Через кванты к звездам

 Современная космонавтика использует реактивную тягу для полетов в космосе и если не считать сомнительный вариант с солнечным парусом, то, всем известный со школы, закон сохранения импульса не дает иных вариантов создания тяги для космолета. Но реактивная тяга дает очень ограниченные возможности, можно даже не мечтать о массовом космическом туризме на космических кораблях с реактивными двигателями. Для полета на Марс в разумные для туриста сроки, с постоянным ускорением для создания искусственной силы тяжести, без которой массовый туризм не возникнет, потребуется нереально много топлива. Создание возвращаемых ступеней, размещение ядерного реактора на борту космического корабля или поиск другого способа выбрасывать рабочее тело из сопел с большей скорость принципиально ничего не изменят. Нужен какой-то научный прорыв! Единственная надежда на будущее, как его изображают фантасты, с летающими автомобилями и космическими полетами доступными большинству, спрятана где-то в квантовом мире. Поэтому люблю знакомиться с достижениями науки в этой области. Не сомневаюсь, когда необходимый научный прорыв свершится (наверное, не при моей жизни) инвестиционный ажиотаж в космическую отрасль своим масштабом превзойдет доткомы и ИИ!

Был известный спор между Эйнштейном и Бором, в познавательных телепередачах часто его упоминают. Эйнштейн считал, что мир детерминирован и говорил: «Бог не играет в кости», а Бор, опираясь на экспериментальные данные утверждал, что это не так и просил Эйнштейна не указывать Богу, что делать. Со временем, было проведено еще больше экспериментов, и точка зрения Бора победила, хотя некоторые маленькие сомнения еще остаются. В итоге, оказывается, что состояние частицы после рождения становится определенным лишь, тогда, когда оно действительно необходимо, т.е. в момент взаимодействия с другими частицами, причем какое именно состояние примет частица из возможных вариантов задается вероятностями.

Контраргумент Эйнштейна если кратко простой — две частицы рожденный в одной реакции пусть будут обязаны принять, к примеру, одинаковое состояния. Но если их состояния в момент рождения не определены, как утверждал Бор, тогда при взаимодействии первой частицы с чем-нибудь, она случайно выберет свое состояние, далее вторая обязана принять точно такое же. Но за время прошедшее с момента их рождения они могут разлететься очень далеко, а значит вторая с помощью какого-то призрачного дальнодействия должна мгновенно узнать о состоянии первой частицы. Мгновенная связь невозможна!

Со временем неопределенность (недетерминированность) состояния частицы до ее первого взаимодействия подтвердили экспериментально, а значит и существование квантовой запутанности состояний двух или более частиц, т.е. наличие взаимосвязи между ними (призрачного дальнодействия) — это почти научный факт. Есть несколько теорий, раскрывающих природу запутанности, т.е. объясняющих каким образом вторая частица мгновенно узнает о состоянии первой вне зависимости от расстояния между ними. Далее расскажу про наиболее перспективную, с моей точки зрения, реляционную интерпретацию квантовой механики, разработанную итальянским физиком Карло Ровелли. В вопросе интерпретации согласия среди физиков нет, разделились на десяток групп. Хотите увидеть, как сборище физиков передерутся друг с другом в ходе яростного спора, спросите у них про состояние кота Шредингера.

Уже из теории относительности Эйнштейна, с ее относительностью одновременности, следует, что реальность для разных наблюдателей может отличаться. Квантовая физика вынуждена идти дальше. Представьте двух друзей (их называют друзьями Вигнера), один находится в лаборатории на Земле, другой, пусть будет подальше, на Марсе. В лаборатории на Земле стоит ящик, в который поместили того самого знаменитого кота Шредингера. А еще в нем есть устройство, создающее 2 запутанные частицы, пусть будут фотоны. Фотоны гарантированно каким-нибудь законом сохранения получают одинаковый цвет из двух возможных, пусть будет либо красный, либо синий. У каждого цвета своя вероятность, пусть будет 40% оба красные, 60% оба синие. Еще в ящике есть детектор фотонов, который подключен к капсуле с ядом. Если в детектор попадет фотон с красным цветом, яд будет выпущен и кот умрет😾. Если синий, яд останется в капсуле, кот будет жив😺.

Итак, устройство создало 2 фотона, один попадает в детектор и лишь в момент взаимодействия с его частицами (не в момент рождения! Проверено экспериментами, вне зависимости от интерпретации) случайно выбирает свой цвет. Другой отправляется в сторону Марса (на Марсе в лаборатории тоже есть детектор). Земной друг открывает ящик и с вероятностью 40% видит кота мертвым, либо с вероятностью 60% живым. Результат Жив или Мертв записывает в блокнот. В это время другой фотон все еще летит к Марсу, на это требуется время, минут 10. Пока ничего сверхъестественного.

