Тут надо вспомнить, что одной из главных задач, стоящих перед современными физиками, является объединение в одной теории всех известных взаимодействий. Но, к сожалению, большинство современных попыток Великого объединения далеки от простоты и стройности. Если подход Евклида систематизировал и, в конечном счете, упрощал геометрию, то современные теории пространства-времени часто только все запутывают и усложняют.
Как любил подчеркивать выдающийся физик прошлого столетия Р. Фейнман, главная причина в том, что мы пока не знаем всех законов природы, которые можно было бы свести в единую теорию.
Тут возникает законный вопрос: а есть ли вообще шансы хоть в очень далеком будущем, когда станут известны новые законы природы, создать математически стройную «теорию всего», из которой бы следовали все известные физические теории? Ответ на него совсем не очевиден, и его нельзя отдавать философам, которые могут все окончательно запутать. Большинство физиков скромно рассматривают свои любимые теории как не более чем модели реальности, не претендующие на полноту ее описания.
ГЛАВА ОДИННАДЦАТАЯТАЙНА ВРЕМЕНИ
Я прекрасно знаю, что такое время, пока не думаю об этом. Но стоит задуматься — и вот я уже не знаю, что такое время.
…Каждый отрезок времени возникает сразу как целое, подобно кванту света, излучаемому атомом. Внутри такого «кванта времени» не имеют смысла понятия «раньше» и «позже». Из начальной космологической сингулярности время истекало не сплошным потоком, а как бы отдельными толчками. Космическое время — это время нашей Вселенной, оно возникло и существует вместе с ней…
АПОРИИ ЗЕНОНА
В предыдущих главах мы попытались обрисовать, как самым невероятным образом преображается течение процессов и само пространство за гранью сверхмалых масштабов реальной действительности. Теперь настала пора задаться вопросами об еще одном фундаментальном понятии нашего мира — времени. Квантовая механика полностью поменяла представление о поведении объектов микромира, а также свойствах самого пространства на сверхмалых уровнях. Несколько в стороне осталось только четвертое измерение континуума Минковского — время. Между тем именно время в микромире может быть ответственно за решение древних логических загадок — апорий эллинского философа, о которых мы уже рассказывали в первой главе.
Одними из первых предложили решение для апорий Зенона знаменитые древнегреческие мыслители Левкипп и Демокрит, создавшие и развившие античную школу атомистики. Они и их последователи считали, что апории Зенона просто не учитывают дискретную природу материи и времени, которые на определенном этапе всего лишь не допускают дальнейшего деления. Таким образом, древняя атомистика две с половиной тысячи лет назад предвосхитила не только современную атомную физику, но и новейшие теории о дискретном пространстве-времени. Ну а теперь пришло время выполнить обещание, данное в начале нашей книги, и рассказать о том, каким удивительным образом идеи античного философа Зенона Элейского воплощаются в современном квантовом мире.
Рассмотрим систему радиоактивных атомов, подчиняющихся законам квантовой механики, и попробуем ответить на вопрос: будет ли изменяться вероятность распада нестабильного изотопа в зависимости от частоты проводимых нами измерений?
Но прежде напомним нашим читателем, что такое радиоактивность (от лат. radio — излучаю и activus — действенный). Это физическое явление состоит в спонтанном превращении неустойчивых изотопов химических элементов в результате радиоактивного распада. Радиоактивность была открыта в 1896 году известным французским экспериментатором Анри Беккерелем, который обнаружил проникающее излучение солей урана, действующее на фотоэмульсию. Беккерель установил, что интенсивность излучения определяется только количеством урана в препарате и совершенно не зависит от того, в какие соединения он входит. Через два года Мария и Пьер Кюри обнаружили радиоактивность тория, позднее ими были открыты новые радиоактивные элементы полоний и радий.
Образовавшееся в результате радиоактивного распада дочернее ядро иногда оказывается также радиоактивным и через некоторое время тоже распадается. Процесс радиоактивного распада будет происходить до тех пор, пока не появится стабильное, то есть нерадиоактивное ядро, а последовательность возникающих при этом нуклидов называется радиоактивным рядом.
Янус двуликий
Божественный древнеримский пантеон включал два персонажа, ответственных за ход времени: Сатурна (греческий Хронос), пожирающего своих детей в неумолимом беге времени, и двуликого Януса — бога начала и конца, прошлого и будущего, молодости и старости. Образ последнего подходит и на роль современного символа проблемы физического времени с молодым лицом квантовой физики и старческим — классической науки.
