Вселенная в зеркале заднего вида. Был ли Бог правшой? Или скрытая симметрия, антивещество и бозон Хиггса - Дэйв Голдберг

Итак, простая симметрия — принцип эквивалентности — дает нам и излучение Унру, и испарение черных дыр. На первый взгляд это не более чем симпатичный пример из жизни довольно-таки абстрактных астрономических объектов, однако в реальности это возможность заглянуть в кошмарное будущее вселенной. Звезды, планеты, газ — все упадет в черные дыры по большой спирали, а спустя еще несколько квадрильонов лет эти черные дыры исчезнут. Между тем вселенная будет все ускоряться и ускоряться, отчего облака холодного газа навсегда разойдутся в разные стороны и будут изолированы друг от друга. И получится холодная мертвая вселенная, где нет ничего, кроме энтропии. Вот она, расплата за однонаправленную ось времени. Симметрии правят бал не только в начале вселенной, но и в самом ее конце.

Глава седьмая. Замещение

В которой мы рассмотрим технические требования к устройству для телепортации

Мне кажется, пора нам поговорить серьезно. Я уже довольно давно — а может быть, и слишком давно — позволяю вам жить в классической вселенной, в которую квантовая механика вторгается лишь ненадолго и только для того, чтобы все запутать. Но теперь настала пора взглянуть в лицо суровой реальности. Квантовая механика — это вам не мелкие детали, она правит вселенной. А на квантовом уровне симметрия еще диковиннее, чем на классическом. Как мы вскоре убедимся, на квантовом уровне невозможно даже отличить одну частицу от другой. Все едино — простите за легкий нью-эйдж.

Частицы взаимозаменяемы, и вы тоже, уж простите. Все колоссальные на первый взгляд различия между вами, мной и всеми прочими на самом деле фундаментально списываются на сущую малость — расположение и количество протонов, нейтронов и электронов в каждом отдельном теле.

Мы склонны считать, что наши атомы и молекулы действительно «наши» в каком-то фундаментальном смысле, но на самом деле мы всего-навсего берем их взаймы. Чтобы получить представление и о том, как много на самом деле частиц у нас в теле, и о том, с какой готовностью мы ими делимся, вдохните и выдохните.

Казалось бы, вдох и выдох — это сущий пустяк, однако каждый раз мы приводим в движение около ста миллионов квадрильонов молекул. Вспомните, как Цезарь перед смертью с укором проговорил: «И ты, Брут?» Цезарь — это хороший пример, поскольку он уже так давно мертв, что его последний выдох имел возможность разлететься по всему миру, и каждый раз, когда вы вдыхаете, вы, как правило, втягиваете по одной молекуле из последних слов Цезаря. Если уж на то пошло, вы дышите одним воздухом практически со всеми, кто либо окружает вас сейчас, либо уже несколько сотен лет как лежит в могиле.

Главное — что ваши молекулы на самом деле не ваши, как бы вам ни хотелось думать. Каждый год около 98 % ваших атомов замещаются другим, точно такими же. Как заметил однажды комик Стивен Райт:

Однажды утром просыпаюсь — а все мое вещество украли и заменили точными копиями[78]!

Парадоксально, но факт. Идентичные атомы — это не просто гарантия, что если вам понадобится запасной углерод, вы его получите. Это основа фундаментальной симметрии вселенной.

Симметрия замещения тождественных частиц. Все измеряемые количественные характеристики системы не изменятся, если поменять местами две частицы одной и той же разновидности и в одном и том же состоянии.

Симметрия замещения тождественных частиц — это неожиданно важная и самая что ни на есть реальная симметрия вселенной. Именно она лежит в основе телепортации, гибели звезд и в конечном итоге всей химии.

Как сделать устройство для телепортации

Если вы когда-нибудь смотрели «Звездный путь» (а как же иначе!), то знакомы с идеей телепортации. Встаешь на площадку, все твои атомы разносит вдребезги, а потом складывает снова в другом месте. Восстановленное существо выглядит, как вы, помнит все то же самое, что и вы, и конфигурация его атомов идентична оригиналу.

Если телевидение чему-то нас и учит, так это тому, что каждый раз, когда задействуешь в сюжете мотив создания двойников, копия отращивает козлиную бородку и склоняется ко злу. Однако и вы, и ваш клон устроены тождественно вплоть до составляющих вас атомов. Ваши товарищи по команде должны будут убить злодея, но откуда они узнают, кто есть кто[79]?

