ПЯТОЕ ИЗМЕРЕНИЕ. ИССЛЕДОВАНИЕ ПРИРОДЫ ВРЕМЕНИ

Физиков удивила странная двойственность света, но настоящее потрясение они испытали, когда выяснилось, что электрон, всегда считавшийся твёрдой частицей, тоже ведёт себя как волна. В экспериментах пропущенный через две щели пучок электронов рисовал на экране не две вертикальные полосы, что было бы логично для твёрдых частиц, а сразу группу полос – типичную картину интерференции волн. Даже когда электроны запускали строго по одному, картина не менялась: один электрон словно проходил через две щели сразу. Мало того, оказалось, что электроны способны совершать «квантовые скачки» – мгновенно менять своё положение в атоме, вообще не находясь в промежуточном пространстве между орбитами. Это не укладывалось в голове! Если электрон обладает волновыми свойствами, тогда что возмущает среду, в которой существует эта волна? Что колеблется? А если электрон – частица, то как он может в одно и то же время находиться в двух местах?

Ответ дал Макс Борн в 1926 году, заявив, что колеблется вероятность нахождения электрона в данной точке. Невозможно точно и наверняка определить, где находится электрон. Единственное, что мы можем знать – это вероятность его обнаружения. Эту фундаментальную случайность закрепил Вернер Гейзенберг, сформулировав свой знаменитый принцип неопределённости, ставший одним из столпов квантовой теории. Принцип гласит: невозможно одновременно и с абсолютной точностью знать импульс частицы (произведение её массы на скорость) и её местоположение. Математически он выражается соотношением неопределённости по формуле, где погрешность измерения координаты, умноженная на погрешность измерения импульса, всегда должна быть больше или равна редуцированной постоянной Планка, делённой на два. Это накладывает жёсткое ограничение: если мы до предела точно определяем координаты частицы, то её импульс (и скорость) становится совершенно непредсказуемым. И наоборот: как только мы точно измеряем скорость, электрон мгновенно «размывается» в пространстве, лишая нас возможности узнать его координаты.

Принцип неопределённости аналогичным образом связывает не только координаты и скорость, но и другие пары взаимно увязанных характеристик частиц. Так, невозможно одновременно безошибочно измерить энергию квантовой системы и точно определить момент времени, в который она этой энергией обладает. Неопределённость является следствием корпускулярно-волнового дуализма. Элементарная частица обладает свойствами волны, а волна по самой своей природе «размазана» в пространстве и времени.

В 1927 году Нильс Бор и Вернер Гейзенберг сформулировали Копенгагенскую интерпретацию, согласно которой квантовая механика описывает не микрообъекты сами по себе, а их свойства, проявляющиеся в процессе взаимодействия с макромиром – классическими измерительными приборами. Именно акт измерения вызывает мгновенное схлопывание, «коллапс волновой функции», превращая вероятности в конкретный факт.

Копенгагенскую интерпретацию сами физики иногда иронично сравнивают с философией епископа Беркли, который задавал вопрос: если в лесу падает дерево и вокруг нет никого, кто мог бы это услышать, производит ли его падение звук? Квантовая теория не отвечает на этот вопрос однозначным «да» или однозначным «нет». Её ответ куда более неприятен, чем сам вопрос: если рядом с деревом никого нет, то это дерево существует как сумма множества потенциальных состояний. Оно может одновременно расти, падать или существовать, например, в виде поленницы дров. И только в момент «наблюдения» – когда прибор или окружающая среда фиксируют объект – его волновая функция чудесным образом схлопывается, превращаясь в конкретный объект.