Трехуровневая атомная энергетическая система
При небольших временах после начала распада, когда амплитуда еще мала, так как частица в основном локализована внутри распадающейся системы, скорость изменения амплитуды, которая определяет скорость распада, также будет малой. Этот удивительный результат, имеющий чисто квантовую природу, можно сформулировать следующим образом: для обеспечения заметной скорости радиоактивного распада необходимо, чтобы волновая функция частицы за пределами распадающейся системы была достаточно велика. В начальные моменты времени, когда волновая функция частицы локализована в основном внутри распадающейся системы, скорость распада близка к нулю. Наблюдения за частицей во внешней области, дающие отрицательный результат, локализуют частицу внутри распадающейся системы, что понижает скорость распада, составляя суть квантовых эффектов Зенона (КЭЗ).
КВАНТОВЫЙ ЭФФЕКТ ЗЕНОНА
Мы знаем, что в квантовой реальности результат измерения параметров микрообъекта определяется самим измерительным прибором и процедурой измерения. Таким образом, теория утверждает, что состояние микрочастицы действительно зависит от порядка и частоты измерения ее состояния, — естественно, с точки зрения классической физики это кажется невозможным и парадоксальным. Подобные эффекты изменения вероятности радиоактивного распада в зависимости от частоты контрольных измерений и носят название квантовых эффектов Зенона (КЭЗ).
Здесь вспоминается парадоксальная ситуация с котом Шрёдингера, ведь в квантовом пределе, при непрерывных измерениях состояния радиоактивного изотопа, начальное (нестабильное) состояние как бы «замерзает» и многострадальный кот наконец-то обретает вечную жизнь. Правда, надо признать, что пока еще КЭЗ в распадах нестабильных состояний атомов, ядер и элементарных частиц экспериментально не были обнаружены.
Однако КЭЗ для вероятности переходов между атомными уровнями экспериментально наблюдался в конце прошлого столетия для атомной системы с тремя энергетическими уровнями. Суть опытов состояла в том, что время жизни уровня В было выбрано очень малым, так что атом, возбужденный из основного состояния уровня А на уровень В, практически сразу же возвращается обратно, излучая при этом фотоны определенной энергии. Исследователи измеряли число фотонов с энергией обратного перехода, получая при этом число атомов, находящихся в основном состоянии. Затем лазерным облучением атомы, находившиеся в начальном состоянии А, переводились в состояние С. Одновременно измерялось число фотонов с энергией обратного перехода и фиксировалось число атомов основного состояния в определенные моменты времени. При этом наблюдалась удивительная зависимость величины интервалов наблюдения числа атомов в начальном состоянии и вероятности переходов в возбужденное состояние С.
Здесь не совсем понятно, как измерение, при котором, казалось бы, нет никакого взаимодействия между частицей и детектором, может оказать влияние на процесс распада. Для ответа на этот непростой вопрос надо вспомнить, как и почему измерение оказывает влияние на квантовые процессы.
Обратимся к известному мысленному эксперименту с двумя щелями, через которые проходит пучок частиц. Известно, что, если эксперимент ставится так, что в принципе невозможно выяснить, через которую из щелей прошла частица, на экране, расположенном позади щелей, возникает интерференционная картина. Наоборот, если, хотя бы в принципе, это возможно выяснить, интерференции нет. Часто для объяснения причины исчезновения интерференции ограничиваются ссылкой на соотношение неопределенностей Гейзенберга, согласно которому пространственная локализация частицы неизбежно вызывает появление дополнительной неопределенности ее импульса.
Обобщая, можно постулировать, что первопричиной нарушения когерентности различных квантовых состояний микрочастицы является не сам акт макроскопического наблюдения над ней (измерения), а предшествующие ему микропроцессы, в ходе которых рассматриваемая частица взаимодействует неупругим образом с окружающими частицами, изменяя состояния последних. Такое изменение фактически означает, что микрочастица оставляет след в окружающей среде и в соответствии с известными квантовыми принципами не может более принимать участия в формировании интерференционной картины. Если возникшее изменение микроскопического состояния среды в результате последующих процессов в ней вызывает наблюдаемый макроскопический эффект, мы будем иметь дело с реальным измерением, если нет, макроскопическое измерение не будет иметь места. Однако в обоих случаях первичное микроскопическое неупругое взаимодействие между исследуемой микрочастицей и окружающей средой влияет на частицу аналогично, нарушая когерентность ее различных состояний, так как в обоих случаях при рассеянии частицы в среде остается микроскопический след, помечающий атом, на котором произошло рассеяние.