На лужайке Эйнштейна. Что такое ничто, и где начинается всё - Гефтер Аманда

Может быть, она и была бесполезной. Неважно, что она звучала интригующе, – никто не гарантировал, что эта фраза несет в себе сияющую истину. Может быть, в ней не было ничего, кроме бессловесного страдания стареющего физика, который знал, что подходит к концу отпущенное ему время, или даже просто стареющего человека, который не знал, что подходит к концу отпущенный ему ум. Опять же, как сказал Фейнман, все, что Уилер говорил, казалось дичью. Но часто он бывал прав.

– По крайней мере, теперь мы знаем о Журеке, – сказал отец. – Это полезно.

И то правда. Торн сказал, что Войцех Журек, физик из Лос-Аламоса, был лучшим в мире экспертом по Уилеровскому самонастраивающемуся контуру.

Я кивнула:

– Что ж, едем в Нью-Мексико.

Мы поселились в скромной гостинице в стиле пуэбло, расположенной в окружении белых стен из адобы, увитых зеленью, среди которой тут и там виднелись огненно-красные гроздья перца. День мы провели, прогуливаясь по картинным галереям на Каньон-роуд и обсуждая природу реальности.

На следующее утро мы отправились в Лос-Аламос, до которого было сорок пять минут езды. Наш путь пролегал вверх, к плато Пахарито, расположенному на высоте в семь тысяч футов над уровнем моря, в «город, которого никогда не было». Семь десятилетий назад правительство решило построить Лос-Аламосскую национальную лабораторию в качестве секретного штаба проекта «Манхэттен». Физики со всей страны оставили свои родные университеты и переехали сюда, чтобы создать атомную бомбу и положить конец Второй мировой войне. Уилер, изложивший свою теорию атомной бомбы в совместной с Бором статье по делению ядер, работал тогда в городе Хэнфорд штата Вашингтон на ядерном реакторе, нарабатывавшем для Лос-Аламоса плутоний. Время от времени он приезжал в Нью-Мексико обсудить служебные дела, а заодно и электродинамику с Фейнманом.

В 1944 году, в начале своей работы в Хэнфорде, Уилер получил открытку от своего младшего брата Джо, который сражался на передовой в Италии. Она содержала всего одно слово: «Поторопись». Но Манхэттенский проект привел к созданию бомбы только к следующему июлю, почти через год после того, как Джо был убит. В двухстах милях к югу от Лос-Аламоса, в пустыне Хорнада-дель-Муэрто, они провели испытания своего плутониевого «гаджета», взорвав первую в истории атомную бомбу. Физики наблюдали за взрывом «Троицы» из безопасного укрытия в базовом лагере, расположенном в десяти милях. Они увидели ослепительную вспышку, потом повеяло нестерпимым жаром, в завершение прошла мощная ударная волна, и над местом взрыва появилось грибовидное облако, поднявшееся на высоту более чем в семь миль, отчего песок в пустыне превратился в стекло на тысячи футов вокруг. Роберт Оппенгеймер, директор лаборатории, торжественно процитировал строки из «Бхагавад-Гиты»: «Я стал смертью, разрушителем миров».

Коллеги-физики еще не оправились от ужаса, а Уилер, испытывая чувство вины за смерть брата, сожалел, что они не смогли закончить свою работу быстрее. «В истории от заднего ума не много проку, – писал он в 1998 г. – Но я не могу удержаться от размышлений о своей собственной роли в этом проекте. Я мог бы раньше осознать всю тяжесть германской угрозы, чем я это сделал. Я бы мог, вероятно, повлиять на людей, принимающих решения, если бы я попытался. Более пятидесяти лет я живу с мыслью о смерти моего брата. Мне нелегко вычленить влияние именно этого события на мою жизнь, но одно ясно: будучи приглашен на государственную службу, я был обязан согласиться». Так, в 1950 году, когда ему было предложено работать над созданием водородной бомбы, Уилер согласился. Он переехал сюда, в Лос-Аламос, и целый год жил в бывшем доме Оппенгеймера.