Твердыни, которые совсем недавно казались незыблемыми, прямо на глазах превращались в зыбучие пески. Такое понятное и вполне определённое будущее предсказать уже было нельзя – можно говорить только о вероятности того или иного течения событий. На этом поле вероятностей возникал пусть небольшой, но всё же шанс для невероятного – какой-нибудь немыслимой чертовщины, противоречащей здравому смыслу. Квантовая «ересь» взорвала мир физики и расколола его на два лагеря. Вместе с ним вдребезги рушилась вообще вся прежняя мировоззренческая вселенная, требуя философского переосмысления физической реальности. Новый фундаментальный закон – принцип неопределённости – безжалостно разрушал фундамент классического детерминизма. Больше не существует ни однозначной определённости в природе, ни высшего промысла – миром правит случайность. Прежний, понятный мир был разрушен навсегда.

Амбассадорами лагеря сторонников квантовой теории были Бор и Гейзенберг, а противниками оказались Эйнштейн и Шрёдингер, стоявшие у её истоков. Признавая несомненные успехи новой теории и даже временами искренне восторгаясь ими, отцы-основатели открыто недолюбливали своё дитя за его непредсказуемый характер. Шрёдингеру, автору волновых уравнений, применяемых для решения квантовых задач, она не нравилось настолько, что он даже сожалел о своей причастности к ней. В одной из своих статей он отмечает, что квантовая механика «пока всего лишь удобный трюк, который, однако, приобрёл… чрезвычайно большое влияние на наши фундаментальные взгляды на природу». Вечным оппонентом квантовой теории оставался и Эйнштейн. В пылу жарких научных споров он не раз восклицал: «Бог не играет в кости со Вселенной!». Великий учёный не отвергал теорию полностью, но не мог принять её в качестве окончательного варианта для фундамента физики. Эйнштейну не хватало в ней единства, целостности, полноты картины мира, какого-то скрытого, но очень важного параметра.

В 1935 году после опубликования статьи Эйнштейна-Подольского-Розена о неполноте квантовой механики Шрёдингер направил Эйнштейну письмо со словами поддержки и в продолжение темы предложил мысленный эксперимент, который, как предполагалось, позволит высмеять и наглядно продемонстрировать абсурдность Копенгагенской интерпретации. Эксперимент получил широкую известность как парадокс «кота Шрёдингера», Иллюстрация 4.

Иллюстрация 4. Кот Шрёдингера. Кот в условиях квантовой неопределенности. Кот жив или кот мёртв?

Кот помещается в закрытую коробку. За перегородкой находится «дьявольская машина»: счётчик Гейгера, крупинка радиоактивного вещества и синильная кислота. Когда атом вещества распадётся, вылетит элементарная частица, счетчик Гейгера сработает и приведёт в действие молоточек. Он разобьет колбу с синильной кислотой и кот тут же отравится. Когда вылетит частица никто не знает, но наблюдателю задается вопрос: кот жив или мёртв? Так как распад атома – исключительно квантовое событие, то и кота придется описывать как квантовый объект. До тех пор, пока коробка закрыта и изолирована, кот находится в состоянии суперпозиции. Он существует в виде суммы двух волновых функций: одна описывает живого кота, другая – мёртвого. Вероятность 50%, что атом не распался и кот жив, такая же вероятность, что атом распался и кот мёртв. Живой и мёртвый кот как бы смешаны внутри объёма коробки. Если следовать копенгагенской интерпретации, единственный способ определить судьбу кота – зафиксировать результат, то есть открыть короб и произвести наблюдение.

По замыслу Шрёдингера суть эксперимента состояла в том, что неопределённость на квантовом уровне неизбежно приводит к неопределённости, размытости в макроскопическом масштабе. Это в корне противоречит требованию определённости состояний макрообъектов, независимо от их наблюдения и, следовательно, не позволяет принять «модель размытости» в качестве реальной картины мира. Эйнштейну эксперимент понравился, хотя он рассматривал его суть несколько по-иному – как возможность статистического описания эксперимента и статистического опровержения копенгагенской интерпретации.

