Читать онлайн Пятое измерение. Исследование природы времени

Вместо предисловия

Мир имеет три пространственных и одно временное измерение (3+1) – таковы наши глубоко укоренившиеся представления о нем. Длины, ширины, высоты и времени нам достаточно для описания всего происходящего в природе.

Заявление о реальном существовании еще одного измерения выглядит, мягко говоря, странным. Тем не менее это так – в действительности мы живем в пятимерном мире, состоящем из трех пространственных и двух временных измерений (3+2).

Принять это утверждение, вероятно, будет непросто. Но нелегко было и нашим предкам согласиться с тем, что Земля имеет сферическую форму. Представления древних народов были во многом схожи между собой: плоский диск земли плавает средь бурных волн мирового океана. И хотя Аристотель еще в 330 году до н. э., основываясь на наблюдениях за изменением линии горизонта, формой тени при лунных затмениях, смещением положения созвездий в разных широтах, аргументированно доказал шарообразность Земли, споры о ее форме продолжались до Средневековья. Главный аргумент скептиков заключался в том, что «обратная сторона земли» не может служить местом человеческого обитания – люди не могут жить «вверх ногами», они обязательно сорвутся с поверхности и рухнут в бездну. В конце концов теория плоской Земли ушла в прошлое. Окружающий физический мир от этого никак не поменялся, но переворот в сознании изменил наши представления о нем, помог лучше понять законы природы и использовать их в практической деятельности. Колумб, как известно, открыл Америку, основываясь на представлениях о шарообразности Земли.

Современная наука предполагает существование других измерений пространства и времени помимо четырех общеизвестных. Обычная мерность мира стала слишком тесной для адекватного описания сил, характеризующих нашу Вселенную. У физиков нет никаких сомнений в том, что, если к четырем добавить еще одно, пятое измерение, тогда удастся согласовать между собой свет и гравитацию, они сойдутся друг с другом, как две части сложной головоломки. Ожидается, что «новая физика», основанная на повышении мерности пространства, станет ключом к решению большинства нерешенных проблем современной физики, поможет понять множество экспериментальных наблюдений за природой, которые невозможно корректно объяснить в рамках существующих теоретических конструкций.

Этими идеями пропитан мир физики. Правда, пока он не может подтвердить их экспериментально, продемонстрировать в лабораторных условиях. Не удается найти никаких реальных и проверяемых доказательств существования иных измерений. Есть только набор математических формул, позволяющий точно рассчитать, сколько именно энергии понадобится, чтобы сдвинуть пространство-время или проделать в нем «червоточины», коротким путем соединяющие удаленные точки Вселенной. Результаты не вызывают оптимизма – требуемое количество энергии значительно превышает совокупные возможности всей нашей планеты. Ученые надеются, когда–нибудь в далеком будущем у человечества появятся необходимые познания и технологии, позволяющие управлять пространственно-временным континуумом, но не сейчас.

А может быть, нам нужно просто широко открыть глаза? Отказаться на время от привычной фрагментарности восприятия окружающего мира, напротив – расширить фокус и целостность своего осознания. Возможно, мы не замечаем пятое измерение так же, как когда-то люди не замечали, что земля – шар? Автор берется доказать, что дополнительное измерение вполне доступно для экспериментального наблюдения. И не только. Вам предстоит сделать для себя неожиданное открытие – вы много раз лично посещали пятое измерение.

Симметрия и экономичность

Красота в физике – это симметрия и экономичность, выраженные языком математики. Если огромные объемы экспериментальных данных, промежуточных расчетов удается объяснить с помощью короткой математической формулы, то она экономична. Если формула, описывающая поведение физической системы, после перестановки частей остается прежней (инвариантной), то она симметрична.

Достижение симметрии и экономичности вызывает у физиков не просто эстетический восторг – это верные признаки рождения нового открытия или даже новой великой физической теории. Симметрией и экономичностью обладают законы Ньютона и Максвелла. У Эйнштейна симметрия стала еще более масштабной – его уравнения инвариантны в четырех измерениях. К трем пространственным измерениям он добавил почти равноправное четвертое – время. Квантовая теория совершила новую революцию в физике. Соединенная с теорией Эйнштейна, она ошеломляет могущественной силой симметрии, способной предсказывать новые, порой неожиданные физические явления.

Симметричность математических уравнений, лежащих в основании физических теорий, не случайна. Она отражает симметрию описываемых ими физических объектов и явлений – элементарных частиц, планет, звезд, галактик. Симметрия – основополагающий физический принцип и инструмент Природы, посредством которого она создает свои вселенские шедевры. В микромире и в космосе ее произведения являют нам не только мировую красоту и гармонию, но и недостижимый для людей образец экономичной эффективности. Как звезды, так и стабильные атомы, без всякого преувеличения, являются самыми настоящими природными «вечными двигателями», время их жизни исчисляется миллиардами лет.

Наша планета также является частью этой мировой гармонии. Силы тяготения равномерно сжимают ее со всех сторон – у матери–Земли нет «точек–любимчиков» и «точек–пасынков», ее объятия равны для всех. Именно поэтому Земля не является бесформенным куском скальной породы, а имеет форму почти симметричного шара.

Совершенно иначе дела обстоят в срединном земном мире, в котором живет человек. На поверхности планеты нет никакой симметрии. По ее телу в живописном беспорядке разбросаны асимметричные материки и моря, горные массивы и зеленые долины, пустыни и ледники. Ее заселяют миллионы непохожих друг на друга представителей растительного и животного мира. По ее поверхности хаотично, в любых направлениях перемещается человек. Он представлен только одним видом, Homo sapiens, но тоже не вписывается в систему – между людьми нет как внешней схожести, так и равенства, они отличаются по физическим и умственным способностям, по уровню материального достатка и своему социальному статусу.

