|
| | Эффект телепортации |
| | 4 Мар 2004 |
рейтинг (-2/8) |
| | просмотрено (694) |
| |
 Этот термин пришел к нам из сказок и научной фантастики. Мгновенное перемещение из одного места в другое — сразу, минуя промежуточные состояния. Исчезнуть на Земле и тут же материализоваться где-нибудь на Луне или Марсе! Возможно ли такое? С первого взгляда — нет. Казалось бы, при этом нарушаются многие хорошо проверенные законы классической физики. Тем не менее квантовая механика и некоторые недавние эксперименты с микрочастицами доказывают, что при некоторых условиях это вполне достижимо. Как это часто случается в последнее время, наука оказывается фантастичнее самой запредельной фантастики…
Три способа летать, не взлетая
Напрягшись, Джени ощутила прилив какой-то чудесной, радостной энергии. Родившись где-то в глубине ее мозга, она переполняла теперь все ее тело, ставшее вдруг невесомо легким. Так бывает иногда во сне, когда, раскинув руки и чуть оттолкнувшись, вы чувствуете, что летите, оставляя глубоко под собой зеленую щетку леса и голубую змейку реки. На мгновение глаза Джени закрыла серая дымка, и она с удивлением и восторгом увидела, что находится в соседнем доме, в комнате Джека, где ей так хотелось побывать. Окна и двери оставались закрытыми, стены целы, а она тут.
- Удалось! Научилась перемещаться! Я всегда знала, что смогу!…
Вот так или почти так описывают телепортацию писатели-фантасты. Нужно напрячься, сильно пожелать, и чудесная ментальная сила перенесет вас, куда пожелаете.
Такая телепортация в одном ряду с телепатией, телекинезом и прочими паранормальными явлениями, не имеющими абсолютно никакой научной основы и никогда не наблюдавшимися, хотя бытует масса легенд о том, что кто-то, где-то, когда-то встречался с чем-то подобным. Но это уже из области не знания, а веры. Людям (да и мне самому — чего греха таить!) очень хочется, чтобы в мире было что-то необыкновенное, из ряда вон выходящее.
Близнецы или клоны?
Другой способ телепортации, когда на промежуточной стадии транспонируемый объект представляется в виде пучка кодированного излучения, обсуждается Н. Винером в его знаменитой книге «Кибернетика». Этим способом можно было бы воспользоваться, умей мы в деталях, с мельчайшими подробностями описать состав и структуру макроскопического тела — на первый раз хотя бы простого булыжника, а потом, набравшись опыта, уже и человека. Собранную информацию можно закодировать, например, в серии электромагнитных сигналов или гравитационных волн, способных без искажений проходить колоссальные космические расстояния. Перебросив информацию в требуемое место, можно будет точно восстановить объект по его описанию.
Перемещение, правда, не мгновенное — нужно время на воссоздание объекта, да и скорость сигналов хотя и очень велика (300 тысяч километров в секунду), но не бесконечна. С этим можно было бы примириться, хуже другое — квантовая физика доказала, и это было многократно подтверждено на опыте, что описать предмет абсолютно точно, со всеми деталями, принципиально невозможно. Знаменитое соотношение неопределенностей, открытое почти 80 лет назад немецким физиком Гейзенбергом, утверждает, что точно измерив координаты тела, мы не сможем узнать его скорость. Измерение координат «размазывает» скорость, и та может иметь любое значение. А если мы попытаемся измерить скорость, то сразу же «размажется», станет неопределенным положение тела.
Итак, чем точнее измеряем координату, тем больше размазка скорости, и наоборот.
Впрочем, практически это может быть вполне достаточным. Если передать внешние габариты куска железа и формулы, описывающие его атомы, это позволит изготовить приближенную копию, которую, опять-таки в силу гейзенберговского запрета на абсолютно точные измерения параметров, мы не отличим от исходного оригинала. Конечно, кусок железа — это предельно простой случай, но и в предельно сложном случае телепортации человека тоже возможен приближенный подход. Зачем передавать, например, точное расположение атомов его пищевода? Достаточно информировать адресата о структуре биологических тканей и их расположении в пищеводе. Мы знаем, что человек с протезом ног, почки, даже сердца не перестает быть самим собой. Насколько далеко можно пойти по этому пути? На какой «красной черте» будут разрушены память и собственное «Я» оригинала? И вообще, что это будет — почти клон или всего лишь близнец? Сегодня эти вопросы из области фантастики. Тем не менее в отличие от чисто умозрительной «паранормальной транспортации» приближенная «винеровская телепортация» в принципе осуществима.
Наконец, есть еще квантовая телепортация, которая сегодня интенсивно обсуждается в самых серьезных физических журналах. Для того чтобы понять, в чем тут дело, нам придется еще раз поговорить о главной особенности квантовой физики.
Загадка, придуманная Эйнштейном
Квантовая механика — очень трудная наука, выводы которой часто противоречат здравому смыслу и нашему повседневному опыту. Неискушенному человеку трудно поверить в «придуманные физиками» соотношения неопределенностей. Кому придет в голову сомневаться в том, что у катящейся по столу горошины есть одновременно координата и скорость? Казалось бы, то же должно быть и для любой микрочастицы. Что из того, что она маленькая? Нужно просто научиться точным измерениям.