Аргументы Эйнштейна и Шрёдингера не могли остановить дальнейшее триумфальное развитие квантовой физики, напротив, помогли работе над прояснением других её важных основ. Со временем старая Копенгагенская интерпретация теории утратила свою абсолютную монополию, уступив часть позиций гораздо более радикальной многомировой интерпретации. В новой трактовке Вселенная расщепляется надвое, где в одной Вселенной кот жив, а в другой – мёртв. Или на множество Вселенных, где каждое квантовое событие ежесекундно множит ткань мироздания, превращая Вселенную в колоссальный, вечно ветвящийся Мультиверс, а кот существует во всевозможных состояниях.

Научная и философская проблема физической реальности так и осталась нерешённой. И хотя физики доказали, что «скрытых параметров» внутри самих частиц нет, идея Эйнштейна о поиске Единой теории поля сегодня актуальна как никогда. Нынешняя Стандартная модель микромира при всей её точности не способна описать гравитацию, а значит – картина Вселенной остаётся неполной. Всё больше исследователей обращаются к поиску новой, более глубокой реальности. Учёные предполагают, что могут существовать пока не обнаруженные элементарные частицы (например, тяжёлые стерильные нейтрино, частицы тёмной материи или кванты гравитации), которые не вписываются в привычные рамки, но способны распутать клубок квантовых парадоксов. Прямо сейчас поиски этих недостающих элементов вселенской мозаики ведутся в глубинах космоса и на мощнейших ускорителях.

Из элементарных частиц состоит всё известное нам вещество, вся таблица Менделеева. Атом представляет собой размытое облако электронов, окружающих крохотную плотную сердцевину, где сосредоточена почти вся масса – ядро, состоящее из протонов и нейтронов. Оно примерно в 100 тысяч раз меньше самого атома. То есть в нашей реальности пустоты гораздо больше, чем «твёрдости». Если бы атомное ядро было размером с горошину, то сам атом разросся бы до размеров футбольного стадиона. Если бы удалось полностью убрать всё свободное пространство из атомов человеческого тела, то гигантская масса человека сжалась бы до объекта, который невозможно разглядеть даже в микроскоп – он был бы в тысячи раз меньше крохотной песчинки. А всё человечество, избавленное от межатомной пустоты, легко уместилось бы в одном кубике сахара.

Однако оказывается, что могут существовать и другие атомы, экзотические. В так называемом мюонном атоме на место одного из электронов встраивается отрицательный мюон, характеристики которого совпадают с характеристиками электрона во всём, кроме массы и времени жизни (мюон нестабилен). Из-за того, что мюон тяжелее своего собрата–электрона в 207 раз, мюонная орбиталь меньше электронной ровно на столько же. Соответственно, и размер мюонного атома получается в 207 раз меньше обычного. Но ядро-то остаётся прежним. Поэтому для мюона вероятность оказаться внутри ядра возрастает в 2073, то есть почти в девять миллионов раз больше по сравнению с электроном. В случае с тяжёлыми атомами радиус орбиты мюона становится меньше радиуса ядра. Облако находится уже не во вне, а начинает струиться где-то в недрах ядра. Схематичное сравнение обычного и мюонного атомов показано на Иллюстрации 5. Такое строение мюонного атома, похожее на коробочку с квантовым сюрпризом, кардинально меняет его физические свойства.

Иллюстрация 5. Сравнение моделей обычного (слева) и мюонного (справа) атомов

Экзотический квант

Понятие «экзотическая материя» применяется в физике элементарных частиц, в теории о строении «кротовых нор», используется при создании материалов с необычными свойствами. Так называют вещество или поля, которые нарушают привычные физические закономерности и ведут себя принципиально иначе по сравнению с обычным веществом. Образцы некоторых видов экзотической материи учёным удаётся получить на практике, как, например, мюонные атомы или отрицательную энергию вакуума в эффекте Казимира. Существование других допускается пока лишь гипотетически, например, вещество с антигравитационными свойствами или материя с отрицательной массой.