Срединный мир не подчиняется уравнениям симметрии. Для проявления релятивистских эффектов его скорости слишком малы. Для проявления квантовых эффектов его массы слишком велики. Поэтому этот мир не представляет большого интереса для высокой физической науки, не входит в сферу приложения сил теоретической физики.

И все–таки существует нечто, что позволяет предположить причастность человека к всеобщей мировой гармонии, а значит, и к великим физическим теориям. Это «нечто» – физическая симметрия самого человека. Его внешность зеркально симметрична, левая сторона точно такая же, как правая – у нас по два глаза, два уха, две руки, две ноги. Зеркально симметричны некоторые наши внутренние органы – легкие, почки.

Устройство органов зрения человека демонстрирует нам еще одну симметрию, она не зеркальная, но тоже очень интересна. Световой сигнал, пройдя через роговицу и хрусталик, создаёт на сетчатке каждого глаза перевёрнутую на 180° уменьшенную проекцию видимого объекта, которая затем адаптируется мозгом, Иллюстрация 1.

Иллюстрация 1. Зеркальная симметрия (право-лево) и оптическая симметрия (верх-низ)

Каждый знает, что такое зеркальная симметрия. Простейшее и ежедневное действие для человека – посмотреть на свое отражение в зеркале или на свои руки. Сложим две своих ладони вместе – они абсолютно одинаковы, все пальцы правой и левой руки полностью совпадают, Иллюстрация 2. Право-левая симметрия рук очевидна. Затем разведем ладони так, чтобы только большие пальцы касались друг друга. Мы просто изменили пространственное положение рук, но картина поменялась радикально. Особенно хорошо это видно по большим пальцам – теперь они направлены не в одну, а в разные стороны. Право-левая симметрия вновь не вызывает сомнений, но это уже совершенно другая симметрия, не похожая на предыдущую.

Иллюстрация 2. Зеркальная симметрия

Если опуститься на молекулярный уровень человеческого организма, то и там мы обнаружим зеркальную симметрию, которая в данном случае называется хиральностью, а пара молекул, представляющих собой отражение друг друга по пространственному расположению атомов, – энантиомерами. Человек, как и другая живая материя, обладает необычным свойством, называемым хиральной чистотой: в базовом метаболизме любого организма всегда задействован только один из двух возможных энантиомеров. Аминокислоты, из которых состоят белки, имеют левую хиральность (L-аминокислоты), а моносахариды, входящие в молекулы ДНК и РНК, – правую (D-моносахариды). Зеркальные молекулы обладают одинаковыми физическими свойствами (плотностью, температурой кипения, температурой плавления и т. д.), но по-разному реагируют на световое излучение, вращая плоскость поляризации света в противоположных направлениях. Энантиомеры проявляют свои различия только в зеркально симметричной среде, которую как раз и образуют фотоны света.

Зеркальная симметрия создает такой образ человека, при котором правая половина его тела полностью идентична левой, но эта идентичность мнимая. На месте правой руки нельзя представить левую и наоборот. Категорически невозможно заменить правое на левое, в этом случае мы соберем набор недееспособных элементов, но никогда не получим системы – единого, жизнеспособного, деятельного целого.

Зеркальная симметрия не так элементарна, как можно было бы подумать. Неожиданно она оказывается самым странным и запутанным явлением на свете. Сегодня вокруг зеркальной симметрии ведутся исследования в разных областях математики – топологии, теории чисел, бесконечномерной алгебре Ли. Она является ключевым моментом в оптике, квантовой физике, в теории струн и т.д.

Природа зеркально симметрична. Чётность, или зеркальная симметрия – один из трёх фундаментальных классов симметрии Вселенной наряду с обращением времени и заряда. Закон чётности (зеркальности) выполняется для всех сил и взаимодействий, кроме одного – в слабых взаимодействиях эти симметрии не сохраняются. Ученым пока не удается понять, почему в слабом взаимодействии участвуют исключительно левосторонние частицы, спин которых направлен противоположно импульсу, и почему не участвуют правосторонние частицы. Соответственно, для античастиц все происходит наоборот – только правые античастицы участвуют в слабом взаимодействии, а левые нет. Возможно, это исключение является лишь подтверждением главного правила зеркальной симметрии – у Вселенной, как и у человека, нельзя произвольно заменить правое на левое без разрушения «центральной нервной системы» космического механизма.

Человек является неотъемлемой частью вселенской симметрии. Он не выведен за рамки всеобщих физических законов. Поэтому есть все основания посмотреть на человека под необычным ракурсом – не столько как на биологический объект, сколько как на физическую систему.

Загадочный спин

Для фотона, безмассовой частицы, скорость движения которой постоянна и не зависит от системы отсчета, лево-правая симметрия или зеркальность соответствует спиральности: электромагнитная волна совершает колебания, т.е. фотон как бы «вращается» в одну и ту же сторону относительно своей оси движения независимо от точки зрения наблюдателя. Для частиц, имеющих массу (электроны, нейтрино, кварки) соотнести симметрию со спиральностью нельзя, так как в этом случае поперечная скорость «вращения» должна превосходить световые скорости, что недопустимо с позиций релятивистской механики и не соответствует действительности. Поэтому у частиц помимо массы, заряда, момента импульса движения относительно окружающих частиц, есть еще такая характеристика как спин (от англ. spin – «вращаться») – внутренний момент импульса по отношению к направлению своего движения. Спин не связан с движением частицы в обычном пространстве, но отражает существование пространства ее состояний, отличного от обычного пространства.