А вот опыты с микрочастицами говорят, что это не так. Пытаясь при измерении координаты «приколоть» частицу к точке, мы всякий раз передаем ей импульс. На тяжелую горошину это почти не оказывает влияния, а, например, легкий электрон, как живчик, прыгает при этом от одной точки к другой. Получается, что говорить одновременно о координате и скорости просто бессмысленно. Это — несовместимые понятия. Если измерена координата, мы можем говорить о частице, если же точно известна скорость — мы имеем дело фактически с распределенной в пространстве волной, которую не опишешь одной-единственной координатой.
Принципиальную несводимость квантовых представлений к ньютоновским постоянно подчеркивали создатели квантовой науки, хотя с этим не соглашался Эйнштейн. Он полагал, что мы имеем дело всего лишь с временными «строительными лесами» на здании будущей физики, и пытался найти примеры, которые доказали бы неполноту квантовой теории, в силу которой она и приводит к парадоксам.
Один из таких примеров, который Эйнштейн придумал вместе с двумя своими коллегами, сводится к следующему. Частица света фотон, проходя через кристалл кальцита, превращается в два фотона с одинаковой (половинной) энергией и взаимно перпендикулярными поляризациями: у одного фотона колебания электрического поля происходят вертикально, у другого — горизонтально. При этом мы не знаем, у какого фотона какая поляризация. Известно лишь, что они перпендикулярны друг другу. Чтобы узнать их, один фотон (будем называть его «фотон А») направим в точку 1, где стоит анализатор поляризаций, а второй фотон (Б) пусть летит в точку 2, где есть свой анализатор. Точки 1 и 2 удалены друг от друга, и между приходящими туда фотонами нет никакой материальной связи.
Ясно, что, измеряя в точке 1, мы с равной вероятностью можем обнаружить как вертикальную, так и горизонтальную поляризацию. По воле случая фотон, пришедший в точку 1, может обладать любой из них. Измерение в точке 2, казалось бы, по воле случая, тоже обнаружит одну из двух — фотоны-то совершенно равноправны. Однако квантовая теория говорит, что хотя между фотонами нет никакой материальной связи, измерение в точке 1 каким-то неведомым нам путем (в этом, по мнению Эйнштейна, и проявляется неполнота квантовой теории) влияет на фотон Б. Случайность в точке 2 почему-то мгновенно исчезает, и можно телеграммой известить удивленных наблюдателей в точке 2, каков будет результат их измерений, даже если оно выполняется в тот же момент времени, что и в точке 1. Влияние одной точки на другую, будь одна из них на Земле, а вторая на Марсе или еще дальше, передается с бесконечной скоростью.
Современная квантовая механика — комментировали этот пример Эйнштейн и его коллеги — предсказывает существование в природе канала передачи информации с удивительными свойствами, в которые трудно поверить. Как будто и вправду существует экстрасенсорное дальновидение, о котором часто говорят сторонники паранормальных явлений!
Однако в действительности в примере Эйнштейна нет никакого парадокса. Это объяснил датский физик Нильс Бор. Фотоны в точках 1 и 2 нельзя считать совершенно независимыми, поскольку мы заранее знаем, что их поляризации хотя и могут быть любыми, но обязательно перпендикулярны друг другу. Поэтому, измерив поляризацию одного из них, мы сразу же скажем, какова она у другого.
И вот тут мы встречаемся с самым интересным, ради чего читателю пришлось преодолеть дебри квантовых парадоксов. Присоединив к двум «эйнштейновским» фотонам еще один с произвольными свойствами и связав его условием координации, мы сможем телепортировать этот фотон на сколь угодно далекое расстояние.
Квантовая телепортация
Чтобы лучше уяснить суть квантовой телепортации, прибегнем к следующему примеру. Пусть у нас имеются две монеты. Мы не знаем, какой стороной повернута каждая из них — орлом или решкой, но известно, что повернуты они одинаково, то есть их положения скоррелированы. Одну из монет, не переворачивая, отправляют в другой город. Теперь между монетами нет никакой материальной связи, но как только я посмотрю, какой стороной лежит моя монета, я мгновенно узнаю положение другой.
Перед тем как я открою монету, мне могут принести третью монету (Х) с неизвестным мне положением ее сторон и сказать лишь об относительном расположении этой и моей монеты — совпадают рисунки их сторон или нет. Я сообщу об этом в соседний город владельцу находящейся там монеты, чтобы он знал, следует ему переворачивать монету или нет, после чего он может быть уверен, что его монета — точная копия монеты Х. Между тем положение моей монеты и монеты Х все время оставалось неизвестным. Я знал лишь об их относительной ориентации. В чем тут отличие от квантовой телепортации? Казалось бы, все одинаково.
Пусть читатель немножко поломает голову, прежде чем прочитает ответ!
