Темпоральная механика что это
Темпоральная механика что это
Перемещения во времени
Путешествия во времени всегда были тем, что привлекало разумные существа во всей Галактике. Человечество годами рассуждало о механике и эффектах путешествий во времени. Известнейшие ученые принимали участие в проектах » Филадельфия «, [По некоторым сведениям, проект «Филадельфия» не имел прямого отношения к такого рода исследованиям;.] » С Новым Годом, крошка » и в экспериментах серии » Тблюрр » все они закончились неудачно. Минбарцы тоже вкладывали средства в исследования в этой области. Ни одна раса сейчас не обладает технологией управления временем.
Незащищенные стабилизаторами разумные существа испытывают в темпоральном поле ощущение «вспышек» или коротких моментов, когда их сознание путешествует взадвперед по времени. Любопытно в природе «вспышек» то, что перемещается только сознание. Человек ощущает себя в своем теле, где бы не оказывался, в прошлом или будущем. «Вспышки» у всех протекают поразному, некоторые путешествуют в прошлое, некоторые в будущее. Если человек входит в темпоральное поле без специального снаряжения, велика вероятность, что он умрет «от старости». Даже если некто входил и выходил из темпорального поля без вредных последствий, то очень может случиться так, что он скончается немедленно после очередного выхода (использование же стабилизатора ослабляет этот эффект человек стареет лишь на несколько лет).
В то время, как неорганические машины могут успешно противостоять эффектам искажения времени, живые существа на это неспособны. Незащищенные от искажающих время волн, они могут очень быстро состариться. Технология стабилизации времени, найденная создателями Великой Машины, решает эту проблему созданием целой системы, которая делает возможным путешествие различного числа людей и космических кораблей в потоке времени. Основа этой системы высокоскоростной «мозг», который управляет личными стабилизаторами путешественников во времени. Личные стабилизаторы выполнены в виде наручных устройств. В случае повреждения прибора, его носитель может «потеряться во времени»; выпадая из потока времени, вновь в него возвращаясь и оказываясь в своей «прошлой» или «будущей» версии.
Если бы Энтил’За Синклер не отправился в прошлое, чтобы исполнить миссию Валена и доставить Вавилон 4 минбарцам, 21 августа 2260 года могло оказаться гораздо более мрачным.
Темпоральная механика (Вавилон-5)
«Ученые очень хорошо знают, что Время — только разновидность Пространства».
(Путешественник во времени, «Машина Времени» Г. Дж. Уэллс).
Перемещения во времени [ править ]
Путешествия во времени всегда были той темой, что привлекала разумных существ во всей Галактике. Человечество годами рассуждало о механике и эффектах путешествий во времени. Известнейшие ученые принимали участие в таких проектах, как «Филадельфия» (по некоторым сведениям, проект «Филадельфия» не имел прямого отношения к такого рода исследованиям), «С Новым Годом, крошка» и в экспериментах серии «Т–блюрр» — все они закончились неудачно. Минбарцы тоже вкладывали средства в исследования в этой области. Ни одна раса сейчас не обладает технологией управления временем.
Однако, средства, используемые для перемещений во времени, входят в состав Великой Машины на Эпсилоне III. Машина генерирует интенсивный тахионный поток. Этот поток, в свою очередь «прокалывает дыру» в пространстве–времени, создавая разлом. Для правильного входа в окружающее такой разлом темпоральное поле и выхода из него, а также для манипулирования пространством–временем, необходимо специальное оборудование. Живые существа должны иметь «стабилизаторы», а звездолеты дооснащаются некими установками. Все вместе это и образует пресловутую машину времени, при этом основным источником энергии и управляющим центром для нее служит Великая Машина.
Незащищенные стабилизаторами разумные существа испытывают в темпоральном поле ощущение «вспышек» или коротких моментов, когда их сознание путешествует взад–вперед по времени. Любопытно в природе «вспышек» то, что перемещается только сознание. Человек ощущает себя в своем теле, где бы не оказывался, в прошлом или будущем. «Вспышки» у всех протекают по–разному, некоторые путешествуют в прошлое, некоторые — в будущее. Если человек входит в темпоральное поле без специального снаряжения, велика вероятность, что он умрет «от старости» (в данном случае речь идёт не о естественном старении организма, а о визуальном эффекте вреда, нанесённого здоровью живого существа). Даже если некто входил и выходил из темпорального поля без вредных последствий, крайне высока вероятность того, что он скончается немедленно после очередного выхода (использование же стабилизатора ослабляет этот эффект — человек «стареет» лишь на несколько лет).
Стабилизация времени [ править ]
В то время, как неорганические машины могут успешно противостоять эффектам искажения времени, живые существа на это неспособны. Незащищенные от искажающих время-волн, они могут очень быстро «состариться». Технология стабилизации времени, найденная создателями Великой Машины, решает эту проблему созданием целой системы, которая делает возможным путешествие различного числа людей и космических кораблей в потоке времени. Основа этой системы — высокоскоростной «мозг», который управляет личными стабилизаторами путешественников во времени. Личные стабилизаторы выполнены в виде наручных устройств. В случае повреждения прибора, его носитель может «потеряться во времени»; выпадая из потока времени, вновь в него возвращаясь и оказываясь в своей «прошлой» или «будущей» версии.
Другой путь [ править ]
Если бы Энтил’За Синклер не отправился в прошлое, чтобы исполнить миссию Валена и доставить Вавилон 4 минбарцам, 21 августа 2260 года могло оказаться гораздо более мрачным.