Вся Вселенная состоит из двух типов частиц: одни обладают целым спином, а другие – полуцелым. Полуцелый спин фундаментальнее, так как из него можно построить целый спин, но обратное невозможно. Частицы, обладающие полуцелым спином, называются фермионами, а целым – бозонами.

Различие спинов приводит к фундаментальным различиям свойств частиц. Стандартная модель назначает фермионы «ответственными» за вещество, а бозоны – за взаимодействия. Принцип запрета Паули налагает на фермионы строгие ограничения: в отличие от бозонов, два и более идентичных фермиона в одной квантовой системе не могут одновременно занимать одно и то же квантовое состояние (одинаковое значение четырех квантовых чисел), они должны отличаться хотя бы одним числом. Например, если два электрона находятся на одной орбитали, то значения их трех квантовых чисел n, l, m – одинаковы, поэтому значения m_s (спина) должны различаться: один электрон будет иметь спин ½, а спин другого будет –½. Это очень важный принцип – он обеспечивает устойчивость существования всей материи.

Спиновое число иногда используется для описания цикличности вращения макрообъектов, показывая на сколько частей нужно разделить цикл вращения объекта, чтобы он вернулся в состояние, неотличимое от начального. Можно привести такие примеры:

• Спин 0. Эти объекты выглядят одинаково со всех сторон, как их не вращай. Например, одноцветный мяч, круглая бусина без дырочек, просто точка.

• Спин 1. Эти объекты возвращаются в начальное состояние при повороте на 360°. Например, лежащая на столе книга после поворота на 360° будет лежать так же, как и до поворота.

• Спин 2. Эти объекты возвращаются в начальное состояние при повороте на 180°. Например, лежащий на столе не заточенный карандаш или игральная карта после поворота на 180° будут лежать так же, как и до поворота.

• Спин 1/2. Это уже гораздо более сложные объекты – в начальное состояние они возвращаются только после двух полных оборотов, т. е. после поворота на 720°. Примером может служить топологическая поверхность – кольцо Мёбиуса.

На самом деле у всех этих объектов никакого спина нет. По той простой причине, что у них нет собственного момента импульса – они не могут сами по себе развернуться. Для их поворота необходимо совершить работу с приложением внешней силы. В рассмотренных примерах эту работу совершает человек, прикладывая свои усилия.

Зато собственный момент импульса есть у человека! Для разворота ему совсем не обязательно вмешательство внешних сил.

Как же определить его спин? Ведь у человека много степеней свободы – он может вращаться не только относительно своей центральной вертикальной оси, но и относительно горизонтальной, относительно правого бока или левого. Определиться поможет эксперимент, Иллюстрация 3.

Возьмем стакан, нальем немного воды и поставим его на ладонь правой (если левша – левой) руки. Можно просто представить стакан мысленно – целее будет. Начнем вращать ладонь против часовой стрелки (если левша – по часовой) до возвращения руки в первоначальное состояние. Следим, чтобы вода не вылилась. Поворот ладони на 360° не принесет требуемого результата – рука окажется в аномальном положении. Нам придется продолжить вращение, приложив некоторые усилия и немного поднимая руку вверх. И только совершив поворот ладони на 720°, рука вернется в начальное, привычное для нее, положение. Поворот на 720° совпадает со спином 1/2. Таким образом, спин человека равен 1/2, что соответствует спину фермионов.

Иллюстрация 3. Эксперимент со стаканом

Вращение ладони до возврата руки в первоначальное состояние требует разворота ладони на 720°. Спин человека 1/2

Собственный момент импульса – это не момент вращения, спин человека, как и спин элементарных частиц, нельзя свести исключительно к способностям вращения. Эксперимент с кручением руки приведен здесь лишь как наиболее простой и объективный способ определения спинового числа. В повседневной жизни возможности причудливых кульбитов спина 1/2 мы почти не используем, нам гораздо проще поворачиваться на 180° или 360°. Отсюда следует, что спин человека – величина переменная, подверженная флуктуациям.

Человек, как высокоорганизованная живая материя, разумеется, отличается от всей прочей материи. Однако эти различия оказываются не такими уж непримиримыми. Помимо зеркальной симметрии физическая система человека обладает наличием внутреннего момента импульса.

Учитывая, что спин – это очень важная, но в большей степени квантовая характеристика, малообъяснимая в рамках классической физики, нам нельзя пройти мимо запутанного квантового мира.

Квантовые фокусы

Понятию «квант» (от лат. Quantum – «сколько») физика обязана Максу Планку, который в 1900 г. предложил гипотезу о том, что энергия, излучаемая нагретыми телами, не является непрерывным потоком, как в теории Ньютона, а распространяется дискретными пакетами, названными им квантами. Он рассчитал размер этих пакетов и выразил его через константу – постоянную Планка h, которая равна 6,6 × 10^-34 Дж·с и иногда называется «квантом действия». В силу своей микроскопической величины эта фундаментальная константа проявляет себя только в мире частиц, не оказывая какого-либо значимого влияния на макрообъекты.

Пока еще малоизвестный Альберт Эйнштейн, занимавшийся в это время специальной теорией относительности, применил квантовую теорию Планка к свету и показал, что свет – это не просто волна, одновременно это еще и частицы, кванты энергии. Позднее кванту света было присвоено имя – фотон. Свет состоит из фотонов, которые создают вокруг себя электромагнитное поле, являющееся волной.