«Звездный путь» можно считать прямо-таки документальным кино о телепортации, посланным нам из будущего, если не считать нескольких мелких ошибок, которые допустил Джин Родденберри. При настоящей телепортации атомы не посылают с площадки устройства вниз, на планету. Просто после телепортации на отправной площадке образуется набор химикалий размером с вас, а на приемной строят нового вас из набора химикалий на том конце. А в остальном все и должно происходить точно так же, как в «Звездном пути».

Правда, круто?

Философ Дерек Парфит описывает устройство, очень похожее на то, которое мы только что обсуждали, только, сами понимаете, безо всяких злых двойников.

Сканер здесь, на Земле, уничтожит мой мозг и тело и при этом в точности зафиксирует состояние всех моих клеток. Затем он перешлет данные по радио. Поскольку они будут перемещаться со скоростью света, на дорогу до Репликатора на Марсе уйдет три минуты. А Репликатор создаст из нового вещества мозг и тело, в точности подобные моим. Именно в этом теле я и очнусь.

Несмотря на то что ваше тело будет теперь состоять из совершенно других атомов, его конфигурация будет идентична оригиналу, поэтому вы с полным правом можете настаивать, что тот, кто очнулся в репликаторе, это вы и есть.

Однако затем Парфит поднимает ставки и задается вопросом, что будет, если оригинал не уничтожен. Который из них вы? Как мы вскоре убедимся, этот вопрос при применении «настоящего»[80] устройства для телепортации не встает, поскольку оригинал всегда уничтожается. И все же этот сценарий заставляет задуматься. Если вы не есть сумма составляющих ваш частиц, то что вы такое?

В 1993 году инженер-программист из компании IBM по имени Чарльз Х. Беннетт предложил первую действующую модель устройства для телепортации, хотя насколько оно было применимо на практике, вопрос спорный. Модель позволяла телепортировать всего одну частицу за раз.

Я понимаю, это обескураживает. При таких условиях проще не трудиться и прибегнуть к ловкости рук — примерно как ваш дядюшка, когда вытаскивал из вашего уха монетку или дергал вас за нос. Разве нельзя просто сказать, что я телепортировал электрон на тот конец комнаты, а показать вам какой-то первый попавшийся электрон с воздушного шарика, который я потер о брюки? Их же невозможно различить!

Неопределенность и спин

Все электроны одинаково хороши, но это не значит, что любые два электрона всегда выглядят одинаково. Как мы уже видели, электроны и все другие частицы обладают врожденным свойством под названием спин. Простейшее устройство для телепортации вполне могло бы сводиться к определению, куда направлен спин электрона, и копированию этой информации на другой электрон на том конце комнаты. На первый взгляд все просто, правда?

А вот и нет.

Мы с вами играем уже в высшей лиге, поэтому пора раз и навсегда прояснить, какова природа квантовой механики. До сих пор у нас была возможность более или менее пренебрегать эффектами квантово-механического мира, однако я так и не сказал, что же это такое — квантовая механика. Ее можно свести к трем простым идеям.

1. Физические измерения могут привести лишь к определенному набору результатов. Это как бросать монетку: или орел, или решка, третьего не дано.

2. Во вселенной есть элемент случайности. Когда мы измеряем энергию, спин или положение электрона, то не можем уверенно сказать, что получим, пока не проделаем измерение. Мы можем лишь описывать вероятности.

3. Вероятности описываются волнами. Квантовая механика просто детально расписывает, как эти вероятности различных результатов меняются в пространстве и времени.

Следствия из этих правил весьма далеко идущие, и об одном из них вы, скорее всего, слышали. В 1927 году немецкий физик Вернер Гейзенберг выдвинул свой знаменитый принцип неопределенности. Гейзенберг обнаружил, что чем лучше знаешь, где находится электрон, тем меньше знаешь, куда он направляется, и наоборот. Кроме того, неопределенность предполагает, что уже сама попытка выяснить, чем занят электрон, может на него повлиять.

Например, можно получить электрон со случайным спином.

Из первой главы мы знаем, что если взять и измерить спин электрона при помощи набора магнитов, можно получить всего два результата: вверх или вниз. Только вот предсказать, какой именно, нельзя.

Случайность спина куда более фундаментальна, чем случайность брошенной монетки. Если бросишь монетку, хотя бы в принципе возможно рассчитать, как она упадет, орлом или решкой. Можно измерить скорость ветра, все силы, действующие на монетку, предсказать равновесие, определить упругость стола, куда она упадет, и т. д. Надо только собрать все-все данные, смоделировать ситуацию на компьютере — и можно будет каждый раз предсказывать результат броска. Мы считаем падение монетки случайным лишь потому, что ленимся проделать всю эту работу.