Спор о сущности квантовой логики ведется со дня ее появления. Идея Эйнштейна о том, что парадоксальность квантовой логики обусловлена тем, что мы пока не умеем точно описывать природу, разделялась многими физиками и философами. Ведь статистическая «размазка» возникает всякий раз, когда некоторые параметры варьируются случайным образом. Как только глубинные причины вариаций становятся ясны, теория приобретает точный, как говорят физики, строго детерминированный характер. Эйнштейн и его последователи были уверены, что описание микроявлений станет тоже вполне однозначным в соответствии с «логикой здравого смысла», когда будет постигнута природа «заквантовых параметров».
Позднее английский физик Белл доказал, что если параметры, отвечающие за статистический характер квантовой механики, действительно существуют в природе, то в ряде случаев результат измерений должен быть совсем не таким, каким его предсказывает квантовая теория. Однако очень точные измерения подтвердили предсказания квантовой теории, и сегодня мало кто сомневается в ее принципиально неустранимой статистичности. Это свойство природы, а не следствие неточности наших знаний.
В 1997 году к австрийскому физику Антону Цайлингеру (род. 1945) пришла мировая известность: в эксперименте, проведенном им, удалось впервые телепортировать фотоны. В конце 2003 года на страницах немецкого журнала «Бильд дер Виссеншафт» появилось интервью с А. Цайлингером, профессором Института экспериментальной физики при Венском университете и автором популярной на Западе книги «Под покровом Эйнштейна. Новый мир квантовой физики». Выдержки из этого интервью мы предлагаем вам сегодня.
«БдВ»: — Вы телепортируете элементарные частицы на большое расстояние, проводите квантовые эксперименты с молекулами, состоящими из семидесяти атомов углерода, а теперь планируете провести подобные опыты с вирусами. В связи с этим хочется спросить, не грозят ли нам новые опасности? Что если спецслужбы или террористы захотят, например, телепортировать к своим жертвам чрезвычайно вирулентные вирусы?
Цайлингер: — Вирусы? При телепортации транслируется не материя, а информация. Пока нам удавалось телепортировать только частицы света — фотоны. Мы даже не знаем, сколько времени понадобится, чтобы поставить такие же опыты с более крупными объектами. Даже если мы проводим какие-то квантовые эксперименты с молекулами, мы еще очень далеки от того, чтобы телепортировать их. Здесь, кстати, надо пояснить, почему мы можем говорить о телепортации исходной частицы, когда мы вроде бы передавали лишь информацию об ее состоянии. Дело в том, что в этот момент исходная частица теряет свои прежние свойства, а другая частица, которую мы называем телепортированной, приобретает эти свойства и теперь уже ничем не отличается от оригинала.
«БдВ»: — В вашей новой книге «Под покровом Эйнштейна» вы заявляете, что «информация — это первородное вещество Вселенной» и что «действительность и информация — это одно и то же». Может ли информация, по вашему мнению, существовать отдельно от материи и энергии, и не сводятся ли, чего доброго, последние к голой информации?
Цайлингер: — Для меня действительность и информация неразделимы как две стороны одной медали.
В конце концов, в один прекрасный день, возможно, удастся выразить на языке информации все физические процессы, да и вообще все содержимое естественных наук.
«БдВ»: — Не ведет ли ваша интерпретация квантовой физики — а здесь вы следуете традиции Нильса Бора — к субъективизму, ведь в итоге оказывается, что все зависит от сознания?
Цайлингер: — В квантовой физике и впрямь роль наблюдателя гораздо выше, чем прежде, однако его влияние нельзя назвать неограниченным. Единичные события совершаются абсолютно случайно и не подвержены нашей воле.
«БдВ»: — Если информация неизбежно зависит от наблюдателя и субъекта, то каким же образом физики приходят к объективным результатам? Ведь квантовая физика все же не образчик своеволия?
Цайлингер: — Информацию нельзя назвать чем-то исключительно субъективным. Конечно, информация — это то, чем кто-либо обладает, но в то же время это — информация о чем-то, то есть о самой действительности.
«БдВ»: — Нильс Бор сказал однажды: кто не шокирован квантовой физикой, тот не понял ее. А Ричард Фейнман обмолвился даже, что квантовую физику не понимает никто. Проводя свои изощренные эксперименты, вы проникли в причудливый мир квантовой физики глубже, чем большинство других людей. Стала ли она для вас еще загадочнее?
Цайлингер: — Проблема, о которой говорили Бор и Фейнман, заключается в следующем: с одной стороны, положения квантовой физики с невероятной точностью подтверждаются в экспериментах, вдобавок они очень красивы с математической точки зрения; с другой же стороны, этому разделу науки недостает какого-то понятного всем основополагающего принципа, из которого проистекала бы вся теория. Подобные принципы есть, например, в частной и общей теории относительности Эйнштейна. Я думаю, что проблема тут в односторонне понятом реализме, и надеюсь, что, прекратив разделять действительность и информацию, мы сделаем шаг в нужном направлении. |
| |
|
По материалам
|
|
Эффект телепортации
|
Новости