Физиков удивила странная двойственность света, но настоящее потрясение они испытали, когда выяснилось, что электрон, всегда считавшийся твердой частицей, тоже ведет себя как волна. В экспериментах пропущенный через две щели пучок электронов рисовал не две вертикальных полосы, что логично было бы для частиц, а сразу группу полос, что было типичной картиной при интерференции волн. Даже когда запускали электроны по одному, картина не менялась – словно один электрон проходил через две щели сразу. Мало того, оказалось, что электроны способны пропадать и вновь появляться в другом месте, что было совершенно невозможно представить! Если электрон обладает волновыми свойствами, тогда что возмущает среду, в которой существует эта волна? Что колеблется? А если электрон – частица, то как он может в одно и то же время находиться в двух местах?

Ответ дал Макс Борн в 1926 году, заявив, что колеблется вероятность нахождения электрона в данной точке. Невозможно точно и наверняка определить, где находится электрон. Единственное, что мы можем знать, – это вероятность его нахождения. Идею закрепил Вернер Гейзенберг, сформулировав свой знаменитый принцип неопределенности, легший в основу квантовой теории. Принцип гласит, что одновременно знать точно импульс (произведение массы на скорость) и местоположение электрона невозможно. Математически он выражается соотношением неопределенности по формуле, где погрешность измерения координаты, умноженная на погрешность измерения импульса, всегда должна быть больше или равна постоянной Планка. Это накладывает ограничение: если мы точно определяем месторасположение частицы, то не можем точно знать ее скорость. И наоборот: определив скорость, мы получаем неопределенность с координатами.

Принцип неопределенности аналогичным образом связывает не только координаты и скорость, но и другие пары взаимно увязанных характеристик частиц. Так, невозможно безошибочно измерить энергию квантовой системы и определить момент времени, в который она этой энергией обладает. Неопределенность является следствием корпускулярно-волнового дуализма. Элементарная частица – это частица, но вероятность ее нахождения в любой заданной точке задается волновой функцией. Пока мы измеряем одну величину, другая в это время успевает как бы умчаться от нас вдаль, стать размытой, неопределенной, выдавая большие погрешности в расчетах.

В 1927 году Нильс Бор и Вернер Гейзенберг сформулировали Копенгагенскую интерпретацию, согласно которой квантовая механика описывает не микрообъекты сами по себе, а их свойства, проявляющиеся на макроуровне. Макроуровень, или окружающий реальный мир, создается классическими измерительными приборами в процессе акта наблюдения. Именно акт измерения вызывает мгновенное схлопывание, «коллапс волновой функции».

Копенгагенскую интерпретацию сами физики часто сравнивают с философией епископа Беркли [1], который задавал вопрос: если в лесу падает дерево и вокруг нет никого, кто мог бы это услышать, то производит ли его падение звук? Копенгагенская интерпретация квантовой теории не отвечает на этот вопрос однозначным «да» или однозначным «нет». Ее ответ куда более неприятен, чем сам вопрос: если рядом с деревом никого нет, то это дерево существует как сумма множества различных состояний. Оно может не только расти или падать, но и существовать, например, в виде только что проклюнувшегося ростка, в виде обугленного под ударом молнии столба, в виде поленницы дров или листа фанеры и т.д. Только когда вы смотрите на дерево, его волновая функция чудесным образом схлопывается, превращаясь в конкретный объект.

Твердыни, которые еще совсем недавно казались незыблемыми, прямо на глазах превращались в зыбучие пески. Такое понятное и вполне определенное будущее предсказать уже было нельзя – можно говорить только о вероятности того или иного течения событий. На этом поле вероятностей возникал пусть небольшой, но все же шанс для невероятного – какой-нибудь немыслимой чертовщины, противоречащей здравому смыслу. Квантовая «ересь» взорвала мир физики и расколола его на два лагеря. Вместе с ним вдребезги рушилась вообще вся прежняя мировоззренческая вселенная, требуя философского переосмысления физической реальности. Новый фундаментальный физический принцип, принцип неопределенности, разрушал фундамент детерминизма. Больше не существует ни однозначной определенности в природе, ни высшего промысла – миром правит случайность.

Амбассадорами лагеря сторонников квантовой теории были Бор и Гейзенберг, а противниками оказались Эйнштейн и Шредингер, стоявшие у ее истоков. Признавая несомненные успехи новой теории и даже временами искренне восторгаясь ими, отцы–основатели открыто недолюбливали свое дитя за его непредсказуемый характер. Шредингеру, автору волновых уравнений, применяемых для решения квантовых задач, она не нравилось настолько, что он даже сожалел о своей причастности к ней. В одной из своих статей он отмечает, что квантовая механика «пока всего лишь удобный трюк, который, однако, приобрёл… чрезвычайно большое влияние на наши фундаментальные взгляды на природу». Вечным оппонентом квантовой теории оставался и Эйнштейн. В пылу жарких научных споров он не раз восклицал: «Бог не играет в кости со Вселенной!». Великий ученый не отвергал теорию полностью, но не мог принять ее в качестве окончательного варианта для фундамента физики. Эйнштейну не хватало в ней единства, целостности, полноты картины мира, какого-то скрытого, но очень важного параметра.

В 1935 году после опубликования статьи Эйнштейна–Подольского–Розена о неполноте квантовой механики Шредингер направил Эйнштейну письмо со словами поддержки и в продолжение темы предложил мысленный эксперимент, который наглядно демонстрировал суть проблемы. Эксперимент получил широкую известность как парадокс «кота Шредингера», Иллюстрация 4.

Иллюстрация 4. Кот Шредингера. Кот в условиях квантовой неопределенности. Кот жив или кот мёртв?