Друг на Марсе еще не знает какой цвет выберет себе, летящий к нему фотон, попав в детектор. Фотон именно СЛУЧАЙНО выберет себе цвет, т.е. пока он летит он не имеет определенного цвета (если, конечно, исключить возможность мгновенной передачи информации о выбранном состоянии от земного фотона к летящему, помните, цвет обязан быть одинаковым). В реальности марсианского друга, летящий к нему фотон находится в суперпозиции всех возможных состояний, т.е. он одновременно и красный, и синий. Но от цвета фотона, попавшего в земной детектор, зависит состояние кота 🙀! А значит, не только летящий к марсу фотон имеет неопределенное состояние, но и кот, в реальности марсианского друга, находится в суперпозиции возможных состояний. Кот жив и мертв одновременно (обратите внимание на картинку выше, разыскивает живой И мертвый)! Состояние кота определится случайно😿, в момент, когда долетевший до Марса фотон определится со своим состоянием.

Более того, от состояния кота зависит состояние знаний земного друга, он уже заглянул в ящик и знает жив кот или мертв, и даже сделал запись в блокнот, а значит состояние блокнота зависит от состояния знаний земного друга! Для марсианского друга оба фотона, кот, земной друг и блокнот, находятся в запутанном состоянии! Все эти объекты находятся в суперпозиции возможных состояний. Летящий фотон красный и синий, кот жив и мертв, земной друг одновременно уверен, что кот жив и уверен, что кот мертв, в блокноте одновременно есть запись Жив и Мертв (на картинке это продемонстрировано). Таким образом реальность земного и марсианского друга разная. Для первого все объекты уже имеют определенное состояние для второго все объекты находятся в суперпозиции. Реальность относительна.

Лишь после того, как фотон достигнет марса и, столкнувшись с частицами детектора, СЛУЧАЙНО выберет свое состояние, после чего детектор путем сигнала на экране провзаимодействует с марсианским другом, реальности земного и марсианского друзей переплетутся. Состояния обоих фотонов, кота, блокнота для марсианского друга и земного станут одинаковы. Для них обоих кот будет либо жив, либо мертв. Тот факт, что летящая к Марсу частица случайно выбирает свое состояние лишь в момент взаимодействия долетев до Марса, приводит к выводу, что состояние целой системы объектов на земле, связанное с состоянием этого фотона, определяется случайно в момент взаимодействия фотона с объектом другой системы (марсианский детектор, экран, марсианский друг), при этом реальности этих систем объединяются (запутываются).

Другими словами объяснение от Карло Ровелли следующее. После рождения оба фотона существуют в своей собственной реальности, в ней они получил свой случайный цвет уже в момент рождения. Но реальность остальной вселенной отличается, в ней цвет обоих фотонов не определен. В момент взаимодействия одного из фотонов с другой частицей или группой частиц, реальность в которой живут оба фотона объединяется (запутывается) с реальностью этих частиц. В этой новой реальности оба фотона имеют определенный цвет. По мере взаимодействия увеличившейся группы запутанных частиц с другими частицами продолжается объединение реальностей, до тех пор, пока вся вселенная не узнает их цвет.

Вспоминается вопрос Эйнштейна Нильсу Бору: «Вы действительно считаете, что Луна существует только когда вы на неё смотрите?». Если вы, как Эйнштейн, считаете, что летящий к Марсу фотон уже имеет состояние и лишь марсианин о нем пока еще не знает, имейте ввиду, многие эксперименты, уже после смерти Эйнштейна, продемонстрировали, что вам тогда придется поверить, в гораздо более, на мой взгляд, невероятные теории. Либо, в то, что эти фотоны связаны мгновенной связью (физики это называют коллапсом волновой функции), либо в параллельные вселенные (когда одна из частиц определяется со своим состоянием вселенная разделяется на несколько параллельных, в каждой из этих вселенных обе частицы имеют одинаковое состояние), либо в Бога (супердетерминизм). Выбирайте! У всех вариантов еще, пока, много сторонников среди физиков.

По мне так принять идею Карло Ровелли об относительности реальности проще, ведь чудеса теории относительности большинство приняло. К примеру, одно из следствий которой – это парадокс близнецов. Один из братьев улетел на ракете в космос со скоростью близкой к скорости света, а другой остался на земле. В системе отсчета Земли (т.е. для землян) земной близнец стареет быстрее чем летящий, но в системе отсчета ракеты (т.е. для экипажа) все наоборот, близнец на борту стареет быстрее.

Хотя, есть еще одна категория физиков — «заткнись и считай». Стивен Хокинг говорил, когда он слышит про кота Шредингера, ему хочется схватиться за пистолет.