Прошлое Восстание Теней окончилось гораздо хуже. Уцелевшие после него корабли Теней взрывают мир за миром. Слабый альянс инопланетных рас не имеет достаточно военной силы, что выступить против Теней открыто. Телепатов мало и они, в основном, оказались на службе врага. Перед лицом неизбежной атаки, Энтил’За Синклер возвращается на Вавилон 5, рассчитывая помочь защите станции. Тени с легкостью уничтожают немногие обороняющие станцию корабли. Истребители прижаты к корпусу Вавилона. Зная, что ситуация безнадежна, шеф службы безопасности Гарибальди переключает ядерные реакторы станции на разогрев. Первой жертвой становится капитан Шеридан, убитый, вероятно, невидимыми атакующими. Коммандер Иванова остается на своем посту в командном центре, передавая сигнал бедствия всем, кто слышит. Станция погружается в хаос под ударами Теней и их вассалов, сжигающих уровень за уровнем и уничтожающих все на своем пути. Синклера, хотевшего остаться, силой затаскивают в «челнок» в надежде, что он сможет продолжить борьбу. Крейсера Теней взрывают центр управления, едва только одинокий корабль покидает причал. Ядерные реакторы разогреваются до критического уровня и сжигают станцию и штурмующих ее.
Рябь времени, или Когда физика лучше фантастики
Темпоральные, или временные, кристаллы — новая идея в физике, широко обсуждаемая в последние годы. Они представляют собой физические системы, «сами по себе» повторяющиеся во времени. Несмотря на экзотичность концепции, исследователи уже прикидывают возможные области применения идеи и ищут наиболее удачные «рецепты» приготовления «кристаллического времени».
Красота законов природы идёт рука об руку с симметрией. Строго говоря, симметрия в физике подразумевает то, что некоторое свойство остаётся неизменным при определённой трансформации: это может быть поворот или сдвиг в пространстве, зеркальное отражение. Проще говоря, как ни крути объект или Вселенную, законы физики не меняются. Симметрия может быть непрерывной и дискретной. Например, однородный шар можно поворачивать на любой угол — ничего не изменится. А вот куб «повторяет себя» только при повороте на определённый угол. Это примеры непрерывной и дискретной вращательной симметрии.
Интересная физика начинается там, где изменяется, а точнее, ломается симметрия. Скажем, кристалл менее симметричен, чем однородная жидкость, состоящая из тех же самых атомов, так что его можно рассматривать как нарушение пространственной симметрии. Атомы в нём находятся в узлах так называемой кристаллической решётки с чётко определёнными расстояниями и углами. Чтобы при движении в пространстве получить тот же самый кристалл, его нужно сдвинуть на чётко определённое расстояние (так называемую постоянную решётки — размер элементарной ячейки, повторением которой можно воспроизвести весь кристалл) или повернуть на соответствующий угол. Конкретные характеристики кристаллов напрямую зависят от того, как именно была нарушена симметрия: количество электронов на внешней оболочке атомов, магнитные моменты, температура — всё это влияет на взаимодействия между атомами и в конечном счёте определяет свойства материала. Физики давно изучают кристаллы и даже научились создавать похожие системы с помощью лазеров или микроволн, где роль узлов решётки могут играть не только атомы и электроны, но и фотоны или квазичастицы, например фононы. Симметрию среды нарушают также намагниченность и протекание электрического тока.
Франк Вильчек, нобелевский лауреат 2004 года и автор концепции временного кристалла. Фото: Kenneth C. Zirkel / Wikimedia Commons / CC BY-SA 3.0
А вот дискретное нарушение временной, или темпоральной, симметрии (непрерывное течение времени только вперёд) — это пока что неизученная территория. Франк Вильчек, лауреат Нобелевской премии 2004 года, полученной за описание особенностей взаимодействия между кварками и глюонами, в 2012 году начал размышлять о том, почему временная симметрия никогда не нарушается спонтанно (то есть за счёт случайных взаимодействий между элементами системы) и реально ли создать условия, в которых это было бы возможным. В результате он придумал темпоральные кристаллы как способ нарушения временной симметрии.
Темпоральные кристаллы — это гипотетические структуры, которые пульсируют без затрат энергии, как механические часы, не требующие завода. Последовательность повторяется во времени, как атомы кристалла повторяются в пространстве. На первый взгляд темпоральный кристалл скорее напоминает о Мире Великого Кристалла фантаста Владислава Крапивина, чем о строгой физике, но у такой структуры могут быть веские физические основания для существования.
Одна из возможных реализаций темпорального кристалла представляет собой кольцо атомов, которое должно вращаться, регулярно возвращаясь в своё первоначальное состояние. Его свойства были бы вечно синхронизированы во времени, аналогично тому как взаимосвязано положение атомов в кристалле. По определению темпорального кристалла такая система должна находиться в состоянии с наименьшей энергией, чтобы движение не требовало поступления энергии извне. В некотором смысле темпоральный кристалл был бы вечным двигателем, за исключением того, что он не производил бы никакой полезной работы.
Научное сообщество в своём большинстве посчитало идею провокационной. Тем не менее Франк Вильчек стоял на своём, уверенный в том, что проблема хитрее, чем кажется на первый взгляд, и темпоральные кристаллы представляют собой новый тип упорядоченности. Более того, вечное движение имеет прецеденты в квантовом мире: теоретически сверхпроводники проводят электрический ток вечно (хотя поток в данном случае однороден и соответственно не изменяется во времени).
