Куда науку не пускает наука
Поглядывая на современные исследования в науке, можно отметить красноречивую закономерность: чем глубже мы изучаем строение и законы окружающего мира, тем больше встречаем препятствий в этой работе. Вот только теперь они уже не имеют отношения к технологии, как раньше. В прежние века можно было построить телескоп (или микроскоп) получше, и получить новые данные. Сегодня мы узнали новые данные: они заключаются в том, что многие вещи мы узнать не можем в принципе.
Речь идёт уже не о технологической недостаточности, а о фундаментальной невозможности, заложенной в базовых законах Вселенной. Наши открытия становятся в какой-то мере и «закрытиями».
Вот мы точно установили, что из всей бесконечной Вселенной нам доступна только «метагалактика» - часть Вселенной, находящейся в радиусе не более 46 млрд. световых лет. Всё, что находится за этими пределами, очень даже существует, но для нас недоступно в принципе, по фундаментальным законам природы.
Кстати, не надо думать, что 46 млрд. световых лет - это много. По космическим меркам - довольно скромный радиус. Ближайшая к нам галактика находится на расстоянии около 3 млн. световых лет. А всё, что находится в 15 тысяч раз дальше, мы уже никогда не увидим, не узнаем, не получим никакой информации. Ничего личного, просто законы физики.
Это даже не проблема более мощных телескопов или новых технологий. Это просто вопрос расстояния и времени.
Злой космос
Первый наш радиус - это сфера Хаббла. Вселенная расширяется, и расширяется неравномерно. Чем дальше от нас объекты, тем быстрее они от нас удаляются. Сфера Хаббла определяет расстояние, за пределами которого объекты удаляются быстрее скорости света, а, значит, никакое воздействие от них - включая гравитационное - никогда нас не достигнет.
Хотя, есть нюанс: сфера Хаббла сама расширяется вместе со Вселенной. Так что в её радиус начинают попадать новые объекты.
Поэтому есть второй радиус - горизонт частиц, он же наблюдаемая Вселенная, «метагалактика». Он очерчивает область излучений - хоть гравитационных, хоть электромагнитных - которые никогда не достигнут первого радиуса, сферы Хаббла.
И этот горизонт частиц очерчивает окончательную фундаментальную границу для нашего любопытства. Заглянуть за него нельзя не потому, что телескопы слабые или технологии недостаточные, а потому что таков закон мироздания.
46 млрд. световых лет - такова наша «метагалактика», длина носа человечества. Непреодолимая по законам природы величина.
Хотя можно и не ходить так далеко: даже в пределах доступной нам теоретически области, в некоторые зоны мы опять же не можем сунуть нос. И опять же - не по причине плохой аппаратуры, а по законам физики.
Злые «чёрные дыры»
В «чёрные дыры» мы не заглянем никогда. И дело отнюдь не в том, что пределы их горизонта событий не может покинуть свет. Дело в том, что само понятие горизонта событий понимают слишком поверхностно. А ведь это не геометрическая граница, не сфера фиксированного диаметра. Это пространственно-временная граница - вот о чём обычно не помнят.
На горизонте событий время просто перестаёт идти. Всё, что попадает в «чёрную дыру», все, что уходит за её горизонт событий - уходит туда ОДНОВРЕМЕННО. Для нас это лишено смысла, потому что «чёрная дыра» просто не принадлежит нашему пространственно-временному континууму. То, что ВНУТРИ - просто не часть нашей Вселенной.
Эту границу - горизонт событий - ещё ничто и никогда не преодолевало. Причём, ни в одну из сторон.
Это не ошибка - ни в одну «чёрную дыру» ещё не попадал ни один атом материи и ни один квант излучения, НИКОГДА.
Слухи о «прожорливости» «чёрных дыр» преувеличены. На самом деле проникнуть в них ещё ничто не смогло. Но тут надо сделать разъяснение.
С точки зрения стороннего наблюдателя - то есть, с точки зрения всей Вселенной - любой объект падает в «чёрную дыру» бесконечно долго. Это, разумеется, связано с тем, как гравитация искажает пространство и время.
У горизонта событий время просто останавливается, а это значит, что достичь его невозможно.
Со стороны это выглядит как бесконечно замедляющееся приближение любого объекта к горизонту событий - приближение асимптотическое, потому что из-за замедления времени (и полной его остановки на самом горизонте) достигнуть его невозможно.
При этом в процессе падения изменяются свойства падающего тела - с точки зрения стороннего наблюдателя, опять же. Его излучение бесконечно смещается в красную область - сперва, покидая видимый спектр, потом уходя из ИК-спектра, и в итоге даже радиоволны, в которые превращается излучение, перестают фиксироваться потому, что их длина устремляется к бесконечности.