Кот помещается в закрытую коробку. За перегородкой находится «дьявольская машина»: счётчик Гейгера, крупинка радиоактивного вещества и синильная кислота. Когда атом вещества распадется, вылетит элементарная частица, счетчик Гейгера сработает и приведет в действие молоточек. Он разобьет колбу с синильной кислотой и кот тут же отравится. Когда вылетит частица никто не знает, но наблюдателю задается вопрос: кот жив или мертв? Так как распад атома – исключительно квантовое событие, то и кота придется описывать как квантовый объект. До тех пор, пока наблюдатель не открыл коробку, кот не жив и не мертв. Он существует в виде сочетания различных квантовых состояний или суммы двух волн. Одна из этих волн описывает мертвого кота, другая – живого. Вероятность 50%, что атом не распался и кот жив, такая же вероятность, что атом распался и кот мертв. Живой и мертвый кот как бы смешаны и равномерно размазаны по объему коробки.

Если следовать копенгагенской интерпретации, единственный способ определить, жив кот или мертв – открыть короб и произвести наблюдение. В этот момент волновая функция схлопнется в мертвого или живого кота. Наблюдение (для которого требуется сознание) будет определять его существование.

По Шредингеру суть эксперимента состояла в том, что неопределённость на квантовом уровне должна привести к неопределённости, размытости в макроскопическом масштабе («смесь» живого и мёртвого кота). Это не соответствует требованию определённости состояний макрообъектов независимо от их наблюдения и, следовательно, не позволяет принять «модель размытости» в качестве реальной картины мира. Эйнштейну эксперимент понравился, хотя он рассматривал его суть несколько по-иному – как возможность статистического описания эксперимента и статистического опровержения копенгагенской интерпретации.

Аргументы Эйнштейна и Шредингера не могли остановить дальнейшее успешное развитие квантовой физики, наоборот, помогли работе над прояснением некоторых принципиально важных её аспектов. Старая копенгагенская интерпретация теории перестала пользоваться популярностью – сегодня она уступила место интерпретации многомировой. В новой трактовке Вселенная расщепляется надвое, где в одной вселенной кот жив, а в другой – мертв. Или на множество вселенных, где кот существует в различных состояниях.

Научная и философская проблема физической реальности так и осталась нерешенной. Кот Шредингера продолжает гулять сам по себе, где и как ему вздумается. Сегодня наука, достигнув фантастических высот, вновь признает, что на трудном пути познания природы ей, как и некогда великому физику, не хватает какого-то неизвестного, но очень важного параметра, позволяющего достичь единой и целостной картины мира. Все больше исследователей, подозревая, что Эйнштейн, возможно, был прав, обращаются к теме единой теории поля. Ученые продолжают поиски, предполагая, что могут существовать пока не обнаруженные элементарные частицы, по своим свойствам не совсем похожие на другие частицы Стандартной модели. Они должны дать возможность найти концы нитей в клубке квантовой запутанности. Поиски недостающих частей системы ведутся в космосе и на ускорителях.

Из элементарных частиц состоит все известное нам вещество, вся таблица Менделеева. Атом состоит из облака электронов, летающих вокруг крохотной плотной сердцевины, где сосредоточена почти вся масса – ядра, состоящего из протонов и нейтронов. Оно примерно в 100 тысяч раз меньше самого атома, т.е. в атоме больше пустоты, чем твердости. Если бы ядро было размером с горошину, то атом был бы по размеру с футбольный стадион. А если из атомов тела человека убрать всё свободное пространство, то человек с комфортом мог бы разместиться в горошине.

Однако оказывается, что могут существовать и другие атомы, экзотические. В так называемом мюонном атоме, на место одного из электронов встраивается отрицательный мюон, характеристики которого совпадают с характеристиками электрона во всем, кроме массы. Из-за того, что мюон тяжелее своего собрата–электрона в 207 раз, мюонная орбиталь меньше электронной ровно на столько же, соответственно, размер мюонного атома получается в те же 207 раз меньше обычного. Но ядро-то остается прежним. Поэтому для мюона вероятность оказаться внутри ядра возрастает в 207³, то есть почти в девять миллионов раз больше по сравнению с электроном. Для тяжёлых атомов радиус орбиты мюона становится меньше радиуса ядра. Облако находится уже не во вне, а начинает струиться где-то в недрах ядра. Схематичное сравнение обычного и мюонного атомов показано на Иллюстрации 5. Такое строение мюонного атома, похожее на коробочку с сюрпризом, сильно влияет на его свойства.

Иллюстрация 5. Сравнение моделей обычного (слева) и мюонного (справа) атомов

Экзотический квант

Понятие «экзотическая материя» применяется в физике элементарных частиц, в теории о строении «кротовых нор», используется при создании материалов с необычными свойствами. Так называют вещество, которое нарушает какие-либо известные физические закономерности.

К экзотической материи с полным на то основанием можно отнести и человека. Он обладает целым набором характеристик, нарушающих законы физики. Человек, в отличии от всей прочей материи, бесцеремонно попирает главное достояние физической науки – он нарушает энергетические условия.

Соблюдение энергетических условий означает, что камень не будет катиться от подножия на вершину горы, он может только падать вниз с вершины. Река не будет течь в гору, она может только стекать с горы, а на равнине будет искать себе русло, огибая все возвышения рельефа и стремясь к достижению уровня мирового океана. Всё в природе стремится к соблюдению энергетических условий. Всё, кроме человека – он устремлен на достижение вершин. Даже если у него нет намерения покорить горный Эверест, он стремится к достижению иных вершин: профессиональных, спортивных, научных и т. д. И даже если человек не стремится ни к каким вершинам, ему все равно приходится постоянно преодолевать энергетический барьер: учиться, справляться с трудностями взросления, выстраивать семейные отношения, добывать хлеб насущный, заботиться о близких и т. д. Преодоление – это то, что движет прогрессом человеческого общества. Не свободное скольжение по физической глади жизни, а воля к преодолению делает человека человеком и отличает его от всех иных видов живой и неживой материи.

