Тайны квантового мира. О парадоксальности пространства и времени - Олег Фейгин

Итак, законы квантового мира не только по форме, но и по самой своей глубинной сути принципиально отличаются от классической механики, воплощенной в том, что мы называем здравым смыслом повседневной реальности. Уже тысячелетия астрономы наблюдают за траекториями небесных тел, но это, конечно же, никак не влияет на эллиптичность планетарных орбит. Однако, наблюдая за электроном, мы обязательно изменим его энергетическое состояние и волновую функцию, так что любое измерение полностью и неконтролируемым образом изменит общее состояние микрочастицы. Единственный выход для физиков-экспериментаторов — это выполнить измерения над очень большим числом электронов (в идеале такое количество одинаковых микрообъектов должно практически стремиться к бесконечности), тогда, и только тогда, можно со сколь угодно высокой точностью узнать, какой же будет исход эксперимента над иными микрочастицами, находящимися в тех же начальных условиях.

Именно здесь и пролегает связь между классической и квантовой физикой, ведь единичные одинаковые квантово-механические опыты приводят к разным результатам просто в силу принципиальной невозможности обеспечить для них совершенно одинаковые условия проведения, как это происходит в классической механике. Но достаточно большое множество одинаковых опытов над не менее существенным множеством одинаковых квантовых объектов (например, тех же электронов) обязательно в конечном итоге приведет к одинаковым результатам.

Как поразительно точно подметил в книге «Квантование в науке настоящего и будущего» А. С. Компанеец:

При этом самое удивительное то, что форма закономерности все же относится к отдельному объекту: в простейшем виде уравнению Шрёдингера удовлетворяет волновая функция одного электрона. В соответствии с этим каждый электрон вступает во взаимодействие с измерительным прибором, например с фотопластинкой, независимо от всех остальных. Фотопластинка, как и любой измерительный прибор, — объект классический, поэтому и можно зафиксировать точку попадания на нее отдельного электрона, не изменяя существенным образом состояния самой фотопластинки. Но сам электрон, попадая на фотоэмульсию, радикально изменяет свое состояние. На таких отдельных актах взаимодействия проявляется статистическая закономерность.

Эволюция электронно-вычислительной техники

Проанализировав сложившуюся ситуацию в квантовой физике, знаменитый американский физик Ричард Фейнман высказал идею, что подобные задачи должен решать особый квантовый компьютер. В своей известной статье «Моделирование физики на компьютерах» он убедительно показал, что необходимо разрабатывать принципиально иные вычислительные устройства.

Несомненно, что разработчикам квантовых вычислительных систем, основанных на квантово-механических эффектах микрочастичной запутанности, в конце концов удастся добиться впечатляющего параллелизма вычислений. И даже если правы скептики, предрекающие, что мощный квантовый компьютер так и не будет никогда построен, исследования в этой области прикладной квантовой физики вполне могут привести ко многим неожиданным открытиям.

Существует и еще одно совершенно фантастическое направление исследований, которое связано с конструированием квантовых нейрокомпьютеров. Пока еще в этом направлении наука делает только первые шаги, но все больше биофизиков и нейрофизиологов начинают обсуждать возможность существования некоего «квантового сознания».

Совершенно неожиданное применение нашла квантовая информатика в криптографии — искусстве создания и расшифровки разнообразных кодов. Основная трудность, с которой сталкиваются современные шифровальщики, состоит в обеспечении такого обмена шифровальными ключами между отправителем и получателем, при котором никто не может скопировать их. Наступление эры квантовой информатики, и в частности появление квантовых компьютеров, способных быстро производить невероятно трудное разложение числовых шифровальных кодов на простые множители, ознаменует крах многих криптографических схем. Но тут квантовая информатика преподнесла второй сюрприз, ознаменовавший возникновение еще одной научной отрасли знания — квантовой криптографии. Как оказалось, абсолютно секретную связь вполне реально создать, используя квантовые способы передачи информации. К примеру, чтобы «подслушать» шифровку, передающуюся отдельными фотонами (квантами) через оптоволокно, необходимо каждый квант поймать, измерить его состояние и только затем вновь послать адресату. Вся беда в том, что проделать эти манипуляции без нарушения состояния отдельных квантов и квантовой системы в целом невозможно. Такие системы связи позволяют безопасным способом осуществлять передачу секретного ключа практически на неограниченные расстояния. Они уже выпускаются и используются для нужд спецслужб при наземной передаче информации, вскоре планируется их вывод в космос для создания систем передачи сверхсекретной информации.

Некоторые ученые полагают, что мечта о появлении квантовых компьютеров сможет осуществиться лишь при определенных прорывах в физике и технике эксперимента, когда квантовый мир станет более понятным людям. Однако вне зависимости от того, будет построен квантовый компьютер или нет, квантовые вычисления уже заняли свое место в информатике и математике, а опыт работы с отдельными атомами существенно обогатил возможности экспериментальной физики, химии и инженерии. Не вызывает никаких сомнений тот факт, что будущее компьютерной техники тесно связано с квантовой физикой. И наиболее перспективным направлением ее развития на данный момент считается создание квантовых компьютеров. Квантовые компьютеры будут использовать в качестве базовых элементов отдельные молекулы, поэтому, очевидно, их развитие невозможно без применения аппарата квантовой механики.

На примере истории квантовой информатики мы можем понять, как тесно развитие высоких технологий связано с развитием фундаментальных наук, насколько сильно первое зависит от второго. Поэтому, чтобы добиться успеха в сфере новых технологий, надо помнить о том, что служит их основой, и в первую очередь — о теоретической физике. Только успехи фундаментальной науки могут привести к открытию новых горизонтов в прикладных работах, к новым удивительным достижениям цивилизации.

Чтобы понять возможность существования парадоксальной квантовой нелокальности, лучше всего еще раз обратиться к мнению выдающегося физика, особым образом боровшегося с ней всю свою жизнь. Фактически для этого академику и нобелевскому лауреату де Бройлю пришлось создать свою параллельную версию квантовой теории, которую он назвал квантово-волновой физикой.

Теперь обсудим вкратце вопрос о том, какую роль современная физика отводит классической механике и физике. Разумеется, они полностью сохраняют свое практическое значение в той области явлений, для описания которой они были созданы и в которой их справедливость подтверждается опытом. Открытие квантов ни в коей мере не нарушает законов падения тел или законов геометрической оптики. Всякий раз, когда с определенной степенью точности подтверждается какой-либо закон (а всякий результат может быть проверен лишь с определенной точностью), можно утверждать, что этот результат в основном является окончательным и никакие последующие теории его не смогут опровергнуть. Если бы это было не так, то никакая наука вообще не могла бы развиваться. Однако может так случиться, что появление новых экспериментальных данных или новых теорий приведет к тому, что найденные ранее законы будут рассматриваться лишь как некоторое приближение. Иными словами, при увеличении точности измерений справедливость их в конце концов нарушается. Такие случаи неоднократно встречались в истории развития науки. Из законов геометрической оптики, например, известно, что закон прямолинейности распространения света, хотя он и был проверен с большой степенью точности и считался вначале совершенно точным, оказался верным лишь приближенно. Это стало ясным после открытия явления дифракции и установления волновой природы света. Именно таким путем последовательных приближений, устраняя внутренние противоречия, и может развиваться наука. Созданные в процессе ее развития теории не будут полностью опровергнуты и уничтожены последующим развитием науки, а войдут в качестве составных частей в новые, более общие теории. С этой точки зрения механику и классическую физику можно рассматривать как введение в квантовую физику.