Любой объект бесконечно долго и бесконечно близко приближается к горизонту событий, никогда его не пересекает, но постепенно исчезает с любых радаров, становится невидим и необнаружим.
Всё это - с точки зрения стороннего наблюдателя, то есть - всей остальной Вселенной. Все объекты, когда-либо захваченные «чёрной дырой», с точки зрения Вселенной так никогда и не упали туда. Они до сих пор продолжают приближаться к горизонту событий, находясь к нему бесконечно близко, но не пересекая его. Таков эффект остановившегося времени.
Остановившееся время - идеальный барьер, который «вырезает» во Вселенной «дыру», которая… просто не существует.
Туда ничего не может попасть. И оттуда к нам ничего не может попасть. Всё одновременно висит у поверхности «чёрных дыр», вблизи горизонта событий, никогда его не пересекая. Но это с точки зрения Вселенной. С точки зрения падающего объекта - всё веселее.
Есть одно популярное определение: «время - это то, благодаря чему события не происходят все одновременно». Так вот, за горизонтом событий «чёрной дыры» всё происходит одновременно. Всё, что когда-либо падало в «чёрную дыру», падает туда одновременно, как бы ни трудно было себе это представить.
Впрочем, это лишь слова, которые маскируют истину: никто не знает, что там происходит. Это фундаментально невозможно - узнать, что там.
С точки зрения Вселенной туда невозможно попасть. Туда вообще никогда и ничего не попадало. Хотя с точки зрения любого падающего объекта, попасть туда можно - можно стать частью ТОГО пространственно-временного континуума. Но только - навсегда выпав из НАШЕГО. Для нас в принципе не существует всё то, что находится за горизонтом событий «чёрной дыры». Ключевые слова тут - «для нас».
ДЛЯ НАС не существует всё то, что находится за горизонтом частиц нашей «метагалактики». ДЛЯ НАС не существует всё то, что находится за горизонтом событий «чёрных дыр». Хотя теоретически всё это существует - просто НЕ ДЛЯ НАС. Мы туда никогда не влезем, мы обо всём этом никогда не узнаем. Ничего личного, просто законы мироздания. Это даже не вопрос наших усилий, инструментов или технологий.
Злая квантовая механика
Но эти ограничения хотя бы не выглядят издевательством. Они есть, они понятны, можно считать их досадными, но нет ощущения, что над нами глумятся. А вот в мире элементарных частиц, куда человек тоже сунул свой нос, нас троллят так жёстко, что самый злобный интернет-тролль может пойти и нервно покурить в сторонке.
Чемпионство по троллингу принадлежит, конечно, принципу неопределённости Гейзенберга, который гласит, что нельзя точно знать характеристики квантовых объектов. Если мы точно узнаем их координаты и скорость, то никогда не будем знать, в какой момент времени они будут ими обладать. А если точно определим время, то не будем знать, где находится квантовый объект, и с какой скоростью движется.
Так называемые «умные люди» сразу решили, что они легко «хакнут» этот закон природы. Обойдут принцип неопределённости и установят всё, что им надо. И тут природа жестоко поглумилась над нашим самомнением.
Был знаменитый эксперимент, подтверждавший концепцию корпускулярно-волнового дуализма элементарных частиц. Сомнений в том, что электрон - это частица, не было ни у кого, поэтому решили проявить его волновые свойства. Для этих целей вспомнили классический опыт из оптики: свет пропускают через две узкие щели, и на выходе получают картину интерференции. Световые волны то накладываются друг на друга в одной фазе, усиливая амплитуду, то в противофазе, что амплитуду гасит. В итоге классическая картина интерференции - светлые и тёмные полосы, обозначающие зоны взаимного усиления или взаимного ослабления световых волн.
Так же поступили и с электронами: разогнали, пустили пучок электронов через две щели, получили на выходе такую же точно картинку интерференционного распределения. Все рады, ура.
Но радость была недолгой: быстро вспомнили, что для хорошей картины интерференции свет должен быть когерентным: иметь одну частоту излучения хотя бы.
А кто заботился о когерентности потока электронов? Правильно, никто. Их поток не был когерентным. Однако в таком случае не должна была и картина интерференции возникнуть. Но она существовала - объективно, нахально наглядным образом имела место быть.
Тут как раз и вспомнили о принципе неопределённости Гейзенберга. И сделали хорошее предположение:
если квантовый объект находится в состоянии квантовой неопределённости, то теоретически это означает, что он ОДНОВРЕМЕННО проходит через обе щели.
Медленно:
Один электрон пролетает одновременно через обе щели. И после этого сам с собою интерферирует.
Точка в спорах была поставлена тогда, когда научились пулять электроны строго по одной штуке. До этого были ещё какие-то надежды, но когда один единственный выпущенный электрон давал картину интерференции, а значит - пролетал через ОБЕ щели - все надежды рухнули.
