Квантовый апокалипсис

За последний месяц миру были предъявлены результаты трех интересных исследований по взаимодействию квантового и классического миров. Как водится, самое впечатляющее предположение - возможно, астрономические наблюдения значительно сократили срок жизни Вселенной - является и самым сомнительным.

Три заявления

Австрийские физики Йоханнес Кофлер (Johannes Kofler) и Часлав Брукнер (Caslav Brukner) утверждают, что область применения удивительных и странных законов квантовой физики не ограничивается, как обычно считается, микромиром. По мнению исследователей, многое в привычном нам макромире также должно описываться не классической физикой, а квантовой. Мы этого не чувствуем из-за недостаточной точности наших измерений.

Группа ученых из Германии, США, Испании и России под руководством Рейнхарда Дернера (Reinhard Doerner) утверждает, что ей удалось уточнить условия, при которых электрон переходит от квантового поведения к классическому. Для этого достаточно, например, всего лишь присутствия рядом другого электрона.

Наконец, американские физики Лоуренс Краусс (Lawrence Krauss) и Джеймс Дент (James Dent) делают самое неожиданное предположение: наблюдение астрономами темной энергии в 1998 году, возможно, привело к тому, что вероятность "конца света" (второго Большого взрыва) многократно выросла. Это не главный вывод их работы, а лишь один из открытых вопросов, которые они перечисляют в конце, но именно он вызвал наибольшее внимание общества.

Ниже мы подробно рассмотрим предположение Краусса (читатель, заинтересовавшийся первыми двумя работами, может воспользоваться ссылками в конце статьи). За упрощенными объяснениями основных используемых понятий отсылаем читателя к статье "Квантовый ликбез".

Темная энергия

Традиционная теория считает, что наша Вселенная возникла примерно 13,7 миллиарда лет назад в результате так называемого Большого взрыва. С тех пор Вселенная постоянно расширяется: как было обнаружено в 1929 году американским астрономом Эдвином Хабблом, все галактики удаляются друг от друга.

До последнего времени было неизвестно, с постоянной ли скоростью происходит расширение. Предполагалось, что оно замедляется за счет гравитационного взаимодействия разбегающихся галактик.

В 1998-99 годах, однако, две международные группы астрономов-наблюдателей (одной руководили Брайан Шмидт и Адам Райес, другой - Сол Перлмуттер) убедительно показали, что Вселенная расширяется с ускорением. Это означает, что есть какая-то сила, расталкивающая галактики, - условно говоря, "антитяготение".

Предполагается, что антитяготение создается не обычным веществом и даже не темной материей, а особой космической энергией, в которую погружены все галактики. Как правило, ее называют темной энергией (dark energy).

Краусс придерживается гипотезы, что при Большом взрыве значительная часть существовавшей на тот момент в особой форме энергии перешла в материю, что и положило начало привычной нам Вселенной. Однако открытие темной энергии показывает, что часть первичной энергии не перешла в материю (говоря немного точнее, высокоэнергетичный "ложный вакуум" перешел не в обычный вакуум с нулевой энергией, а в другой "ложный вакуум" с меньшей, но ненулевой энергией).

По мнению Краусса, это означает, что оставшаяся темная энергия тоже может в любой момент перейти в материю. Второй Большой взрыв уничтожит привычную нам Вселенную. Произойдет ли он - зависит от случая (можно сравнить Вселенную с атомом радиоактивного вещества: в любой момент может распасться, но распадется или нет - дело случайное). Краусс считает темную энергию квантовой системой, находящейся в не самом устойчивом состоянии. Соответственно, мы живем "на вулкане", причем начнется ли его извержение, от нас, казалось бы, совершенно не зависит.

Квантовый эффект Зенона

Один из удивительных законов квантового мира - квантовый эффект Зенона (иногда называется квантовым парадоксом Зенона) - сначала предсказал в 1958 году советский физик Леонид Халфин, а затем в 1978 году - американские физики Байдьянат Мизра и Джордж Сударшан. В девяностых годах эффект был подтвержден экспериментально.

Эффект состоит в следующем: наблюдение за нестабильной частицей (проверка, распалась ли она) вызывает замедление ее распада. Непрерывное наблюдение должно привести к тому, что нестабильная частица вообще не распадется.

В квантовом мире любое измерение оказывает влияние на измеряемую систему, даже простое наблюдение "возмущает" ее. Иными словами, в квантовой механике невозможно измерить что-либо и при этом не изменить его свойства. Эффект Зенона (о нем можно почитать, например, статью Р. Ведринского или запись доклада самого Халфина) сводится к тому, что если частица намеревается распасться, то наблюдение возвращает ее в исходное квантовое состояние или состояние, очень близкое к исходному. После этого частица, разумеется, снова может распасться - вероятность этого такова же, какой была в исходном состоянии.

Именно квантовым эффектом Зенона Краусс объясняет свою гипотезу.

Казалось бы, при чем тут приближение конца света? Ведь эффект Зенона говорит об обратном: чем чаще наблюдаешь, тем медленнее идет распад. Дело в том, что, как показал еще Халфин, если нестабильная квантовая система просуществовала достаточно долго (очень долго), то ее вероятность уцелеть резко возрастает.

Иными словами, есть некоторая критическая точка, после которой вероятность распада становится значительно меньше. Так вот наша Вселенная (точнее, та ее часть, которую составляет темная энергия), по мнению Краусса и Дента, эту критическую точку уже миновала.

Но! В 1998 году астрономы измерили свет от далеких объектов - и обнаружили темную энергию. Краусс считает, что это могло привести к срабатыванию эффекта Зенона: квантовая система подверглась наблюдению и измерению, а значит, вернулась в исходное состояние. Соответственно, вероятность второго Большого взрыва многократно возросла.

Достоверность

Статья Краусса и Дента (препринт выложен на arxiv.org) пока не опубликована ни в одном рецензируемом журнале. Напомним еще раз, что суть работы - общий анализ динамики распада "ложного вакуума", а вовсе не вывод о том, что астрономические наблюдения погубят Вселенную.

В популярной статье, появившейся в журнале NewScientist, акценты расставлены скорее именно эсхатологическим образом. К чести NewScientist заметим, что в статье приводится и мнение ученых, несогласных с Крауссом (точнее, считающих, что ответ на вопрос Краусса очевиден и отрицателен). Так, Макс Тегмарк из Массачусетсского технологического института говорит, что Вселенная "наблюдала" темную энергию задолго до появления человека как вида - ведь галактики подвергались ее воздействию и тем самым получали информацию о ней. Тот факт, что мы зафиксировали свет от этих галактик, повлиял лишь на наше знание и ни на что более.

Действительно, суть эффекта Зенона, как и других особенностей измерений квантовых систем, связана с тем, что измерение, проводимое над квантовой системой (как правило, микрочастицей), представляет собой конечное по величине реальное воздействие измерительного прибора на частицу, которое и изменяет ее свойства. Неясно, как измерение земными приборами света, излученного далекими объектами миллионы лет назад, могло повлиять на эти объекты или на Вселенную в целом.