Мы знаем, что волны обладают свойством аддитивности. Можно сложить две волны конструктивно (представьте себе две волны в океане, из которых вторая превосходит по амплитуде предшествующую, и их наложение дает в результате волну большей амплитуды, чем у каждой из этих волн) или деструктивно, когда впадина одной волны накладывается на пик другой. В результате мы получаем плоскую сумму двух волн – амплитуды их взаимно уничтожают друг друга.
Именно волновая природа частиц делает квантовый мир таким, какой он есть, и является причиной его странных свойств: волновая природа частиц допускает суперпозицию состояний (Кот в упомянутом выше мысленном эксперименте находится в суперпозиции, являясь одновременно живым и мертвым.) (рис. 9).
Рис. 9. Волновые функции в квантовой механике можно складывать и вычитать точно так же, как две океанские волны, которые, складываясь, образуют бо́льшую волну (или меньшую, если они взаимно нивелируют друг друга)
Ричард Фейнман расширил идею суперпозиции, разработав теорию, согласно которой частицы переходят из одного положения в другое, используя «все возможные пути». Так, для того чтобы перейти из точки А в точку Б, частица может воспользоваться не только прямым путем АБ, но «может по дороге заглянуть в ресторан, где подают восхитительные креветки, потом несколько раз облететь Юпитер и только после этого вернуться домой», как пишут Хокинг и Млодинов в своей книге «Высший замысел»
[12]. Каждый путь из А в Б характеризуется своей вероятностью, и в окончательных вычислениях используют тот, который характеризуется наибольшей вероятностью.
Однако, согласно этой курьезной теории (предсказания которой тем не менее великолепно подтверждаются в экспериментах, и она, таким образом, «работает»), ни у одного процесса не существует определенной «истории»: частица в упомянутом процессе использует все пути из А в Б, но с различной вероятностью. Хокинг и Млодинов опираются на идею Фейнмана для того, чтобы прийти к заключению: у Вселенной нет определенной и точной истории.
Иными словами, авторы имеют в виду, что точно так же, как частица, переходящая из одного положения в другое по всем возможным путям (что бы это ни значило), ведет себя и вся Вселенная. Авторы рассуждают так: во время Большого взрыва или в первые доли секунды после него, пока она была крошечной и компактной (размером с атом или меньше), Вселенная подчинялась законам квантовой механики. Если Вселенная прошла по «всем возможным» путям, прежде чем достигла размера, скажем, песчинки (то есть макроскопического объекта), то до этого момента она не имеет определенной и точной истории. Хокинг и Млодинов пишут:
Квантовая физика говорит нам, что не важно, насколько тщательно наше наблюдение настоящего, так как не поддающееся наблюдению прошлое и скрытое от нас будущее являются неопределенными и существуют лишь как спектр возможностей. Вселенная, согласно законам квантовой физики, не имеет единого прошлого или, иначе говоря, истории.
Итак, никакого единого прошлого и окончательной истории? Это удивительное с точки зрения науки теоретическое утверждение. Оно показывает нам, что в сверхъестественном мире квантовой механики могут твориться весьма странные вещи, опрокидывающие нашу концепцию «истории». Поскольку мы считаем, что некогда Вселенная имела размер квантовой частицы, постольку можно высказывать сколь угодно фантастические гипотезы относительно ее прошлого. Метод «всех возможных путей» Ричарда Фейнмана берет свое начало в одном из самых старых квантовых экспериментов, названном опытом с двумя щелями. Этот опыт был проведен в 1803 году британским врачом Томасом Юнгом, который интересовался очень многими вещами и даже пытался расшифровать египетские иероглифы. В своем эксперименте Юнг пропускал свет сквозь две прорези в непрозрачном экране и проецировал его на второй экран, где становились видны признаки интерференции света. Это опыт доказывает волновую природу света, и эти волны подобны волнам на поверхности воды (кстати, Юнг демонстрировал для сравнения интерференцию и этих волн). Однако то, что в этом случае происходит, стало величайшей загадкой для квантовой физики, и Фейнман назвал ее «Загадкой» с большой буквы.
Ален Аспект говорил мне, когда я посетил его лабораторию в Париже: «Пользуясь современными источниками света, мы можем так контролировать эмиссию света, чтобы прибор излучал за один раз один фотон». Когда источник света испускает единственный фотон и он направляется к экрану с двумя прорезями, интерференция все равно имеет место. Это означает, что каким-то образом фотон проходит через обе прорези, а потом интерферирует сам с собой. Это, кстати, простейший пример суперпозиции состояний: фотон находится в двух местах сразу, одновременно проходя сквозь прорезь 1 и прорезь 2. Фейнман был прав, считая этот феномен воплощением всех загадок квантовой механики.
Описывая, как Фейнман мог прийти к своей идее всех возможных путей, специалист по теоретической физике Зи Энтони пишет в своей книге «Квантовая теория поля в двух словах»
[13]:
Когда-то давно, на лекции по квантовой механике, профессор монотонно описывал студентам эксперимент с двумя прорезями, давая этому феномену стандартное объяснение… Вдруг один студент-ботаник – назовем его Фейнманом – задал вопрос: «Профессор, а что будет, если мы просверлим в экране третье отверстие?» Профессор ответил: «Понятно, что амплитуда частицы, обнаруживаемой в точке 0, будет представлять собой сумму трех амплитуд». Профессор хотел было продолжить лекцию, но Фейнман снова заговорил: «Но что будет, если просверлить в экране четвертое и пятое отверстие?» Профессор начал терять терпение: «Послушайте, умник, по-моему, всей аудитории уже ясно, что нам придется просуммировать свет, проникающий сквозь все отверстия…» Но Фейнман не отставал: «Что будет, если мы добавим еще один экран с просверленными в нем отверстиями?» Профессор окончательно вышел в себя, но Фейнман не унимался: «Но что, если поставить третий, четвертый экран? Что, если я поставлю экран и просверлю в нем столько отверстий, что экран практически перестанет существовать?» Профессор тяжело вздохнул: «Давайте двигаться дальше, у нас еще много материала».
Зи затем соглашается с Фейнманом в том, что эксперимент с двумя прорезями можно расширить и сделать в экране бесчисленное множество таких прорезей. Далее Зи добавляет: «Несомненно, вы поняли, куда клонил этот умный мальчик Фейнман. Особенно мне нравится его замечание о том, что если добавить третий экран и просверлить в нем бесконечное число отверстий, то экран просто перестанет существовать. Это же настоящий дзен!» Фейнману удалось показать, что даже если между источником и детектором будет пустота (не будет никакого барьера с прорезями), то частица все равно пройдет от источника к детектору «всеми возможными путями». Проведенные расчеты подтвердили экспериментальные данные, но важно при этом отметить, что самые «экзотические» пути имеют очень низкую вероятность осуществления. Тем не менее это очень странный взгляд на реальность, и, возможно, правы те, кто утверждает, что квантовая механика не дает действительного представления о реальности.