Человек нарушает даже законы гравитации. Разумеется, он, как и вся другая материя на Земле, испытывает на себе силу гравитационного притяжения. Но способен преодолевать ее – он может, например, подпрыгнуть. С одной стороны, смешно и упоминать про такую способность, однако на фоне всей другой неживой материи она является уникальной – камни прыгать не умеют. Человек сообщает мышцам ног силу для совершения работы, направленной на преодоление силы тяжести. Он использует свою внутреннюю энергию для придания телу ускорения, направленного в сторону, противоположную действию сил гравитации. Его действие является гравитационно-отталкивающим. Он обладает способностью кратковременного преодоления гравитации без приложения сторонних сил – благодаря этому может перемещаться по поверхности планеты в любом направлении. В процессе освоения ближнего космоса человек смог полностью оторваться от оков гравитации. Для этого ему потребовалась дополнительная энергия, но он смог ее получить и использовать.

Человек – это сложная система, состоящая из множества клеток, молекул, органов, подсистем. При этом каждый отдельный элемент, обособленная часть, оторванная от связей с системой человеческого организма, сама по себе не имеет абсолютно никакого значения. Человек – это единое целое, которое несравненно больше, чем просто сумма его частей. В этом целостном единстве он является неделимой частицей. Человека с полным на то основанием можно назвать антропным квантом.

Квант, конечно, не типичный, экзотический, но это именно квант:

• Во-первых, человек обладает собственной внутренней энергией – способностью к действию, деятельности, совершению работы, не связанной с воздействием на него иных сил или переносом вещества.

• Во-вторых, энергия одного человека – это самая маленькая порция энергии вещества, называемого разумной живой материей. Меньше не бывает.

• В-третьих, энергия, которой располагает человек, является неделимой величиной. Человек может поделиться результатами работы своей энергии, но не может поделиться самой энергией.

Антропный квант имеет свои наблюдаемые физические характеристики, которыми можно описать его физическое состояние: массу, рост, возраст, силу, скорость, давление и т. д. Физические характеристики меняются в зависимости от различных факторов, особенно от возраста, но при этом не могут выходить за рамки определенного диапазона.

Антропный квант существует как эффективная энергетическая машина, работающая по законам физики, и являющаяся одновременно:

• Потребителем энергии.

• Преобразователем энергии.

• Генератором энергии.

• Аккумулятором энергии.

Человек потребляет энергию вместе с пищей в количестве, примерно соответствующем потреблению одной лампочки накаливания на 100-150 Ватт. В результате обменных процессов потребленная энергия преобразуется в тепловую энергию тела, в кинетическую энергию сокращения мышц, в электрическую энергию центральной нервной системы. Часть энергии человек расходует «на себя» – на переваривание пищи, на перемещение в пространстве массы своего тела и на обеспечение работы внутренних органов. Наиболее энергетически затратным органом является мозг – составляя всего 2% от массы тела, он никогда не прекращает свою работу и потребляет в состоянии покоя около 10% всей энергии организма, в состоянии активности – до 25%, а в стрессовых ситуациях – до 40%. Помимо обеспечения жизнедеятельности собственного организма, часть энергии расходуется на совершение внешней работы. Человек обладает способностью аккумулировать энергию и обходиться в течение нескольких дней без потребления пищи.

Антропный квант обладает собственным спином. Это уже чисто квантовая характеристика. Что именно она дает человеку в энергетическом плане – неизвестно, это совершенно не исследованное поле, никто не изучал этот вопрос. Если обратиться к аналогиям в микромире, то там спин обеспечивает квантовые системы собственным моментом импульса, переводит их из одного пространства состояний в другое – заставляет «биться сердце» атомов, превращая их в неутомимые природные perpetuum mobile. За счет квантовых эффектов может происходить практически бесконечное движение в некоторых физических процессах, например, петлевые токи в сверхпроводниках и вихри в сверхтекучей жидкости. Следуя аналогиям, можно предположить, что спин – это очень важная характеристика человека, связанная с его жизненной энергией, с самой жизнью.

Для антропного кванта выполняется принцип суперпозиции его энергетических состояний. Это тоже квантовая характеристика. Человек может находиться в состоянии бодрствования и в состоянии сна. Это два разных состояния одной системы, которые являются ортогональными друг к другу и дискретными. Если человек спит, то он не может бодрствовать и, наоборот, если человек активен, то он не может одновременно спать.

Есть у антропного кванта и своя «постоянная Планка», связанная с суточным циклом жизнедеятельности человека и характеризующая переход антропного кванта из одного энергетического состояния в другое. Она будет значительно больше Планковской константы, однако и наш квант сильно отличается от обычных.

Кот Шредингера – 2

Проведем со злосчастным котом Шредингера еще один эксперимент, в обратном порядке и на этот раз без урана и кислоты. Мы не будем ждать момента, когда кот перейдет в смешанное состояние. Привлечем кота, который с самого начала эксперимента находится в неопределенном, «размытом» состоянии, «не жив и не мертв».