Парадокс темпорального кристалла заинтересовал Харуки Ватанабе, аспиранта Калифорнийского университета в Беркли. Когда он представлял свою работу о нарушении симметрии в пространстве, ему задали вопрос о следствиях идеи Вильчека о темпоральном кристалле. Ватанабе ответить не смог и решил разобраться в этом вопросе, сосредоточившись на корреляциях между удалёнными частями системы во времени и в пространстве. В 2015 году вместе с физиком Масаки Ошикава из университета Токио Ватанабе доказал теорему, согласно которой создание темпорального кристалла в состоянии с наименьшей энергией невозможно. Они также доказали, что темпоральные кристаллы невозможны для любой равновесной системы, достигшей устойчивого состояния при любом значении энергии.
На этом физическое сообщество посчитало вопрос существования темпоральных кристаллов закрытым. Тем не менее доказательство оставило лазейку. Оно не исключило возможность существования темпоральных кристаллов в системах, в которых ещё не установилось равновесие. И теоретики по всему миру начали думать о том, как можно создать альтернативные версии темпоральных кристаллов в обход теоремы.
Прорыв неожиданно пришёл из области физики, в которой исследователи совсем не думали на эту тему. Теоретик Шиваджи Сонди и его коллеги из университета Принстона изучали поведение изолированной квантовой системы, состоящей из «супа» взаимодействующих частиц, которую регулярно «подпинывали» энергетически. Если верить учебникам, то такая система должна нагреться и в итоге стать полностью хаотичной. Но группа Сонди показала, что при выполнении определённых условий частицы группируются вместе и образуют «узор», повторяющийся во времени.
Это исследование привлекло внимание Четана Наяка, одного из бывших студентов Вильчека. Наяк и его коллеги предположили, что странная неравновесная форма материи может быть разновидностью темпорального кристалла, хоть и не совсем такого, о котором изначально говорил Вильчек. Разница в том, что подобная система не находится в состоянии с наименьшей энергией и ей необходима подпитка энергией извне для поддержания пульсаций. Но такой «суп» обладает своим ритмом, отличным от частоты накачки, что фактически означает нарушение временной симметрии.
Крис Монро, автор одного из экспериментов по созданию темпорального кристалла, в лаборатории. Фото: Marym1234 / Wikimedia Commons / CC BY-SA 3.0
Кристофер Монро из Университета Мэриленда в Колледж-Парке, несмотря на скептический настрой, тем не менее попробовал создать подобный темпоральный кристалл с помощью холодных атомов. Замысловатый «рецепт» содержит три основных ингредиента: силу, которая воздействует на систему, взаимодействие между атомами и элемент случайного беспорядка. Эта комбинация ограничивает частицы в количестве энергии, которую они могут поглотить, позволяя им оставаться в упорядоченном состоянии.
В эксперименте цепочку из десяти ионов иттербия поочерёдно освещали двумя лазерами. Первый лазер переворачивал магнитные моменты атомов, а второй заставлял их взаимодействовать между собой случайным образом. Это привело к колебаниям проекции магнитного момента системы с периодом в два раза больше периода лазерной подкачки спинов. Более того, даже если первый лазер сбивался с нужной частоты излучения, осцилляции в системе не изменялись. Как обычные кристаллы сопротивляются попыткам сдвинуть атомы с их позиций в кристаллической решётке, так и темпоральный кристалл сохранил свою периодичность во времени.
«Рецепт» темпорального кристалла из эксперимента Кристофера Монро: лазерное излучение, показанное оранжевой и зелёной стрелками, переворачивает магнитные моменты (спины); лазерное излучение, показанное красной стрелкой, вносит беспорядок и вызывает взаимодействия между спинами. В результате система из спинов осциллирует между двумя стабильными состояниями, которые устойчивы к изменениям в частоте накачки
Группа физиков из Гарвардского университета под руководством Михаила Лукина (который также является соучредителем Российского квантового центра) пошла другим путём и реализовала темпоральный кристалл с помощью алмаза. Для этого был синтезирован специальный образец, содержащий порядка миллиона расположенных в беспорядке дефектов, каждый из которых обладал своим магнитным моментом. Когда такой кристалл подвергли воздействию импульсов микроволнового излучения для перевёртывания спинов, физики зафиксировали отклик системы на частоте, которая составила лишь долю частоты возбуждающего излучения.
Физик-теоретик Норман Яо, принявший участие в обоих экспериментах, подчёркивает, что системы в состоянии с наименьшей энергией по определению не должны изменяться во времени. В противном случае это бы значило, что у них есть лишняя энергия, которую они могут расходовать, и в конечном счёте движение должно остановиться. Результат экспериментов Яо сравнил со скакалкой: рука делает два оборота, а верёвка — только один, и это более слабое нарушение симметрии, чем изначально задуманное Вильчеком, который считал, что верёвка может колебаться сама по себе.
Результаты обоих экспериментов опубликованы в журнале Nature и, безусловно, интересны, но определение темпорального кристалла и в том и в другом случае можно считать немного притянутым за уши. Физики сошлись в том, что обе системы некоторым образом спонтанно нарушают временную симметрию и поэтому удовлетворяют требованиям темпорального кристалла с математической точки зрения. Но можно ли их действительно считать таковыми — предмет научной дискуссии.
