За прошедшие десятилетия ученые успели высказать множество доводов в пользу того, что телепортация в принципе невозможна. Чтобы телепортировать человека, вы должны знать точное расположение каждого атома в живом теле -- а это, вероятно, нарушило бы принцип неопределенности Гейзенберга (который утверждает, что невозможно одновременно знать точное положение и скорость электрона). Продюсеры <<Звездного пути>>, склоняясь перед критиками, установили в телепортационной камере <<компенсаторы Гейзенберга>> -- можно подумать, что законы квантовой физики можно было бы исправить при помощи какого бы то ни было дополнительного блока в устройстве телепорта! Но оказывается, создатели фильма вообще поторопились с введением <<компенсаторов Гейзенберга>>. Возможно, ученые и критики прошлых лет все же ошибались.
Телепортация
За прошедшие десятилетия ученые успели высказать множество доводов в пользу
того, что телепортация в принципе невозможна. Чтобы телепортировать человека,
вы должны знать точное расположение каждого атома в живом теле — а это,
вероятно, нарушило бы принцип неопределенности Гейзенберга
(который утверждает, что невозможно одновременно знать точное положение и
скорость электрона). Продюсеры «Звездного пути», склоняясь перед критиками,
установили в телепортационной камере «компенсаторы Гейзенберга» — можно
подумать, что законы квантовой физики можно было бы исправить при помощи какого
бы то ни было дополнительного блока в устройстве телепорта! Но оказывается,
создатели фильма вообще поторопились с введением «компенсаторов Гейзенберга».
Возможно, ученые и критики прошлых лет все же ошибались.
В рамках теории Ньютона телепортация откровенно
невозможна. Законы Ньютона базируются на представлении о том, что вещество
состоит из крошечных твердых бильярдных шариков. Объекты не приходят в
движение, если их не толкнуть; объекты не исчезают внезапно и не появляются
заново в другом месте.
Но в квантовой теории частицы способны
проделывать именно такие фокусы. Законы Ньютона продержались у власти 250 лет и
были свергнуты в 1925 г., когда Вернер Гейзенберг, Эрвин Шрёдингер и их коллеги
разработали квантовую теорию. Анализируя странные свойства атомов, физики
обнаружили, что электрон ведет себя как волна и в кажущейся хаотичности своего
движения внутри атома может совершать квантовые скачки.
Теснее всего с представлением о квантовых
волнах связан венский физик Эрвин Шрёдингер, создатель знаменитого волнового
уравнения, названного его именем, — одного из важнейших уравнений физики и
химии. Целые институтские курсы посвящены решению этого знаменитого уравнения;
целые стены физических библиотек заняты книгами, в которых подробно исследуются
его глубокие следствия. В принципе вся сумма знаний по химии может быть сведена
к решениям этого уравнения.
В 1905 г. Эйнштейн показал, что световые волны
могут вести себя наподобие частиц; это значит, что они могут быть описаны как
пакеты энергии, известные под названием фотонов. Но примерно к 1920 г.
Шрёдингеру стало очевидно, что обратное тоже верно: частицы, к примеру
электроны, могут вести себя подобно волнам. Эту идею первым высказал
французский физик Луи де Бройль, удостоенный за эту гипотезу Нобелевской
премии.
Как-то Шрёдингер читал лекцию об этом
любопытном феномене. Один из присутствовавших в зале коллег-физиков Питер Дебай
задал вопрос: «Если электрон можно описать как волну, то как выглядит его
волновое уравнение?»
С тех пор как Ньютон создал дифференциальное
исчисление, физики описывали любую волну на языке дифференциальных уравнений,
поэтому Шрёдингер воспринял вопрос Дебая как вызов и решил написать
дифференциальное уравнение для электронной волны. В том же месяце Шрёдингер
ушел в отпуск, а вернулся уже с готовым уравнением. Как Максвелл в свое время
взял физические поля Фарадея и вывел уравнения Максвелла для света, Шрёдингер
взял частицу-волну де Бройля и вывел уравнение Шрёдингера для электронов.
Начав решать свое уравнение для атома водорода,
Шрёдингер, к немалому своему удивлению, обнаружил, что энергетические уровни
электронов уже до него были точно установлены и опубликованы другими физиками.
После этого он понял, что старая модель атома, принадлежащая Нильсу Бору, — та
самая, где электроны носятся вокруг ядра и которую до сих пор рисуют в книгах и
рекламных проспектах как символ современной науки — на самом деле неверна.
Круговые орбиты электронов вокруг ядра атома необходимо заменить волнами.
Можно сказать, что работа Шрёдингера встряхнула
физическое сообщество и, подобно брошенному камню, тоже породила разбегающиеся
волны. Физики вдруг обнаружили, что могут заглянуть непосредственно в атом,
подробно исследовать волны, из которых состоят его электронные оболочки, и
точно предсказать их энергетические уровни.
Но оставался еще один вопрос, который не дает
физикам покоя даже сегодня. Если электрон описывается как волна, то что же в
нем колеблется? Ответ на этот вопрос дал физик Макс Борн; он сказал, что эти
волны представляют собой не что иное, как волны вероятности. Они сообщают
только о том, с какой вероятностью вы обнаружите конкретный электрон в
определенное время в определенной точке. Другими словами, электрон — это
частица, но вероятность обнаружить эту частицу задается волной Шрёдингера. И
чем выше волна, тем больше шансов обнаружить частицу именно в этой точке.
Получается, что внезапно в самом сердце физики
— науки, которая прежде давала нам точные предсказания и подробные траектории
любых объектов, начиная с планет и комет и кончая пушечными ядрами, — оказались
понятия шанса и вероятности.
Гейзенберг сумел формализовать этот факт,
предложив принцип неопределенности — постулат о том, что невозможно знать
точную скорость и точное положение электрона в один и тот же момент. Невозможно
точно определить и его энергию в заданный промежуток времени. На квантовом
уровне нарушаются все фундаментальные законы здравого смысла: электроны могут
исчезать и вновь возникать в другом месте, а также находиться одновременно в
нескольких местах.
(По иронии судьбы и Эйнштейн, крестный отец
квантовой теории, принимавший участие в революционных преобразованиях 1905 г.,
и Шрёдингер, автор волнового уравнения, пришли в ужас от появления случайных
процессов в фундаментальной физике. Эйнштейн писал: «Квантовая механика
вызывает огромное уважение. Но внутренний голос подсказывает мне, что это не
то, что нужно. Эта теория многое объясняет, но едва ли приближает нас хоть
сколько-то к тайне Бога. По крайней мере о себе могу сказать точно: я убежден,
что Он не играет в кости».)
Теория Гейзенберга была революционной и
противоречивой, но работала. С ее помощью физикам удалось одним махом объяснить
огромное число загадочных явлений, включая законы химии. Подобная телепортация
запрещена в ньютоновской физике, но никак не противоречит законам квантовой
механики. Ответ, однако, заключается в том, что такого события пришлось бы
ждать до конца жизни вселенной и даже дольше. (Если бы вы при помощи компьютера
построили график шрёдингеровой волновой функции для собственного тела, то
выяснилось бы, что она очень сильно напоминает само тело, но выглядит как бы
чуть-чуть лохматой, так как некоторые из ваших волн расползаются за его пределы
во всех направлениях. Некоторые из них достигают даже отдаленных звезд.
Поэтому существует все же крошечная вероятность того, что однажды вы
вдруг проснетесь на далекой чужой планете.)...