С полным правом к экзотической материи можно отнести и человека. Он обладает целым набором характеристик, нарушающих законы физики. Человек, в отличие от всей прочей материи, бесцеремонно попирает главное достояние физической науки – он нарушает энергетические условия.

Соблюдение энергетических условий означает, что камень никогда не покатится от подножия на вершину горы – он может только падать вниз с вершины. Река не потечёт в гору, она способна лишь стекать с неё, а на равнине будет искать себе русло, огибая все возвышения рельефа и стремясь к уровню Мирового океана. Всё в природе покорно следует по пути наименьшего сопротивления. Всё, кроме человека – он устремлён к достижению вершин. Даже если у него нет намерения покорить Эверест, он стремится к достижению иных вершин: профессиональных, спортивных, научных и т. д. И даже если человек не стремится ни к каким высотам, ему всё равно приходится ежедневно преодолевать энергетический барьер: учиться, справляться с трудностями, выстраивать отношения, добывать хлеб насущный, заботиться о близких и т. д. Преодоление – это то, что движет прогрессом человеческого общества. Не свободное скольжение по физической глади жизни, а осознанная воля к преодолению делает человека человеком и отличает его от всех иных видов живой и неживой материи.

Человек преодолевает даже силу гравитации. Разумеется, он, как и любое физическое тело на Земле, непрерывно испытывает на себе силу тяжести. Но, в отличие от камня, он способен активно противостоять ей – например, просто подпрыгнув. На первый взгляд, это обыденное действие, но на фоне пассивной неживой материи оно уникально. Человек задействует внутреннюю химическую энергию организма, заставляя мышцы ног совершать работу и передавать телу импульс, направленный против вектора земного притяжения. Это не нарушение законов физики, но локальная победа одной силы над другой. Благодаря этому он может перемещаться по поверхности планеты в любом направлении. В процессе освоения ближнего космоса человек смог полностью разорвать оковы земного притяжения. Для этого ему потребовалась дополнительная энергия химического топлива, но он смог её получить и использовать.

Человек – это сложная система, состоящая из множества молекул, клеток, органов, подсистем. При этом каждый отдельный элемент, обособленная часть, оторванная от связей с системой человеческого организма, сама по себе не имеет абсолютно никакого значения. Человек – это единое целое, которое несравненно больше, чем просто сумма его частей. В этом органическом единстве он выступает как неделимая частица. Человека с полным на то основанием можно назвать антропным квантом.

Квант, конечно, не типичный, экзотический, но это именно квант:

· Во-первых, человек обладает собственной внутренней энергией – способностью к осознанному действию, творчеству, труду. Этот внутренний импульс рождается внутри самой системы, а не вызывается внешним механическим воздействием.

· Во-вторых, энергия одного человека – это минимальная, элементарная порция энергии разумной живой материи. Меньше просто не бывает.

· В-третьих, энергия, которой располагает человек, является неделимой величиной. Человек может поделиться результатами работы своей энергии, но не может поделиться самой энергией.

Антропный квант обладает физическими характеристиками, которые можно описать языком точных величин: массой, ростом, возрастом, мышечной силой, скоростью движения, артериальным давлением, температурой тела. Эти параметры динамически меняются под влиянием множества внутренних и внешних факторов, особенно в процессе биологического взросления и старения. Однако они никогда не могут выйти за рамки строго определённого, эволюционно заданного диапазона.

Антропный квант функционирует как эффективная энергетическая машина, работающая по законам физики, и являющаяся одновременно:

· Потребителем энергии – непрерывно поглощает энергию из окружающей среды в виде пищи и кислорода;

· Преобразователем энергии – трансформирует химическую энергию молекул в механическую работу мышц, электрические импульсы нервной системы и тепло;

· Генератором энергии – вырабатывает собственное электромагнитное и тепловое поле, непрерывно излучая его в пространство;

· Аккумулятором энергии – запасает энергетические резервы на молекулярном уровне в виде гликогена и молекул АТФ, обеспечивая системе автономность и выживание в периоды дефицита.