Михаил Лукин — автор одного из экспериментов по созданию темпорального кристалла и соучредитель Российского квантового центра. Фото Анжелики Кубряк
Темпоральные кристаллы получились у Монро и Лукина или нет, покажет время. В любом случае эти эксперименты интересны тем, что впервые продемонстрировали простейшие примеры новых фаз вещества в сравнительно неизученной области неравновесных состояний. Это новое состояние вещества состоит из группы квантовых частиц, которая непрерывно меняется, никогда не достигая стабильного состояния. Стабильность достигается за счёт случайных взаимодействий, которые бы нарушали равновесие в любом другом виде материи.
Более того, эти результаты могут иметь практическое значение. Темпоральные кристаллы могут пригодиться в роли суперточных сенсоров. Поведение магнитных моментов дефектов в алмазе уже используется для регистрации малейших изменений температуры и магнитных полей. Но такой подход имеет свои ограничения: когда слишком много дефектов «толпится» в маленьком объёме, взаимодействия между ними разрушают квантовые состояния. В темпоральном кристалле взаимодействия, наоборот, стабилизируют систему, поэтому миллионы дефектов можно использовать вместе для усиления сигнала. Это позволит исследовать, в частности, живые клетки и материалы атомарной толщины.
Другой пример применения таких систем — квантовые вычисления при достаточно высокой температуре. Квантовые компьютеры — многообещающая и долгожданная технология, которая пока далека от практической реализации. Дело в том, что хрупкие квантовые биты, которые производят вычисления, нужно изолировать от разрушающих квантовые состояния эффектов теплового движения и других «побочных эффектов» окружающей среды и в то же время иметь возможность кодировать и считывать с них информацию. Физики используют для этого очень низкие температуры, всего на наноградусы выше абсолютного нуля. Темпоральный кристалл по своей сути — это квантовая система, которая существует при существенно более высоких температурах. В случае алмаза Лукина — так вообще при комнатной температуре.
В интервью «Вторая квантовая: от революции понимания к революции применения», которое можно прочитать в «Науке и жизни» № 12 за 2013 год, Михаил Лукин говорил именно о таких неожиданных практических «побочных эффектах» на первый взгляд совершенно фундаментальной науки. И возможно, именно фантастически звучащий концепт темпорального кристалла откроет дорогу к квантовым вычислениям без необходимости в сложной и дорогостоящей криогенике.
Темпоральная механика что это
Пространство и время: физическое, психологическое, мифологическое: Сборник трудов V Международной конференции.— М.: Культурный центр “Новый Акрополь”, 2007.– С. 33-42.
Темпоральная интерпретация квантовой механики
Кузнецов Сергей Иванович
Электрогорский Научно-исследовательский Центр (ЭНИЦ)
Нет недостатка в интерпретациях квантовых явлений. Но ни одну из них нельзя назвать удовлетворительной. Вспоминается резкое высказывание популярного американского физика Ричарда Фейнмана: “Квантовую механику не понимает никто” [1].
Не ставя под сомнение истинность утверждения авторитетного ученого, я все же беру на себя смелость предложить новую интерпретацию. Я назвал ее “темпоральной”, поскольку основное отличие от предлагавшихся ранее квантовых интерпретаций заключается в существенно ином понимании феномена времени. Время в предлагаемой модели симметрично, т.е. течет как в прямом, так и в обратном направлении. Самое примечательное для этой симметричной модели заключается в том, что время в ней не содержит категории будущего— реально существуют только прошлое и настоящее. Роль будущего— поставщика вероятных событий, реализуемых в настоящем,– в предлагаемой теории с симметричным временем берет на себя прошлое.
Должен признаться, что идея двунаправленного временного потока не нова. Она нашла свое воплощение, например, в электродинамике Уилера-Фейнмана (1942 г.) [2] и Транзакционной интерпретации квантовой механики Крамера (1986 г.) [3]. Однако от будущего еще никто не отказывался.
В темпоральной интерпретации предполагается, что в момент наступления настоящего течение времени меняет направление на противоположное. Время движется циклически— из настоящего в прошлое и обратно. Естественно, такой цикл не должен приводить к повторению событий в настоящем. Это возможно лишь в том случае, если прошлые события в каждом таком цикле меняются в зависимости от того, что произошло в текущий момент времени и, в свою очередь, они — прошлые события— влияют на то, что произойдет в очередной момент настоящего времени. Таким образом, мы не можем рассматривать прошлое как нечто застывшее и неизменное. Этот вывод можно сделать, анализируя симметричную модель Уилера-Фейнмана, однако изменчивость прошлого в ней является особенностью, которая никак не связана с процессом формирования очередного (“будущего”) события. На примере темпоральной интерпретации я надеюсь показать, что именно это свойство прошлого— его изменчивость — позволяет отказаться от категории будущего времени в симметричной теории.
Циклический временной поток в темпоральной интерпретации представляет собой вполне реальную волну. Эта темпоральная волна является аналогом волновой функции, которая в нашей модели приобретает новый физический смысл. Впрочем, при некоторых допущениях остается верной и традиционная вероятностная трактовка волновой функции. Немаловажное значение имеет заимствованное из теории относительности понятие мировой линии, которому также придается физический смысл.
Развитие темпоральной парадигмы, по моему мнению, позволит осуществить объединение двух фундаментальных теорий 20-го века— квантовой механики и теории относительности.