Пересекая на автомобиле Столовую гору, я подумала, что это странно, что все вокруг было пропитано этой трагической историей. Странно думать, что такие неясные и абстрактные идеи, как теория относительности и квантовая механика, идеи, которые мой отец и я обсуждали более десяти лет, в которых, казалось, материального было не больше, чем в интеллектуальных головоломках, – привели к таким невообразимо реальным последствиям. Реальным не в смысле инвариантности и независимости от наблюдателей. Реальным в смысле крови, огня и горя.

Мы довольно легко нашли дорогу в жилой пригород, где жил Журек. Журек был крупной фигурой в области квантовой теории информации. Вместе с Биллом Вуттерсом, тоже студентом Уилера, он доказал теорему, известную как теорема о запрете клонирования, которая гласит: невозможно создать идеальную копию произвольного, не измеренного заранее квантового состояния. Он также сделал решающий вклад в понимание процесса, известного как квантовая декогеренция, который объясняет, почему повседневный, макроскопический мир не похож на квантовый.

Даже если вы попытаетесь, вслед за Бором и членами его Копенгагенской школы, провести границу между наблюдателем и наблюдаемым, разделив мир на «макроскопическую», или «классическую», и «микроскопическую», или «квантовую», части, вы всегда сможете подвинуть эту границу в сторону более крупных масштабов, превратив в наблюдаемое и часть наблюдателя, переместив внутрь бывшее снаружи, сузив классическое ради расширяющегося квантового. Почему тогда мы не замечаем признаков суперпозиций – тех интерференционных полос, которые проявляются в опыте с двойной щелью, – когда мы измеряем длину дивана, или рост ребенка, или положение Луны? Почему в большом мире классические вероятности, которые предполагают, что все всегда имеет только одно, то или иное, положение, работают настолько хорошо, хотя, как мы знаем, явления должны описываться на языке квантовых вероятностей, которые предполагают, что до того, как мы провели измерение, все находилось в нескольких состояниях одновременно?

Все дело в декогеренции – таков ответ, полученный во многом благодаря Журеку. Идея проста. Интерференционные узоры образуются, когда складываются вместе волновые функции, описывающие два возможных состояния системы: скажем, одна волновая функция описывает прохождение электрона через щель А, а другая – прохождение электрона через щель B. Когда фотопластинка регистрирует электроны, каждый из них попадает в случайную точку на пластинке, но их распределение определяется вероятностями, закодированными в суперпозиции волновых функций. Положение полос интерференционного узора определяется разностью фаз двух волн: там, где вероятности складываются в противофазе и компенсируют друг друга, возникают темные полосы, а там, где фазы волновых функций одинаковы, они усиливают друг друга, и появляются светлые полосы. Поскольку разница фаз между волнами остается постоянной для всех электронов, то суперпозиция когерентна. Если, однако, электроны распространяются в среде, например в воздухе, в конечном итоге они будут на своем пути взаимодействовать с миллиардами молекул. Каждый раз, когда электрон будет проходить через щель, разность фаз волновых функций будет изменяться случайным образом от одного измерения к другому. В этом случае уже не будет единой для всех электронов когерентной суперпозиции, определяющей распределение вероятности расположения светлых и темных полос. Вместо этого результат измерений будет определяться волновыми функциями для каждого электрона отдельно: как если бы электрон всегда проходил через одну щель и никогда – через две щели одновременно. Распределение электронов на фотопластинке окажется именно таким, какого следовало бы ожидать, имея дело с неквантовыми частицами.

Мы с Войцехом Журеком в Лос-Аламосе.

Фото: У. Гефтер.

Размазывая когерентность суперпозиций и придавая квантовым распределениям вероятностей классический вид, декогеренция в среде, на первый взгляд, приводит к обрезанию квантовых волновых функций, превращая множество возможностей в единственную актуальную действительность. В реальности никакого коллапса волновых функций не происходит. В реальности электрон запутывается с каждой молекулой воздуха, с которой он взаимодействует, его волновая функция накладывается на волновую функцию каждой молекулы. В реальности все становится еще более квантовым. Мы просто этого не замечаем, потому что мы не наблюдаем за молекулами воздуха. Если бы мы измеряли не только электроны и регистрирующий их прибор, но также окружающую их среду, мы бы увидели такую интерференционную картину, какую до сих пор никто никогда не наблюдал.