Случайность истории

Эти эксперименты поразительны. Они обеспечивают простое, но мощное доказательство того, что наш мир управляется квантовыми законами, найденными физиками в XX в., а не классическими законами, найденными Ньютоном, Максвеллом и Эйнштейном, — законами, которые мы сегодня признаём как эффективные и успешные для приблизительного описания событий в достаточно больших масштабах. Мы уже видели, что квантовые законы бросают вызов обычным представлениям о том, что происходило в прошлом, — о ненаблюдаемых событиях, которые ответственны за то, что мы видим в настоящее время. Некоторые простые вариации упомянутых экспериментов выводят наше интуитивное представление о том, как события разворачиваются во времени, на ещё более высокий, ещё более удивительный уровень.

Первый вариант называется экспериментом с отложенным выбором, и был предложен в 1980 г. выдающимся физиком Джоном Уилером. Эксперимент неожиданно наталкивает на странно звучащий вопрос: зависит ли прошлое от будущего? Отметим, что это отличается от вопроса, можем ли мы вернуться назад и изменить прошлое (это мы обсудим в главе 15). Эксперимент Уилера, который был проведён и детально проанализирован, вскрывает удивительное переплетение, взаимосвязь между событиями, которые, как мы считаем, имели место в прошлом, даже в удалённом прошлом, и событиями, которые мы рассматриваем как происходящие прямо сейчас.

Чтобы почувствовать физику, представьте, что вы коллекционер произведений искусства, и что мистер Смитерс, председатель нового Общества распространения красоты и искусств Спрингфилда, пришёл взглянуть на различные произведения, которые вы выставили на продажу. Однако вы знаете, что на самом деле его интересует «Дородный Монти», картина в вашей коллекции, которую вы никогда не считали стоящей, но которая является одной из картин, доставшихся вам по завещанию вашего любимого дядюшки Монти Бернса, так что решение продать её требует некоторых эмоциональных усилий. После прихода мистера Смитерса вы беседуете о вашей коллекции, прошедших аукционах, текущем шоу в Метрополитен; и вдруг вы узнаёте, что когда-то Смитерс был главным помощником вашего дядюшки. К концу разговора вы решаете, что хотите расстаться с «Дородным Монти»: имеется так много произведений, которые вы хотели бы иметь, и вы должны немного ограничивать себя, иначе ваша коллекция станет бесформенной. В отношении коллекционирования произведений искусства вы всегда говорили себе, что иногда качество важнее количества.

Когда вы размышляете об этом решении ретроспективно, кажется, что вы на самом деле уже решились на продажу до прихода мистера Смитерса. Хотя вы всегда имели определённую привязанность к «Дородному Монти», вы долго осторожничали в сборе всё разрастающейся коллекции, а эротически-ядерный реализм конца XX в. является устрашающей областью для любого, даже самого закалённого коллекционера. Хотя вы помните, что перед приходом вашего посетителя вы думали, что не знаете, что делать, но с вашей текущей точки зрения кажется, как если бы вы на самом деле знали. Не то чтобы будущие события повлияли на прошлые, но ваша совместная встреча с мистером Смитерсом и ваше последующее выражение желания продать картину освещают прошлое так, что возникают определённые мысли, кажущиеся со временем бесспорными. Это как если бы встреча и ваше выражение желания помогли вам признать решение, которое уже было принято и только ожидало своего выхода на сцену. Будущее помогло вам рассказать более полную историю о том, что произошло в прошлом.

Конечно, в этом примере будущие события влияют только на ваше восприятие или интерпретацию прошлого, так что события не являются ни головоломными, ни удивительными. Но эксперимент с отложенным выбором Уилера переносит это психологическое переплетение будущего и прошлого в квантовую область, где оно обретает точный смысл, но не становится от этого менее поразительным. Мы начнём с эксперимента на рис. 7.1а, изменённого путём настройки лазера так, что он испускает отдельный фотон за один раз, как на рис. 7.1б, а также путём присоединения нового детектора фотонов сразу за светоделителем. Если новый детектор выключен (см. рис. 7.2б), мы возвращаемся к исходным настройкам эксперимента и фотоны на фотографическом экране дают интерференционную картину. Но если новый детектор включён (рис. 7.2а), он указывает нам, каким путём движется каждый фотон: если он обнаруживает фотон, значит, фотон выбрал этот путь, если он не обнаруживает фотон, значит, фотон выбрал другой путь. Такая информация о выборе пути, как уже говорилось, вынуждает фотон вести себя подобно частице, так что волновая интерференционная картина больше не создаётся.

