Два мира
Илья Коваленко, преподаватель физики из ВолГУ, посвятил науке всю жизнь. Сейчас он работает над одной из фундаментальных задач квантовой физики. Наука совсем молодая, группа ученых, среди которых Альберт Эйнштейн, выделила ее из классической физики в 20?е годы прошлого века, в середине 30?х она была окончательно сформирована и фактически не менялась. Причина тому – невозможность объяснения ряда явлений. Сейчас, спустя почти 90 лет, ученым удалось сдвинуть решение вопросов с мертвой точки, но главные открытия только предстоит сделать.
– Я занимаюсь изучением микро- и макромиров, способов их взаимодействия. Микромир – самые простейшие формы существования материи, к примеру атомы, составленные из них простые молекулы, электроны. Макромир – люди и объекты, иными словами все, что имеет большие массы и относительно большие энергии, – рассказывает Илья Коваленко, профессор кафедры теоретической физики и волновых процессов ВолГУ, доктор физико-математических наук. – Это два параллельных мира, у каждого уникальные свойства. И если макромир достаточно хорошо изучен, то микромир остается совершено обособленным. Задача ученых – проложить между двумя мирами мост. Это выведет человечество на новую ступень развития… Законы бесконечно малых частиц настолько уникальны, что их физические свойства позволят, к примеру, создать квантовый компьютер, способный прочитать все зашифрованные сообщения, которые существуют на Земле, за считанные секунды. Сейчас специальные машины делают это в течение дней и недель, причем далеко не всегда успешно. Не говоря уже о том, что квантовый компьютер поможет сделать скорость Интернета и передачу информации любого объема запредельными.
Но самое удивительное, что в мире микрочастиц с легкостью выполнима одна из самых желанных для человечества способностей. Речь идет о телепортации.
– Микрочастицы обладают уникальными свойствами, например, могут находиться в нескольких местах одновременно, – продолжает волгоградский ученый. – Почему это происходит? Понять это – и есть одна из фундаментальных задач квантовой физики. Вероятное объяснение имеет эзотерический характер и называется принципом контрафактуальности (противоестественность). Если говорить языком науки, то электрон проходит один-единственный путь, но существуют и другие пути, которые тоже могли быть реализованы. Они неким образом влияют на реальные траектории объекта, как будто у него есть разум. К примеру, вы собираетесь в отпуск летом, но подозреваете, что ваши планы может нарушить какое?то обстоятельство. Поэтому вы в итоге отказываетесь от отпуска. Потом выясняется, что это обстоятельство никак не помешало бы отправиться на отдых, но поздно – вы уже отказались. Получается, нереализованные события влияют на ход действий. Но это лишь отдаленный пример, в реальности же микромир настолько отличен от нашего, что справедливого сравнения пока не найдено. Слишком мало образов в окружающей действительности.
Взмах крыла бабочки…
Что же мешает ученым проложить этот мост между двумя мирами?
– Воздействие большого прибора на малые приводит к неустранимым изменениям, – объясняет физик. – Это вмешательство называется шумами. Фактически микромир отторгает любые посягательства нашего с вами мира, как будто намеренно прячет решение задачи. Все наблюдения тормозят фундаментальные ограничения, которые диктует физика. Когда квантовый объект наблюдается в двух местах, при попытке его измерить он почти мгновенно меняет свойства. И если удастся продлить это «почти» до секунды, а в идеале до часа, задача будет решена. Есть вариант, что частица ведет себя, как облако, когда ее измеряют, а потом немедленно выходит из этого состояния и локализуется… Термин «эффект бабочки» (взмах крыльев бабочки на одном конце света может вызвать торнадо на другом) как нельзя лучше описывает поведение частиц микромира. Бабочка – символ неустойчивости.
В науке способность частиц к телепортации называется суперпозиционностью (неопределенность).
– Телепортация – экспериментально проверенный факт. Только свойства частиц имеют свою хитрость. Дело в том, что телепортируется не вещество, а состояние, – продолжает наш собеседник. – Представьте треугольник с углами А, Б и С. Так вот, в частицу А телепортируются все свойства частицы С, а Б – связующее звено… Гипотетически человека телепортировать можно. Для этого нужно собрать набор точно таких же частиц, из которых он состоит, или сообщить им это состояние. Сложность еще и в том, что чем больше данная частица, тем меньше в ней выражены квантовые свойства. Сложный объект полностью теряет квантовые способности.
С квантовым компьютером ситуация еще более мистическая. Тут «жители» микромира более терпимы к вмешательству и наблюдениям, что, конечно, помогает ученым, но вопросов становится только больше…
– Предположим, что мы имеем две пары связанных частиц – атомов (при взаимодействии «сообщивших» друг другу информацию), которые разлетелись на огромное расстояние, – объясняет Коваленко. – За обеими частицами ведут наблюдение два человека. Один из них определяет состояние атома путем измерения. Тогда, чтобы ни делал второй наблюдатель, он всегда получит точно такой же результат, как у первого. Но если первый не получил информацию, у второго она будет хаотична. Это фактически действие на расстоянии – измерение одного влияет на результат измерения другого. Как это возможно? Пока необъяснимо. Более того, если кто?то третий вмешивается в данную цепь, она немедленно распадается. По факту мы имеем дело с природным хранителем информации, который является и самым надежным в мире, потому что защищен законами физики.
Первый контакт
После долгих лет работы волгоградскому ученому удалось установить контакт с микромиром… Все мы помним математические матрицы, именно они и стали способом общения с бесконечно малыми частицами.
– Все привыкли, что матрица либо квад-ратная, либо прямоугольная, – говорит Илья Геннадиевич. – Я решил описать физические процессы, происходящие с частицами, математическим языком. В итоге получаются матрицы невиданных форм – многомерные, замысловатые, а в классической математике они могут быть только двух видов. Все привыкли работать с квадратными, но что, если есть способ работать с иными формами мат-риц? Возможно, это ключ к разгадке. Сейчас я занимаюсь созданием данного ключа. Если эту задачу квантовой физики удастся решить, то люди получат не только телепорт, сверхскоростной квантовый компьютер, способы передачи информации по каналам, защищенным законами физики, – мир изменится навсегда, он станет одним целым, настолько глобализированным, что расстояния перестанут иметь значение.
«Небольшие различия в начальных условиях рождают огромные различия в конечном явлении… Предсказание становится невозможным», – сказал французский математик Анри Пуанкаре, теорему которого доказал наш современник Григорий Перельман. Фактически Пуанкаре описал возможности взаимодействия двух миров: бесконечно большого и малого.
Ежегодно номинантами на Нобелевскую премию становятся ученые, которые занимаются решением фундаментальной задачи квантовой физики. Возможно, волгоградец пока единственный в мире человек, установивший пусть слабую, но устойчивую связь с удивительным миром. И хочется верить, что медаль с изображением Альфреда Нобеля дожидается нашего земляка.