О происхождении времени. Последняя теория Стивена Хокинга

Именно на этом более глубоком уровне становятся критически важными нити, связывающие друг с другом три составные части нашей триады, которая уводит нас далеко за пределы ортодоксальной физики.

В конце 1970-х годов Джон Уилер предложил остроумный мысленный эксперимент, который во многом прояснил природу этого присущего квантовой Вселенной любопытного элемента обратной причинности. Эксперимент Уилера продемонстрировал, как в обычной квантовой механике частиц акт наблюдения может неуловимо повлиять на прошлое – и даже на отдаленное прошлое.

Уилер, наставник Фейнмана и Эверетта, работал с Бором над проблемой ядерного распада; затем во время Второй мировой войны он участвовал в Манхэттенском проекте. В 1950-х в Принстонском университете Уилер вдохнул новую жизнь в изучение общей теории относительности. Он начал с того места, на котором остановился Эйнштейн. В то время общая теория относительности сделалась глухой провинцией физической науки: она была подкреплена всего одним точным количественным наблюдением – измерением смещения перигелия Меркурия, и двумя качественными аргументами – расширением Вселенной и отклонением луча света в поле тяготения. В целом ее часто рассматривали просто как раздел математики, при этом даже не очень интересный. Но, как говорил Уилер, теория относительности слишком важна, чтобы доверять ее математикам. Поэтому он взялся за ее возрождение. Он прочел в Принстоне первый курс теории относительности. Слушатели этого курса получили самую фантастическую привилегию из всех, которой когда-либо удостаивались студенты-физики: выездное занятие в виде визита к Альберту Эйнштейну в его дом на Мерсер-стрит, с чаепитием и обсуждением физических проблем.

Как и Стивен, Уилер, по всей видимости, отличался безграничным научным оптимизмом. Его творческое воображение и способность сосредотачивать внимание на самых важных вопросах физики вдохновили целые направления исследований на десятилетия вперед. Когда в 2008 году в возрасте 97 лет он скончался, в его некрологе, помещенном в New York Times, было процитировано высказывание Фримена Дайсона: «Поэтически Уилера можно уподобить пророку – он, как Моисей, озирает с горной вершины Обетованную землю, которую его народ однажды унаследует».

Рис. 44. Джон Уилер читает лекцию о различиях между классической и квантовой механикой. Принстон, 1967 г.

В своем мысленном эксперименте, который должен был прояснить роль наблюдения и причинности в квантовой теории, Уилер для простоты рассматривал не вселенные, а частицы. Сегодня эта схема известна под названием эксперимента с отложенным выбором; она представляет собой вариант эксперимента с двойной щелью. Опыт с двойной щелью, облучаемой частицами света, впервые выполнил английский ученый-энциклопедист Томас Юнг в XVIII веке. В современной версии этого эксперимента свет падает на две параллельные щели, прорезанные в препятствии, и затем попадает на установленную позади них фотопластинку. На пластинке образуется интерференционная картина из светлых и темных полос, так как расстояния, которые световые волны преодолевают от каждой щели до данной точки экрана, вообще говоря, различны. Квантовая природа света начинает проявляться, когда мы резко уменьшаем интенсивность источника света, превращая поток волн в скудный ручеек фотонов, испускаемых поодиночке. Так же, как и в эксперименте с электронами, который я описал в главе 3, приход каждой индивидуальной частицы – фотона – проявляется как крошечное пятно на фотопластинке. Но если мы некоторое время будем проводить этот опыт в условиях столь низкой интенсивности, то совокупность точек столкновений фотонов с экраном начнет образовывать интерференционную картину. Квантовая механика объясняет это, описывая каждый индивидуальный фотон как распространяющуюся волновую функцию, которая на щелях разделяется на части, а за щелями распространяется дальше и переплетается сама с собой, создавая картину высоких и низких вероятностей того, где каждый фотон будет попадать на пластинку.

Но если экспериментатор решит «сжульничать», поставив вблизи каждой щели по детектору с целью отследить, какой из путей – или оба вместе – выберут фотоны, тогда интерференционная картина больше появляться не будет. Вместо нее фотонные пятна в совокупности образуют на пластинке две яркие параллельные полосы, два совершенно раздельных классических следа – напротив одной и другой щели. Это происходит потому, что приемники действуют, как и облачка частиц вблизи каждой щели на рис. 42, – они выполняют акт наблюдения, который заставляет волновые участки, выходящие из обеих щелей, разделяться. Спрашивая у фотонов, через какую из щелей они собираются проскользнуть, детекторы вынуждают волновые функции фотонов проявить корпускулярную природу света.