Рис. 7.2. (а) Включая детектор, определяющий выбор пути фотоном, мы разрушаем интерференционную картину. (б) Когда новый детектор выключен, мы возвращаемся к ситуации рис. 7.1 и снова выстраивается интерференционная картина

Теперь, следуя Уилеру, изменим ситуацию, переместив новый детектор фотонов далеко от светоделителя вдоль одного из двух путей. В принципе, путь может быть настолько длинным, насколько вы захотите, так что новый детектор может быть существенно удалён от светоделителя. Снова, если этот новый детектор фотонов выключен, мы находимся в обычной ситуации и фотоны дают на экране интерференционную картину. Если он включён, то обеспечивает информацию о выборе пути и поэтому препятствует возникновению интерференционной картины.

Новые странности возникают из того факта, что измерение выбора пути может быть произведено намного позже того, как фотон в светоделителе «решил», будет ли он вести себя как волна и двигаться по обоим путям или он будет вести себя как частица и двигаться только по одному пути. Когда фотон проходит через светоделитель, он не может «знать», включён новый детектор или нет, — в действительности эксперимент может быть устроен так, что выключатель детектора будет установлен в то или иное положение после того, как фотон прошёл через делитель. Чтобы быть готовой к возможности, что детектор выключен, квантовая волна фотона, скорее всего, разделилась и двигается по обоим путям, так что смесь обоих путей может дать наблюдаемую интерференционную картину. Но если новый детектор был включён — или если он включается после того, как фотон полностью покинул делитель, — то кажется, что фотон сталкивается с кризисом идентичности: пройдя через делитель, он уже зафиксировал свою волновую природу, двигаясь по обоим путям; но теперь, через некоторое время после осуществления этого выбора, он «осознаёт», что ему необходимо стать частицей, которая путешествует по одному и только по одному пути.

Однако каким-то образом фотон всегда делает это правильно. Когда бы детектор ни был включён — опять-таки, даже если решение включить его принимается после того, как данный фотон прошёл через светоделитель, — фотон ведёт себя совершенно как частица. Он находится на одном и только на одном пути к экрану (если вы поставили детекторы фотонов на оба пути, каждый эмитированный лазером фотон будет обнаружен одним и только одним детектором, но никогда обоими); итоговые данные не показывают интерференционной картины. Когда бы детектор ни был выключен — даже если это было сделано спустя много времени после того, как фотон прошёл через делитель, — фотоны ведут себя совершенно как волны, создавая замечательную интерференционную картину и показывая, что они шли обоими путями. Это похоже на то, как если бы фотоны приспосабливали своё поведение в прошлом к будущему выбору, включён ли новый детектор; как будто фотоны имеют «предчувствие» экспериментальной ситуации, с которой они столкнутся дальше на пути, и ведут себя соответственно. Как будто согласованная и определённая история становится проявленной только после того, как будет полностью фиксировано будущее, к которому оно ведёт.^{89}

Есть нечто схожее с вашими ощущениями от решения о продаже «Дородного Монти». Перед встречей с мистером Смитерсом вы были в двусмысленном, нерешительном, размытом, смешанном состоянии, желая и продать, и не продавать картину. Но совместные разговоры о мире искусства и получение информации о влиянии Смитерса на вашего дядюшку сделали для вас идею о продаже более комфортной. Разговор привёл к твёрдому решению, которое ретроспективно позволило решению выкристаллизоваться из первоначальной неопределённости. Ретроспективно ощущается, будто решимость на самом деле была всегда. Но если бы вы не поговорили так хорошо с мистером Смитерсом, если бы он не придал вам уверенности, что «Дородный Монти» будет в надёжных руках, очень даже вероятно, что вы могли принять решение не продавать картину. А история прошлого, которую вы могли бы рассказать в этом случае, легко могла бы содержать признание, что вы на самом деле очень давно решили не продавать картину, будучи глубоко уверенным, что ваша сентиментальность слишком глубока, чтобы пойти на это. Реальное прошлое, конечно, не изменилось ни на йоту. Однако разные ощущения теперь заставляют вас описывать разную историю.

