ситуации становятся очень похожими на «тени на стене пещеры», описанные Платоном в диалоге «Государство». Этот миф другими словами пересказывают физики XX века. Так, например, Дэвид Бом считает: «…неделимое квантовое единство всей Вселенной является наиболее фундаментальной реальностью, а эти относительно независимые составные части – только лишь частные единичные формы внутри этого единства».

Итак, к настоящему времени установлен ряд поразительных пространственно-временных взаимосвязей, вытекающих из квантовой механики, которые противоречат классическому, интуитивному взгляду на мир. Это, в первую очередь, квантовая нелокальность, означающая, что области, разделенные пространственно, тем не менее связаны между собой квантовым единством; во-вторых, отсутствие абсолютной детерминированности в исходах экспериментов с квантовыми объектами – физика может лишь вычислить вероятности исходов. Внутренняя квантовая подоплека наблюдаемых экспериментальных фактов привела физиков к образному описанию физической реальности как ряби на поверхности океана, причины которой кроются в еще недоступной глубине.

Пространство и время Вселенной

Одна из загадок, оставшаяся еще со времен классической науки, состоит в том, что практически все законы физики допускают так называемое «обращение времени». Поясним это на примере механической системы, эволюционирующей во времени от прошлого в будущее. Если в какой-то момент поменять направление скоростей всех частиц механической системы на противоположное, то ее поведение будет в точности повторять движение исходной системы, но в обратном направлении. Этот эффект можно назвать изменением направления течения времени на обратное. То же самое можно сказать о системах с электромагнитным и гравитационным взаимодействием, а также о квантовых системах. Однако «в жизни» мы явно видим движение времени только в одном направлении: разбитая ваза никогда уже не станет целой, а старики – молодыми.

Первые законы физики с фиксированным (и необратимым!) направлением времени появляются в термодинамике, связаны они с именем Л. Больцмана, доказавшего, что в замкнутой системе все процессы идут так, что порядок сменяется хаосом.

Размышляя над этим эффектом и вспоминая, что одним из самых грандиозных «необратимых эффектов» является рождение Вселенной, Р. Пенроуз высказал предположение, что особые физические условия при возникновении Вселенной (высокоорганизованная среда в момент Большого взрыва или сразу после него) могли заставить двигаться время только в одном направлении, от прошлого к будущему.

Вопрос «откуда взялся наш мир?» всегда будоражил воображение людей. В традиционных цивилизациях ответ на этот вопрос содержался в мифах о сотворении мира, рассказывающих об изначальных временах. Характерной особенностью этих мифов является то, что, согласно им, мир творится в некоторой точке – центре мира, из которой начинает разворачиваться пространство; в момент создания начинается и течение времени. Совершенно неожиданно для многих ученых в начале XX века эти мифологические концепции получили естественнонаучные подтверждения.

В начале XX века были открыты объекты Вселенной – галактики, находящиеся гораздо дальше от нас, чем большинство видимых звезд. Измерение их скоростей, предложенное астрономом Э. Хабблом в 1928 г. по смещению спектральных линий их светового излучения, показало, что все они удаляются от Земли со скоростями, пропорциональными их расстоянию. Анализ этого факта и других, появившихся позже, позволяет сейчас говорить о том, что около 13,7 млрд лет назад Вселенная действительно родилась из точки или, точнее, из колоссально малой области пространства. С этого момента, по представлениям современной науки, и начало свой бег время и родилось пространство. Эта теория получила экспериментальные подтверждения (например, открытие предсказанного реликтового излучения), стала общепринятой и получила название теории Большого взрыва.

В конце XX века наблюдения астрофизиков привели к новым открытиям. Самым интригующим является то, что расширение Вселенной с некоторого момента вдруг стало происходить с ускорением. Теперь считается, что видимая масса во Вселенной составляет всего около 4 % всей массы-энергии Вселенной. Около 22 % составляет так называемая «темная материя», она ответственна за форму галактик и характер их движения, физическая природа ее пока не ясна. И, наконец, остальная часть массы-энергии Вселенной, около 74 % ее полной массы, нужна для объяснения ее ускоренного расширения. Она носит название «темной энергии».

Заключение

В результате развития физики пространство, время и материя предстают перед нами в совершенно непривычном обличье: оказывается, что пространство и время сплетены между собой и различны для разных наблюдателей, движущихся с разными скоростями, а также зависят от наличия тяготеющих масс. Удаленность предметов в квантовом мире не является препятствием для их связи, поскольку сами квантовые объекты не локализованы, а предстают в виде волнового поля, квадрат амплитуды которого в каждой точке дает вероятность обнаружить этот объект в этой точке при наблюдении. Само пространство и время динамичны, они «родились» вместе со Вселенной, и с тех пор пространство «растягивается», так что к настоящему времени область наблюдаемой Вселенной составляет около 13 млрд световых лет. В современных теориях, пытающихся дать единое описание всей физической картины мира, пространство-время предстает в еще более экзотическом облике: есть теории, которые говорят об 11-мерном, 13-мерном пространстве и так далее. И нет уверенности, что наши представления о пространстве, времени и материи в будущем не изменятся коренным образом.

В современных теориях физические законы не обладает очевидностью, свойственной классическим представлениям, язык, на котором формулируются эти законы, сейчас больше напоминают символические сюжеты древних мифов, для раскрытия смысла которых надо отрешиться от «бытовой реальности». Понимание физических законов также требует непредвзятости, иначе можно утонуть в противоречиях между привычной очевидностью и не вписывающимися в нее экспериментальными данными.

Алексей Чуличков, д-р физ. – мат. наук, МГУ