В среднем около 70-80% суточной энергии человек расходует «на себя» – на основной обмен, связанный с базовым жизнеобеспечением: на поддержание непрерывной работы внутренних органов и на переваривание пищи. Самым энергетически затратным органом является мозг. Составляя всего 2% от общей массы тела, он никогда не прекращает свою деятельность. В состоянии полного покоя мозг забирает около 10% всей энергии организма, при умственной активности этот показатель возрастает до 25%, а в стрессовых ситуациях достигает 40%. На движение, совершение внешней работы и осознанное преобразование окружающего мира у человека остаётся не так много – в среднем от 20% до 30% суточной энергии.

Антропный макро-квант, как мы ранее выяснили, обладает собственным спином. Это уже чисто квантовая характеристика. Что именно она даёт человеку в энергетическом плане – неизвестно, это совершенно не исследованное поле, никто не изучал этот вопрос. Если обратиться к аналогиям в микромире, то там спин является не просто характеристикой, а главным регулятором квантового мира. Именно он управляет поведением частиц, заставляя их нарушать все законы нашей привычной макроскопической логики. Спин решает, будет ли частица строить твёрдое вещество или превратится в пронизывающее пространство силовое поле. Спин порождает у частицы собственный магнитный момент, даже если у неё нет электрического заряда. Благодаря спину частицы способны объединяться в коллективы с абсолютно фантастическими свойствами. Яркий пример тому – сверхпроводимость, при которой электроны текут по металлу без малейшего сопротивления, а наведённый ток может циркулировать в замкнутом кольце миллиарды лет, не угасая. Другое проявление – сверхтекучесть, когда атомы жидкости синхронизируются настолько, что полностью теряют трение. Субстанция обретает способность без всякого давления течь вверх по стенкам сосуда и выливаться наружу, просачиваясь сквозь микроскопические поры. Следуя аналогиям из микромира, можно предположить, что спин – это очень важная характеристика человека, связанная с его жизненной энергией, с самой жизнью.

Для антропного кванта выполняется аналог принципа суперпозиции. Это тоже квантовая характеристика. Базовыми энергетическими состояниями человека являются сон и бодрствование. Сами по себе они дискретны и ортогональны: активный человек не может спать, а спящий – бодрствовать. Коллапс волновой функции сознания всегда переводит нас в одну из этих крайностей.

Есть у антропного кванта и своя «постоянная Планка», связанная с суточным циклом жизнедеятельности. Она характеризует масштаб неделимого «кванта действия», необходимого для перевода всей системы из одного базового энергетического состояния в другое – из фазы сна в фазу активного бодрствования и обратно. Антропная постоянная Планка – это наш собственный минимальный «квантовый шаг», суточный спинорный оборот в 720°.

В микромире фундаментальная постоянная Планка (h) определяет границу, ниже которой детерминизм ОТО уступает место квантовой вероятности. Она равна ничтожным 6,6 × 10 -34 Дж·с. Наш макроскопический квант несоизмеримо отличается от атома, поэтому и его константа несоизмеримо больше. Суточный баланс человеческой энергии и времени рождает «антропную константу» порядка 10 11 Дж·с. Таким гигантским квантовым скачком мы совершаем фазовый переход «сон-бодрствование». Разница между этими двумя константами составляет сорок пять порядков – на такую астрономическую величину наш «шаг» отличается от «квантового шага» атома.

В фундаментальной физике разрывы подобного масштаба встречаются лишь при описании глобальной архитектуры Вселенной. Например, электромагнитное отталкивание электрона и протона на сорок порядков сильнее их гравитационного притяжения – именно эта колоссальная разница сил позволяет крохотному школьному магниту удерживать скрепку, побеждая притяжение всей планеты. Столь же гигантская дистанция в сорок пять порядков отделяет мыслящего человека от элементарной частицы, наглядно иллюстрируя, какой невероятный мост из энергии и времени природа возвела между микромиром и человеческим разумом.