В области психологии переписывание или реинтерпретация прошлого является обычным делом;^[44] наша история прошлого часто лишь информирует о наших переживаниях в настоящем. Но в области физики — которую мы обычно рассматриваем как объективную и высеченную в камне дисциплину — зависимость истории от случайностей будущего несколько кружит голову. Чтобы голова закружилась ещё сильнее, Уилер представил космическую версию эксперимента с отложенным выбором, в которой источником света является не лабораторный лазер, а мощный квазар в глубине пространства. Светоделитель представляет собой не лабораторный прибор, а находящуюся на пути света галактику, гравитационное поле которой может действовать подобно линзе, фокусирующей проходящие фотоны и направляющей их к Земле, как на рис. 7.3. Хотя никто на данный момент не проделал указанный эксперимент, в принципе, если собрать достаточно фотонов от квазара, они должны заполнить интерференционную картину на фотопластинке с длительным экспонированием, точно так же, как и в эксперименте с лабораторным светоделителем. Но если в конце одного или другого пути ввести дополнительный детектор фотонов, он обеспечит информацию о выборе пути фотоном, благодаря этому разрушая интерференционную картину.

Рис. 7.3. Свет от удалённого квазара, расщеплённый и сфокусированный промежуточной галактикой, в принципе, будет давать интерференционную картину. Если добавочный детектор, который позволяет определить путь для каждого фотона, включён, достигающие Земли фотоны больше не будут давать интерференционную картину

Что поражает в этой версии эксперимента, так это то, что с нашей точки зрения фотоны могли путешествовать многие миллиарды лет. Их решение двигаться вокруг галактики-линзы одним путём, как частица, или обоими путями сразу, как волна, кажется принятым задолго до того, как возник детектор, любой из нас или даже сама Земля. Однако миллиарды лет спустя детектор был построен, установлен на одном из путей фотонов, достигающих Земли, и включён. И эти недавние действия каким-то образом гарантируют, что рассматриваемые фотоны ведут себя как частицы. Это работает так, будто бы они путешествовали к Земле строго вдоль одного или другого пути. Но если через несколько минут мы выключим детектор, то фотоны, которые после этого достигают фотопластинки, начинают выстраивать интерференционную картину, свидетельствуя о том, что миллиарды лет назад они путешествовали в тандеме со своим призрачным партнёром одновременно по противоположным путям вокруг галактики.

Включение или выключение детектора в двадцать первом столетии влияет на движение фотонов несколько миллиардов лет назад? Нет, конечно. Квантовая механика не отрицает, что прошлое произошло и произошло окончательно. Недоразумение возникает потому, что концепция прошлого в соответствии с квантовой механикой отличается от концепции прошлого в соответствии с классической интуицией. Классическое воспитание долго заставляло нас говорить, что данный фотон поступил так или поступил эдак. Но в квантовом мире, нашем мире, это утверждение, применённое к реальным фотонам, оказывается слишком ограниченным. Как мы видели, в квантовой механике нормой является неопределённая, размытая, смешанная реальность, состоящая из многих нитей, которые кристаллизуются в более обычную, определённую реальность только после проведения подходящего наблюдения. Фотон не решал миллиарды лет назад, пойти ему по одному пути вокруг галактики, или по другому пути, или по обоим путям. Вместо этого на протяжении миллиардов лет он пребывал в том состоянии, которое является нормой в квантовом мире, — в смеси всех возможностей.

Акт наблюдения связывает эту необычную квантовую реальность с повседневным классическим опытом. Наблюдения, которые мы проводим сегодня, вынуждают одну из нитей квантовой истории выделиться в нашем изложении прошлого. В этом смысле, хотя квантовая эволюция от прошлого к настоящему не подвергается влиянию чего-либо, что мы делаем сегодня, история, которую мы называем прошлым, может нести на себе следы сегодняшних действий. Если мы устанавливаем детекторы фотонов вдоль двух путей, по которым свет следует к экрану, тогда наш рассказ о прошлом будет включать описание того, какой путь выбрал каждый фотон; устанавливая детекторы фотонов, мы обеспечиваем, что информация выбора пути является существенной и определённой частью нашей истории. Но если мы не устанавливаем детекторы фотонов, описание прошлого будет неизбежно другим. Без детекторов фотонов невозможно сказать что-либо о том, каким путём следует фотон; без детекторов фотонов подробности выбора пути фундаментально недоступны. Оба образа действий (с детектированием путей и без) допустимы. Оба интересны. Они просто описывают разные ситуации.

Наблюдение сегодня может, следовательно, помочь завершить историю, которую мы рассказываем о процессе, который начался вчера, позавчера или вообще миллиард лет назад. Сегодняшние наблюдения могут очертить детали, которые мы можем и должны включить в сегодняшнее ви́дение прошлого.