Возьмем прикрытую коробку, где находится спящий кот. Наблюдателю предстоит ответить на тот же сакраментальный вопрос: кот жив или мертв? При этом ему запрещено открывать коробку или производить какое-либо иное возмущение среды. Теперь сам наблюдатель оказывается в условиях квантовой неопределенности: он видит координату кота – коробку, но его сигнальная система (зрение, слух и др.) не имеет возможности замерить импульс кота – он не перемещается и из коробки не доносится ни звука. Пока кот безмятежно спит, для наблюдателя вероятность 50%, что там находится живой кот, и такая же вероятность, что там находится кот мертвый. Но как только от кота пошел какой-либо импульс, – он замяукал или высунул голову из коробки, – для наблюдателя становится очевидным, что кот жив, Иллюстрация 6.

Правда, при этом в состояние неопределенности приходит координата – проснувшись, кот получает возможность перемещаться в пространстве. Перед нами наглядная иллюстрация принципа неопределенности Гейзенберга. Пока спящий кот «привязан» к определенной точке пространства, нам известно его местоположение, но «заглушен» импульс. Если кот проснулся, то у него появляется импульс, но совсем не факт, что нам удастся быстро обнаружить его в какой-то конкретной точке открытого пространства.

Иллюстрация 6. Кот Шредингера-2

Наблюдатель в условиях квантовой неопределенности. Кот жив или мёртв?

Задача перед экспериментом стоит та же, что и в его оригинальной версии: попытаться обнаружить за квантовой механикой какой-то более глубокий скрытый физический фундамент, позволяющий перейти от состояния неопределенности к состоянию определенности и смоделировать нашу «кошачью» квантовую систему с помощью детерминированной физики. Но поле поиска в нашем эксперименте существенно меняется. Нам не нужно будет смешивать, а потом пытаться как-то разделить живого и мертвого кота. Мы будем вести поиски по границе, отделяющей спящего кота от проснувшегося.

Сон является естественным физиологическим состоянием человека и имеет четко выраженную суточную цикличность. Он обеспечивает организм отдыхом, играет важную роль в процессах метаболизма, способствует переработке и хранению информации, восстанавливает иммунитет и защитные силы организма.

Природа сна, на которую наброшен покров чего-то мистического, интересовала людей во все времена. Древние греки считали ночной сон и сон вечный близкими явлениями. Аристотель описывал сон как «пограничное состояние между жизнью и не жизнью». При этом люди всегда замечали и использовали целебную силу сна. Изучением его природы занимались выдающиеся русские ученые-физиологи И.М. Сеченов и И.П. Павлов, советско-израильский психофизиолог В.С. Ротенберг, основатель психоанализа З. Фрейд, Исследованию сна посвятил свою жизнь уроженец Российской империи американский нейрофизиолог Н. Клейтман, обнаруживший и описавший разные фазы сна, в том числе фазу быстрого сна (БДГ–фазу или REM–фазу).

Природа сна изучается, однако она по-прежнему ставит больше вопросов, чем дает ответов. Медицина исследовала человека вдоль и поперек, просеяла его до мельчайших молекул, научилась делать реинжиниринг генома – создавать младенцев с заранее заданными характеристиками. При всем том до сих пор не известно, для чего вообще нужен сон.

Когда-то считалось, что сон необходим для вывода токсинов, которые накапливаются за время бодрствования и начинают отравлять мозг, но никаких специфических «ядов сна» так и не было обнаружено. Сон необходим для отдыха уставшего тела? Но люди, у которых тело не работает, страдающие заболеваниями, связанными с атрофией мышц, точно также нуждаются в сне. Сон нужен для отдыха мозга, нагруженного полученной за день информацией? Но оказалось, что мозг во время сна не только не отдыхает, а наоборот, его нейроны работают даже более интенсивно, чем во время бодрствования.

Учеными прорабатываются различные теории, каждая из них открывает какие-то важные детали, но эти детали, как выпавшие кусочки мозаики, не дают представления об общей картине. Общепринятой точки зрения относительно природы и функции сна не существует.

Объективно сон сопровождается изменением физического состояния человека:

• Снижается мышечная активность.

• Снижается активность работы внутренних органов, замедляется обмен веществ.

• Понижается температура тела, снижается частота дыхания и пульса.

• Снижается порог восприятия, сознание отключается от реальности.

• Головной мозг во время сна работает не меньше, чем в состоянии бодрствования, но по-другому. По мере развития сна, низкоамплитудная и высокочастотная электрическая активность мозга начинает меняться и появляются низкочастотные и высокоамплитудные волны.

Объективно состояние сна характеризуется также необходимостью изменения пространственного положения тела человека – принятия горизонтального положения, ортогонального (перпендикулярного) по отношению к положению в состоянии бодрствования. Сон необходим для функционирования всех высших животных, однако ни к одному существу природа не предъявляет столь жестких требований по ориентации тела в пространстве во время сна, как к человеку. Лошади могут спать стоя, дельфины – активно перемещаясь в море, птицы – во время полета. У человека же мышцы во время сна расслабляются настолько, что становятся неспособными держать его вес. Спать стоя человек не в состоянии, сон в положение сидя не является полноценным.

Помимо характеристик, поддающихся объективному наблюдению и инструментальному контролю, у сна есть другая сторона, субъективная – сновидения. Во сне человеку снятся различные картины, в которых он может быть активным действующим лицом и переживать различные эмоции, как положительные, так и отрицательные. Он не только воспринимает зрительные, слуховые, тактильные образы, но и ощущает запах и вкус. Человек во сне может оказаться в любом месте, мгновенно перемещаться в пространстве, летать, даже проходить сквозь стены – здесь нет ничего невозможного. Сны могут быть обыденными, ничем не примечательными, и могут быть очень яркими, запоминающимися. Случаются «многосерийные» сны, где развивается одна сюжетная линия, но между отдельными «сериями» проходят месяцы и годы. Более того, изредка сны оказываются провидческими или озаряют научными открытиями, о чем повествуют, например, истории об открытии Д.И. Менделеевым периодической таблицы или о создании Н. Бором планетарной модели строения атомов. При этом стоит заметить, что внезапным озарениям ученых во сне предшествовала их многолетняя, целенаправленная, напряженная работа наяву.