Квантовая механика занимается изучением поведения микрочастиц в пространственно-временном континууме. Явления микромира поражают своей странностью и, на первый взгляд, противоречат человеческой логике [4, 5]. Можно выделить две основные проблемы, без решения которых невозможно обойтись при создании адекватной интерпретации квантовой механики. Во-первых, это— дуализм волна-частица, который Ричард Фейнман назвал коренным вопросом этой науки. Коротко говоря, требуется объяснить, каким образом квантовой частице удается одновременно совмещать в себе свойства неделимой корпускулы и распределенной в пространстве волны. Другое не менее загадочное явление— квантовая нелокальность. Под ней подразумевают мгновенные корреляции физических характеристик двух разлетевшихся на большое расстояние свободных частиц, которые в прошлом имели контакт.
В общем случае нелокальность означает, что две части единой системы остаются физически связанными, даже если они разделены так называемым “пространственно-подобным интервалом”, т.е. для поддержания этой связи требуются сверхсветовые скорости взаимодействия. В качестве частей единой системы предстают, например, упомянутые свободные частицы, траектории которых имели в прошлом общую точку пересечения. Такого рода нелокальная связь, конечно, противоречит постулатам теории относительности, запрещающей существование сверхсветовых скоростей. Этот запрет— не каприз авторитетной теории, он продиктован необходимостью не допустить нарушения причинно-следственных связей реальной последовательности событий, что непременно привело бы к логическим парадоксам в описании физических процессов и явлений.
Среди интерпретаций квантовой механики, представляющих альтернативу стандартной Копенгагенской интерпретации, особое место занимают такие, в которых волновые свойства микрообъекта обусловлены связанной с этим объектом материальной волной. Напомню, что в рамках представлений Копенгагенской школы речь идет о “волне вероятности”, которая не имеет физического смысла, являясь математическим понятием. Французский ученый де Бройль высказал свою гипотезу о существовании материальных квантовых волн еще в 20-х годах прошлого века. Вскоре были открыты волновые свойства электрона, который до этого открытия традиционно считался типичной корпускулой, локализованной в некоторой точке (или микрообъеме) пространства в каждый момент времени. Однако вопрос, чем обусловлены волновые свойства частицы— реальной волной или волной вероятности— до сих пор остается открытым. В темпоральной интерпретации предполагается существование реальной физической волны, определяющей движение частицы-корпускулы. Эта же волна, назовем ее “темпоральной”, ответственна за нелокальные свойства квантовых взаимодействий.
Может показаться странным, но в классической механике проблема нелокальности не возникает. Причина в том, что свободные корпускулы не меняют своих физических параметров во время свободного движения. Если в прошлом между такими частицами имел место контакт, то возникшая в этот момент корреляция их механических параметров сохраняется неизменной при дальнейшем разлете корпускул. Для поддержания классической корреляции не требуется никакой физической связи и сигналов.
Но мы живем в квантовом мире, а квантовая частица существенно отличается от классической корпускулы. Принято считать, что состояние квантовой частицы во время движения неопределенно, оно может быть любым из числа возможных. Поэтому возникает вопрос: каким образом две части (частицы) единой квантовой системы коррелируют друг с другом, сохраняя единство, если о состоянии каждой из них можно говорить лишь в вероятностном смысле. Естественным выглядит предположение, что между коррелирующими квантовыми частицами существует реальная связь, происходит обмен сигналами, приводящий к согласованию их состояний. Вся проблема в том, что квантовые корреляции не должны зависеть от расстояния. Необходимо понять, как физически может осуществляться обмен, когда части единой системы разделены пространственно-подобным интервалом.
Проблема нелокальности в квантовой механике появилась в 1935 году, когда была опубликована знаменитая статья трех физиков— Эйнштейна, Подольского и Розена [6].
Авторы статьи убедительно показали, что нелокальность в Копенгагенской интерпретации квантовой механики возможна лишь в одном случае: если допустить существование сверхсветовых скоростей. Что, повторяю, несовместимо с постулатами релятивизма (т.е. теории относительности).
Это противоречие назвали эпр-парадоксом, по первым буквам фамилий трех авторов упомянутой статьи. Стало традицией: когда рассуждают о нелокальности в квантовой механике, то к обычным словам и терминам принято добавлять эти три буквы.
В статье приведен мысленный эксперимент, в котором рассмотрено поведение отдельных частей единой квантовой системы. В качестве таковой выступают две идентичные частицы, связанные общим происхождением. Их теперь называют частицами эпр-пары. Они возникли в результате распада некоторой составной частицы и свободно разлетаются в противоположные стороны на большое расстояние.
Как уже говорилось выше, состояния частиц эпр-пары должны быть согласованы между собой. Это требование вытекает из законов сохранения физических величин. Дело в том, что при одновременном рождении эпр-частиц, происходящем в некоторой общей точке пространства, обязательно выполняются законы сохранения энергии, импульса и других физических величин, которые однозначно описывают состояние материальной частицы. Например, сумма импульсов эпр-частиц непременно должна быть равна импульсу составной частицы, их породившей. Благодаря законам сохранения, состояние одной из частиц эпр-пары не может быть произвольным, оно зависит от состояния второй частицы.
С другой стороны, согласно квантово-механическим представлениям, состояние отдельной квантовой частицы во время свободного движения является неопределенным. В Копенгагенском представлении его выражают в виде суперпозиции (суммы) возможных, причем взаимоисключающих, состояний с учетом вероятности реализации каждого из них. Как в известной истории про Шредингеровского кота: состояние кота = (полу)жив + (полу)мертв.
