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

Приведенные соображения, однако, еще недостаточны для понимания природы КЭЗ, поскольку реальных неупругих взаимодействий между вылетающей частицей и окружающей средой в условиях возникновения КЭЗ нет. Согласно квантовой теории, микроскопические возбуждения, возникающие в среде при взаимодействии с ней частицы, могут быть как реальными, так и виртуальными. В первом случае состояние среды изменяется необратимым образом, во втором среда возбуждается на короткое время, а затем возбуждение полностью исчезает и среда восстанавливает свое исходное состояние. Виртуальное взаимодействие между микрочастицей и средой ведет к упругому рассеянию частицы в среде. Это рассеяние не разрушает интерференцию, но ведет к уменьшению волновой функции частицы. Так, можно предположить, что виртуальные взаимодействия квантовой частицы с окружающей средой могут оказывать влияние на эффекты, связанные с интерференцией различных квантовых состояний частицы. Этот вывод и позволяет полностью понять природу КЭЗ.

В результате мы вновь приходим к утверждению о невозможности радиоактивного распада при условии осуществления такого непрерывного контроля над вылетающей частицей, в ходе которого частица регистрируется немедленно после ее вылета за пределы распадающейся системы. Теперь мы, однако, понимаем, что причиной возникновения такого парадоксального эффекта является реальное взаимодействие между рассматриваемой частицей и активной средой детектора, которое должно быть очень сильным, если мы хотим обеспечить режим идеального измерения, при котором вылетающая частица имеет нулевую длину свободного пробега в активной среде детектора. При таком взгляде на КЭЗ он теряет таинственность.

Остается только понять, начиная с каких длин свободного пробега вылетающей частицы в активной среде детектора можно наблюдать уменьшение скорости радиоактивного распада. Оценки показывают, что эти длины должны быть очень маленькими, порядка размеров распадающейся системы. Обеспечить такие длины свободного пробега для случая реальных систем, испытывающих радиоактивный распад, практически невозможно.

Таким образом, для физики радиоактивного распада КЭЗ является эффектом принципиально возможным, но труднодостижимым. История обнаружения и исследования КЭЗ свидетельствует, что в современной науке возможны неожиданные явления, для понимания которых требуются новые подходы к известным проблемам. Тем не менее КЭЗ можно считать одним из наиболее оригинальных эффектов, рассматриваемых в квантовой физике за последнее время.

Видимо, вероятностный характер квантовых теорий не соответствует статическим моделям времени, воплощавшимся в теоретической физике прежде. Что касается эмпирического уровня научного познания феномена времени, то с созданием квантовой физики и теории относительности приходит понимание того, что необходимо рассматривать синтетический образ темпоральных процессов. Это было выявлено и подчеркнуто в результате анализа роли прибора и системы отсчета в научном познании. Например, в квантовой физике соотношение неопределенностей накладывает дополнительные ограничения на процедуру измерения времени, с которыми классическая физика не сталкивается. Исходя из вероятностного характера квантовой физики, можно строить потрясающие модели той же суперсимметричной М-теории, однако представления о времени оказались довольно устойчивыми даже для «транссингулярных бран». А стандартная квантовая теория вообще использует время как самую настоящую классическую переменную, не приписывая ей какие-то новые сущности. Тем не менее течение времени в микромире имеет свои особенности. Прежде всего это, конечно же, наличие соотношения неопределенности «время — энергия»: ΔtΔE ≥ ħ, гласящее, что мы можем уточнить либо изменение энергии, либо время, за которое оно произошло. Во вторых, весь квантовый мир пронизан колебаниями, определяемыми через частоту опять-таки временными характеристиками. Ну и, в конце концов, само выражение для планковского кванта действия из соображений размерности распадается на «энергетическую» и «темпоральную» части.

Связано ли направление течения времени с направлением большей части процессов во Вселенной?

Камера Вильсона

Реальные эксперименты по проверке КЭЗ, как и в случае ЭПР-парадокса, довольно сложны в исполнении. В качестве упрощенной модели можно принять, что исследуемая радиоактивная система находится внутри детектора элементарных частиц (в переохлажденном паре в камере Вильсона или в перегретой жидкости в пузырьковой камере). Тогда продукты радиоактивного распада будут фиксироваться по своим трекам через характерное время их жизни в среде детектора. При этом для обеспечения идеального непрерывного измерения необходимо, чтобы длина свободного пробега частиц стремилась к нулю. В предельном случае при бесконечно частых сверхкратких — «нулевых» актах измерения радиоактивный распад должен прекратиться.

График интенсивности радиоактивного распада образца вещества в зависимости от времени

Картина времени

Видный английский астрофизик Артур Эддингтон, известный своими поисками доказательств релятивистской природы окружающей нас действительности, в свое время высказал замечательное предположение, что направление течения времени связано с расширением Вселенной, назвав это явление «стрела времени». Он предполагал, что если наша Вселенная эволюционирует циклически и в определенный момент ее расширение сменится сжатием, то тут же изменит свое направление полета и стрела времени.

И хотя чаще всего парадоксы квантовой физики связаны с распространением обыденных макроскопических понятий пространства и времени на квантовые объекты, какой-то аналог «стрелы времени» должен существовать и в микромире. Впрочем, микрочастицы вовсе не обязаны принадлежать только к знакомому нам частному случаю пространства-времени (математики называют его гладким топологическим многообразием Минковского) в виде обычного евклидова пространства трех измерений из школьных учебников, дополненного координатной осью времени. Вполне возможно, что они «обитают» в своем специфическом микропространстве, в которое переходит многообразие Минковского на «планковских дистанциях», выражаемых в миллиметрах дробными числами с тридцатью нулями. В этой таинственной глубине могут происходить совершенно невероятные вещи, предсказываемые формальными математическими моделями, и далекие, даже астрономические расстояния «здесь» могут соответствовать неразличимой близости «там». Вот, кстати, и еще один вариант разгадки ЭПР-парадокса, причем несравненно более «физичный», чем чудотворное квантовое сознание наблюдателей и «разумные потенциалы» микрочастиц, встречающиеся у отдельных современных исследователей.