Считается, что сновидения проецируются реальными переживаниями в состоянии бодрствования. При этом они не поддаются какому-либо контролю или управлению ни со стороны спящего, ни со стороны сторонних наблюдателей. Всё, что происходит с человеком внутри сновидения, является мнимым, не имеющим отношения к реальности.

Зачем снятся сны? Какова их природа? Каков механизм образования? У науки нет однозначных ответов на эти вопросы. Электроэнцефалограммы головного мозга – единственные средства объективного контроля сновидений, но они не могут дать полной картины.

Сны продуцирует мозг, но не выявлено какого-то специального «центра сна». Сегодня ученые приходят к выводу, что спящий мозг и бодрствующий мозг очень схожи между собой в плане активации – и в том, и в другом случае задействованы одни и те же области. Человек видит во сне лица тогда, когда активен участок мозга, который и наяву отвечает за распознавание лиц людей и формирование визуальных образов. Сны с пространственным восприятием, движениями и обдумыванием чего-либо появляются тогда, когда активированы участки мозга, которые и наяву отвечают за ощущение пространства, двигательную активность и мыслительный процесс, соответственно. Эффект БДГ (быстрого движения глаз) говорит о том, что зрительные органы задействованы во время сновидений. Большинство же органов в состоянии сна не активны, но при этом активен участок ЦНС, придающий им импульс.

Исследования сомнологов свидетельствуют, что центральная нервная система человека функционирует в двух разных режимах – бодрствования и сна:

ЦНС в режиме бодрствования:

–Получает сигналы реального мира.

–Обрабатывает полученные сигналы, формирует ответные импульсы.

–Посылает импульсы системам организма.

–Приводит в действие различные органы для ответной реакции.

ЦНС в режиме сна:

–Создает имитационные сигналы.

–Обрабатывает полученные сигналы, формирует ответные импульсы.

–Посылает импульсы системам организма.

–Блокирует ответные реакции организма.

В обеих режимах мозг одинаково работает с поставленной перед ним задачей. Но поступающие в него входные и исходящие сигналы принципиально отличаются. Получается, что мозг во время сна используется «втемную» – причинно-следственные связи для него оборваны. Возникает любопытный вопрос: а кто же и зачем во время сна посылает мозгу задачу и получает ответ на нее?

В режиме сна человек выключен из реальности, недееспособен. А его ЦНС в это время разворачивает симулятор реальности – создает виртуальные ситуации и требует от человека ответной реакции, принятия решений, совершения действий. При этом блокирует саму возможность ответной реакции, делает так, чтобы человек оказался «не в курсе» предъявляемых требований. Всё это напоминает работающего инкогнито независимого аудитора, которого интересует не столько красивый фасад, сколько то, что находится в глубине. ЦНС зачем-то тестирует неосознанные и неконтролируемые реакции человека, поставленного в непредсказуемые условия иллюзорного мира сновидений.

Исключительная биологическая роль процесса сна неоспорима. Вот только объяснить природу сна с позиций биологии никак не получается. Однако она удивительно легко ложится на платформу квантовой физики.

Комплексная сфера

Отсутствие информации о природе сна не препятствует возможности проведения в отношении спящего человека анализа поведения четырех главных физических категорий – пространства, времени, материи и энергии. Эйнштейн, которому не давала покоя двойственность квантовой теории, иногда спрашивал приходивших к нему гостей: «Существует ли Луна только потому, что на нее смотрит мышь?». Вот и мы зададимся похожим вопросом.

Для большей наглядности возьмем пример, когда спящий человек находится в купе двигающегося поезда. Мы будем оценивать восприятие реальности (R) или мнимости (I) происходящего внутри мира сновидений и одновременно внутри реального мира. Оценивать будут 3 участника: спящий человек, этот же человек, но уже проснувшийся, и сторонний наблюдатель, например, проводник вагона. Три участника в нашем примере выполняют роль трех разных систем отсчета. Оценка восприятия участниками реальности и мнимости процессов показана в Таблице:

Оценка восприятия Пространства, Времени, Материи, Энергии во время сна человека

На первый взгляд, все очевидно. Проводник следит за порядком в вагоне, вся окружающая его действительность, включая нашего спящего пассажира,– реальность. Что там снится пассажиру – проводника не интересует, для него это иллюзия. Спящий человек отключен от реальности – пространство, время, материя, энергия реального мира для него не существуют, являются иллюзорными. Реальны для его восприятия то пространство, то время, та материя и та энергия, которые он наблюдает в своем сновидении. Если он не видит в своем сне Луну, то она для его спящего сознания не существует. Он не видит происходящих во время своего сна изменений реального мира.

Но, проснувшись, человек фиксирует произошедшие изменения как факт, как естественное продолжение реальности, существовавшей до сна: поезд проехал уже несколько станций – изменилось пространство; сосед по купе уже сошел с поезда, а на его месте появился новый – изменилась материя окружающего мира; когда он засыпал, большинство пассажиров в вагоне спало, а сейчас все суетятся, готовясь к выходу на конечной станции – изменилась энергия. Он складывает действительную картину окружающего мира по схеме «состояние мира до сна» – «состояние мира после сна», исключая из цепочки своего восприятия пункт «состояние мира внутри сна».