Стараясь избежать излишней усложненности в описании поведения квантовой системы, можно оставить без ответа вопрос о согласовании параметров квантовых эпр-частиц во время их свободного разлета. Копенгагенская школа так и поступает, утверждая, что этот вопрос лишен смысла в силу неопределенности состояния квантовых частиц. Полемизируя с Бором, Эйнштейн показал, что проблема квантовых корреляций тем не менее возникает и для Копенгагенской интерпретации— достаточно в условиях эпр-эксперимента над одной из частиц совершить акт измерения.
Действительно, если в произвольный момент времени произвести измерение какого-либо физического параметра одной из разлетающихся эпр-частиц, то он может оказаться любым из числа возможных. Однако с момента измерения этот же параметр у другой частицы не может оставаться произвольным— его величина должна соответствовать закону сохранения. И хотя вторая частица по-прежнему продолжает свое невозмущенное движение, ее состояние уже нельзя представить в виде суперпозиции альтернативных состояний— оно стало определенным (как говорят, “чистым”), как будто и над второй частицей тоже произвели измерение. Что-то заставило ее перейти в то единственное состояние, которое не противоречит результату реального измерения, произведенному над “частицей-близнецом”. Мы должны понять, как одна частица в момент измерения влияет на движение другой, которая может в это время находиться на огромном расстоянии от нее (на другой стороне Вселенной).
Поскольку квантовые частицы наделены волновыми свойствами (дуализм волна-частица), естественно предположить, что нелокальная связь между ними порождается реально существующими волнами, аналогичными материальным волнам де Бройля. Другими словами, квантовые корреляции возникают в результате обмена сигналами между эпр-частицами. Однако в рамках такого представления возникает проблема. И связана она с тем, что любая физическая волна, в том числе и волна де Бройля, не может распространяться мгновенно. Природа волны такова, что она перемещается от одной точки пространства к другой с конечной скоростью. По этой причине трудно представить, чтобы квантовые корреляции, возникающие в результате обмена сигналами между эпр-частицами, отвечали требованию нелокальности, т.е. не зависели от расстояния между частицами. Ведь чем дальше разошлись коррелирующие частицы, тем больше времени требуется сигналу, испущенному одной из них, чтобы преодолеть это расстояние и вернуться обратно.
Однако мы замечаем, что такая зависимость продолжительности обмена сигналами от расстояния между частицами возникает в предположении, что время течет в одну сторону. Именно однонаправленность времени, на мой взгляд, не позволяет построить теорию, в которой непротиворечивым образом сочеталась бы конечная скорость физических волн с нелокальным характером взаимодействия, обусловленного этими волнами. Исправить положение можно, используя гипотезу о симметричном времени. Действительно, мгновенный обмен сигналами между коррелирующими частицами становиться возможным, если потребовать, чтобы обратный сигнал возвращался строго тем же путем, что и прямой, а время при этом меняло свое направление на противоположное.
Упомянутая электродинамика Уилера-Фейнмана, также как и Транзакционная интерпретация квантовой механики Крамера, являются нелокальными теориями именно потому, что в них использована концепция симметричного времени.
В отличие от классической электродинамики Максвелла, в которой подразумевается, что все процессы и движения происходят в одном (положительном) направлении времени,– теория Уилера-Фейнмана описывает электромагнитные взаимодействия заряженных частиц с помощью двух противоположно направленных волн— запаздывающей и опережающей. Запаздывающая волна распространяется во времени в правильном направлении— из настоящего в будущее, а опережающая— в обратном направлении— “против времени”, из настоящего в прошлое.
Предполагается, что излучатель в некоторый настоящий момент времени испускает равное количество опережающих и запаздывающих волн. Но почему же мы не замечаем неправильных опережающих волн, которые в таком случае должны, казалось бы, приходить из будущего в настоящее? Уилеру и Фейнману в своей теории удалось показать, почему эти “вестники из будущего” ненаблюдаемы и не портят физическую картину мироздания, нарушая причинно-следственные связи событий, разнесенных во времени.
Коротко говоря, рассуждения Уилера и Фейнмана сводятся примерно к следующему. Опережающая электромагнитная волна, двигаясь против времени, переизлучается на зарядах, которые непременно встречаются на ее пути в прошлом. При каждом таком переизлучении также возникают две волны: одна— опережающая— продолжает углубляться в прошлое, а другая— запаздывающая— возвращается к текущему моменту времени, повторяя пройденный путь, но в обратном направлении. Все переизлученные запаздывающие волны одновременно приходят в тот самый момент, когда произошел акт излучения. Эти переизлученные в прошлом волны складываются и гасят ту опережающую волну, которая их породила. В результате для наблюдателя, лишенного возможности заглянуть в прошлое, остается только одна волна— запаздывающая,– которая распространяется из настоящего в будущее. По этой причине неправильных опережающих волн, движущихся против времени, для нас не существует. Мы не можем уловить волну из будущего, поскольку она мгновенно гасится в момент излучения. Остаются только правильные запаздывающие волны, уходящие в будущее. Тем, кто их зарегистрирует, они несут информацию о прошлом, а не о будущем.