Кот Шрёдингера – 2

Проведем со злосчастным котом Шрёдингера другой эксперимент, в обратном порядке и на этот раз без урана и кислоты. Мы не будем ждать момента, когда кот перейдёт в смешанное состояние. Вместо этого привлечём кота, который с самого начала эксперимента находится в неопределённом, «размытом» состоянии для внешнего мира.

Возьмём прикрытую коробку, где находится спящий кот. Наблюдателю предстоит ответить на тот же сакраментальный вопрос: кот жив или мёртв? При этом ему запрещено открывать коробку или производить любое иное возмущение среды. Теперь сам наблюдатель оказывается в тисках квантовой неопределённости: он видит координату кота – коробку, но его сигнальная система (зрение, слух) лишена возможности замерить импульс квантового объекта: кот не перемещается и из коробки не доносится ни звука. Пока кот безмятежно спит, для наблюдателя вероятность 50%, что там находится живой кот, и точно такая же вероятность, что мёртвый. Состояния смешаны. Но как только от кота регистрируется первый информационный импульс – он замяукал, заскрёбся или высунул голову наружу, – волновая функция неопределённости мгновенно схлопывается. Информационный мост построен, и для наблюдателя становится очевидным неоспоримый факт: кот жив, Иллюстрация 6.

Иллюстрация 6. Кот Шрёдингера-2

Наблюдатель в условиях квантовой неопределенности. Кот жив или мёртв?

Задача перед нашим экспериментом стоит та же, что и в его оригинальной версии: попытаться обнаружить за квантовой механикой более глубокий, скрытый физический фундамент, позволяющий перейти от тумана вероятностей к определённости и смоделировать «кошачью» систему с помощью строгой детерминированной физики. Однако само поле поиска в нашем случае кардинально меняется. Нам больше не нужно смешивать, а затем пытаться как-то разделить живого и мёртвого кота. Мы будем вести поиски вдоль тонкой границы, отделяющей спящего кота от проснувшегося.

Сон является естественным физиологическим состоянием человека и имеет чётко выраженную суточную цикличность. Он обеспечивает организм отдыхом, играет важную роль в процессах метаболизма, способствует переработке и хранению информации, восстанавливает иммунитет и защитные силы организма.

Природа сна, на которую наброшен покров чего-то мистического, интересовала людей во все времена. Древние греки считали ночной сон и сон вечный близкими явлениями. Аристотель описывал сон как «пограничное состояние между жизнью и не-жизнью». При этом люди всегда замечали и использовали целебную силу сна. Изучением его природы занимались выдающиеся русские ученые-физиологи И. М. Сеченов и И. П. Павлов, советско-израильский психофизиолог В. С. Ротенберг, основатель психоанализа З. Фрейд и другие. Исследованию сна посвятил свою жизнь уроженец Российской империи американский нейрофизиолог Н. Клейтман, обнаруживший и описавший разные фазы сна, в том числе фазу быстрого сна (БДГ-фазу или REM-фазу).

Природа сна активно изучается, однако она по-прежнему ставит больше вопросов, чем даёт ответов. Медицина исследовала человека вдоль и поперёк, просеяла его биологию до мельчайших молекул, научилась ювелирно редактировать геном, создавая организмы с заранее заданными характеристиками. При всём том до сих пор неизвестно, для чего вообще нужен сон. Когда-то считалось, что сон необходим для вывода токсинов, которые накапливаются за время бодрствования и начинают отравлять мозг, но никаких специфических «ядов сна» наука так и не обнаружила. Сон необходим для отдыха уставшего тела? Но люди с атрофией мышц, чьи тела неподвижны, нуждаются в нём точно так же. Сон нужен для передышки мозга, перегруженного дневной информацией? Но оказалось, что мозг во время ночного отдыха не только не отключается, а наоборот – в определённые фазы его нейроны работают даже более интенсивно, чем во время самого активного бодрствования.