В ходе знакомства с теорией Уилера-Фейнмана возникает ощущение, что прошлое живет своей жизнью, в нем продолжаются процессы распространения электромагнитных волн, происходит их переизлучение на зарядах. Пространство в прошлом наполнено волнами, совершающими движение как в прямом, так и в обратном направлении времени. Это означает, что материя— по крайней мере в виде зарядов и волн— существует не только в настоящем, но продолжает существовать и в прошлом. И формы ее существования более сложны и разнообразны, поскольку реализуются в условиях двунаправленных симметричных потоков времени. А само прошлое уже неверно представлять в виде застывшего слепка с реальных событий, случившихся в определенный момент времени, когда он имел статус настоящего.
Предлагаемая здесь темпоральная интерпретация квантовой механики также исходит из представления о реальных волновых движениях в изменчивом прошлом. Она в определенной степени является развитием идей, реализованных в электродинамике Уилера-Фейнмана, применительно к квантовым проблемам. Конечно, в ней речь идет о квантовых волнах, подобных волнам де Бройля, а не только об электромагнитных волнах.
Справедливости ради надо сказать, что в квантовой теории гипотеза двунаправленности времени уже была использована. В 1986 году американский физик Джон Крамер предложил интерпретацию квантовой механики, которую он назвал “транзакционной”. Я не стану здесь излагать эту оригинальную теорию, отмечу только, что в ней, также как и в электродинамике Уилера-Фейнмана, сохранена категория будущего. Это обстоятельство, на мой взгляд, создает дополнительные препятствия для адекватного описания явлений микромира, поскольку переводит квантовые физические процессы в категорию вероятностных, несмотря на то, что волновые движения подразумеваются реально существующими.
Будущее само по себе имеет вероятностную природу. Чтобы избежать доминанты случайности в общей картине мироздания, я предлагаю отказаться от этой категории времени и попытаться создать детерминистскую квантовую теорию.
Каким же образом разрешается эпр-парадокс в предлагаемой темпоральной интерпретации квантовой механики?
Как мы уже заметили, частицы эпр-пары имеют общее происхождение. В понятиях теории относительности это означает, что их мировые линии соединены в прошлом в одной точке. Под мировой линией принято понимать траекторию частицы в четырехмерном пространстве-времени. Кроме того, мы используем постулат о симметричном времени, позволяя квантовой волне распространяться не только в прямом, но и в обратном направлении. Распространение такой волны (мы называем ее “темпоральной”) происходит не в свободном пространстве, как в теории Уилера-Фейнмана или Крамера, а вдоль мировой линии частицы. Такое движение волны приводит к последовательному обновлению прошлых реализаций состояния частицы. В точке пересечения мировых линий двух частиц их темпоральные волны интерферируют. В этой узловой точке должны выполняться законы сохранения суммарных значений физических величин двух частиц.
Темпоральная волна, в каком бы из двух направлений она ни двигалась вдоль определенной мировой линии, переносит информацию о сохраняемых параметрах отдельной частицы от одного узла к другому. В четырехмерной точке, соответствующей положению частицы в текущий момент времени, происходит обращение волнового фронта темпоральной волны, пришедшей из прошлого, и начинается новый цикл— волна снова уходит в прошлое. (Напомню, в нашей интерпретации будущего времени не существует.) Собственно, наблюдатель имеет дело только с такими— “оборотными”— точками; по этой причине в момент регистрации частица для него предстает в виде корпускулы, в то время как в прошлом она движется как волна (точнее, темпоральная волна). В этом представлении можно усмотреть решение проблемы дуализма волна-частица.
Этих предположений достаточно, чтобы высказать следующую гипотезу относительно механизма нелокальных квантовых корреляций.
Квантовые состояния частиц эпр-пары согласуются в результате обмена сигналами, которые распространяются не в обычном трехмерном пространстве, а в четырехмерном пространстве-времени Минковского. Обмен сигналами происходит вдоль мировых линий этих частиц— как в прямом, так и в обратном направлении времени.
Конкретнее это выглядит так.
Сигнал, испущенный одной из коррелирующих частиц, распространяется вдоль ее мировой линии против течения времени и достигает точки рождения эпр-пары. Отражается от нее и возвращается из прошлого в настоящее, двигаясь вдоль мировых линий обеих частиц этой пары. То же самое происходит и с сигналом, испущенным второй частицей,– возвращаясь из прошлого в виде двух отраженных темпоральных волн, этот сигнал достигает текущего положения не только второй, но и первой частицы. Новое квантовое состояние каждой из частиц эпр-пары является результатом интерференции двух вернувшихся из прошлого темпоральных волн: собственной волны и волны, посланной частицей-партнером. Обмен сигналами приводит к согласованию состояний эпр-частиц в соответствии с законами сохранения суммарных значений их физических параметров.
Заметим, что скорость сигнала (скорость распространения темпоральной волны) вдоль мировой линии всегда постоянна и равна скорости света. В силу очевидной равноудаленности эпр-частиц от точки пересечения их мировых линий текущий момент времени для них один и тот же. И поскольку сигнал распространяется сначала в обратном, а затем в прямом направлении времени, то суммарная длительность процесса обмена сигналами равна нулю— независимо от расстояния, на которое разлетелись частицы.
Особо подчеркнем, что в рамках предлагаемой модели согласование состояний эпр-частиц происходит не только в момент регистрации одной из них— частицы коррелируют постоянно на протяжении всего времени свободного разлета.
Можно видеть, что наше объяснение нелокальности эпр-корреляций вполне согласуется с требованием теории относительности, запрещающей существование сверхсветовых скоростей. И частицы, и сигналы у нас движутся с ”дозволенной” скоростью, тем не менее, для наблюдателя в трехмерном пространстве обмен сигналами происходит мгновенно.
Движение темпоральной волны, в каком бы направлении оно ни происходило— по течению или против течения времени,– выражается в последовательном обновлении физических параметров прошлых состояний частицы. Эта параметрическая волна непрерывна в четырехмерном пространстве-времени и ее скорость вдоль мировой линии частицы равна предельной— скорости света. Поэтому мы с уверенностью можем утверждать, что принцип причинности в нашей модели не нарушается.
Благодаря циклическим темпоральным волнам частица в любой момент настоящего времени связана причинно-следственной связью со своими прошлыми состояниями, что приводит, по истечении цикла обновления прошлого, к однозначной реализации ее текущего состояния в очередной момент настоящего времени. Случайной эта реализация выглядит, если считать реальностью только то, что происходит в трехмерном пространстве в данный момент настоящего времени.
В квантовой механике, создавшей мощный математический аппарат, центральная роль отводится так называемой волновой функции. Эта комлекснозначная функция не имеет физического смысла, тем не менее, она дает правильные значения вероятности реальных событий, происходящих в микромире. В этой связи отрадно отметить, что и в нашей интерпретации вполне допустимо вероятностное описание квантовых событий с помощью привычной волновой функции.
И действительно, если не обращать внимания на физическую сущность темпоральной волны и не пытаться проследить ее перемещения в прошлом, то формально она мало чем отличается от волны вероятности. Пожалуй, единственное отличие состоит в том, что в нашей интерпретации реально существующая темпоральная волна “поставляет” очередное квантовое событие из прошлого, которое по понятным причинам следует считать изменчивым, а волна вероятностей— из несуществующего, но возможного будущего. Но с какой бы стороны от момента настоящего времени событие ни возникало, вероятность его реализации в этот момент одна и та же, поскольку определяется волновой функцией, безразличной к механизму перехода конкретного события из разряда возможных в реализованное.
В темпоральной интерпретации приобретает физический смысл и понятие “мировой линии”. Ее можно представить в виде цепочки идентичных частиц, существовавших (а в нашем понимании, продолжающих свое существование) в последовательные моменты прошлого времени. По этой цепочке и движется темпоральная волна, в каждом цикле приводя частицы в новое состояние. В некотором смысле такая цепочка (мировая линия) напоминает суперструну из популярной ныне теории.
Известно, что квантовые частицы обладают свойством взаимопревращения. Тот участок мировой линии, который некоторая частица “вычерчивает” при своем движении, начиная с момента возникновения,– служит продолжением траектории породившей ее частицы. Эта линия, если проследить ее историю в ретроспективе, то разветвляется, то сливается с другими линиями— и вся эта совокупность ветвей заканчивается в одной бесконечно удаленной точке— Космологической Сингулярности.
Таким образом, в четырехмерном пространстве-времени образуется подобие сети, в узлах которой пересекаются мировые линии частиц— как существующих, так и продолжающих свое существование в прошлом. И если в такой узловой точке исчезли частицы одного сорта, то в тот же момент непременно появились частицы другого сорта. Мировые линии нигде не прерываются. Они связывают (“родственными узами”) любую из существующих частиц не только с Сингулярностью, но и с любой другой частицей во Вселенной, где бы она ни находилась в настоящий момент времени.
Следовательно, все сущее в мире объединено квантовыми нелокальными связями. Более того, все, что когда-то проявилось в реальности, но затем прекратило свое существование и оказалось в прошлом,– тем не менее, не потеряло связи с настоящим.
Темпоральная интерпретация квантовой механики заставляет по-новому взглянуть не только на физические законы и понятия, но и на сущность человеческого бытия.
Даже те, кто не относит себя к приверженцам антропного принципа, согласятся, что возникновение жизни и появление человека обусловлены физическими законами реальной Вселенной, ее фундаментальными характеристиками. Мы живем в квантовом мире и, будучи неотъемлемой частью этого мира, мы, по сути дела, являемся квантовыми макрообъектами. Поэтому есть основания надеяться, что с появлением новой квантовой парадигмы мы когда-нибудь придем к пониманию физических основ жизни, механизмов ее зарождения и эволюции на Земле.
Но это не все. В религиозно-мистическом восприятии реальности самым ключевым моментом, определяющим историческое развитие человеческого общества и цивилизации в целом, на мой взгляд, является ощущение человеком живой связи с предками. Не страх перед силами природы, не поиск абсолюта, а насущная потребность сохранять связь времен превратила человека в Человека. Как можно видеть, такая связь с прошлым является реальной и естественной в темпоральной интерпретации квантовой механики.
1. Фейнман Р. Характер физических законов. — М.: Наука, 1987 — 160 с.
2. Фейнман Р. КЭД — странная теория света и вещества. — М.: Наука, 1988. — 143 с.
3. Cramer J.G. Transactional Interpretation of Quantum Mechanics // Reviews of Modern Physics. — 1986.— 58. — 647-688.
4. Шимони A. Реальность квантового мира // В Мире науки. — 1988. —3. — 22-31.
5. Хорган Дж. Квантовая философия // В мире науки. — 1992.— 9-10.— 70-80.
6. Эйнштейн А., Подольский Б., Розен Н. Можно ли считать квантовомеханическое описание физической реальности полным? // Эйнштейн А. Собрание научных трудов, том 3. — M : Наука, 1966. — с. 611.