Это сочеталось с теорией и законами, это сочеталось с практическими результатами экспериментов, но не сочеталось только с одним: с человеческой логикой. Проще говоря, крышу тогда сорвало у всех.
То есть все знали - в теории - что есть принцип неопределённости Гейзенберга. Но никогда не думали, что он столь глумливо проявится. Эмоциональный хомо сапиенс не мог не принять челлендж, и решил любой ценой «хакнуть» эту систему. Доказать, что его - наша - логика сильнее всяких там квантовых неопределённостей. И начали «копать» под злоехидные электроны.
Сперва решили возле одной из щелей установить измеряющую аппаратуру. Коварная задумка была такова: если электрон пролетит через эту щель, то мы его засечём, а если нет - то мы никак ему не помешаем, но будем точно знать, что он пролетел через ДРУГУЮ щель. И сумеем хакнуть принцип неопределённости.
Электрон в ответ лишь глумливо похихикал. Люди оказались правы, но только наполовину: когда электрон пролетал через отслеживаемую щель, то картина интерференции пропадала, а электрон фиксировался. А вот вторая половина случаев снова снесла всем крышу.
Дело в том, что даже когда электрон пролетал через ДРУГУЮ щель, а не ту, которая отслеживалась, то картина интерференции всё равно пропадала. Выглядело так, словно некий невидимый брат-близнец электрона, который должен был пролетать через вторую щель, когда сам электрон пролетал через первую, успевал ему сообщить: «Братан, шухер! За нами следят! Не вздумай выдавать картину интерференции, а не то СПАЛИМСЯ !!!»
Тут даже не работало объяснение, что «наблюдатель и измеритель вносит искажения в то, что он наблюдает и измеряет». Потому что если электрон летел через другую щель, то очевидно, что воздействию он не подвергался.
Но этот поганец-электрон всё равно каким-то чудом узнавал, что за ним «следят», и отказывался давать интерференцию.
От такого троллинга физики натурально обалдели. Они, конечно, знали, что ПО ЗАКОНАМ ПРИРОДЫ не могут узнать то, чего узнать нельзя, но совсем не думали, что мироздание ТАК НАГЛО будет плевать на логику человека и его представления о том, как может или не может быть.
Не пережив поражения, физики затеяли матч-реванш. Они решили, что если электрону дать провернуть его «фокус» с одновременным прохождением через обе щели, то он никуда уже не денется - даст картинку интерференции, признак того, что пролетел именно через две щели ОДНОВРЕМЕННО, а потом уже можно будет ловить его «с поличным».
По привычной нам логике, можно считать, что в первый раз не удалось поймать взяточника В МОМЕНТ получения взятки, поэтому решили сделать иначе: сначала дать ему взятку получить, а уже потом схватить его С ДЕНЬГАМИ НА РУКАХ. Нормальная логика.
Измерительную аппаратуру поставили не ПЕРЕД одной из щелей, а ЗА нею. То есть электрону давали СНАЧАЛА пролететь одновременно через обе щели, а потом его «ловить на горячем» - там уж он не отвертится.
Ха. Ха. Ха. Природа изобразила самый злобный trollface, и выкинула такой фокус, от которого у физиков мозги просто закипели.
Сначала всё шло хорошо: электрон как обычно пролетал через обе щели одновременно и сам с собой интерферировал. Как он это делает - этого уже даже не пытались понять. Хотели просто ФОРМАЛЬНО подловить зловредный электрон на том, что он РЕАЛЬНО всё это проделывает. Но не тут-то было.
Электрон снова повёл себя так же. Вот только означало это уже совсем другое. Что он, пролетев ОДНОВРЕМЕННО через обе щели, обнаруживал за ними оборудование. А обнаружив, строил машину времени и улетал назад в прошлое, а там уже снова проходил, но только через одну из щелей.
Учёные сдались.
Да, электрон ОДИН. Совершенно один, без ансамбля. Но проходит ОДНОВРЕМЕННО через две разные точки пространства так, словно его ДВА. А после этого ещё и сам с собой взаимодействует так, словно его два экземпляра. А вот подловить себя на этом фокусе он не позволяет.
Не даёт человеку узнать то, что человек НЕ МОЖЕТ узнать - просто по фундаментальным законам мироздания не может. Дело снова не в аппаратуре и не в методах.
Злое мироздание
Подводя итог, можно уже всерьёз опасаться, что в ходе дальнейших исследований мы на некоторых объектах будем встречать таблички с надписями вроде:
"Исследовать запрещено. Бог"
Впрочем, не так уж важно, кто или что именно будет запрещать.
Важно, что открываемые запреты уже становятся неотъемлемой частью открытий. Мы, так сказать, "открываем закрытия".
И это весьма неожиданный результат развития науки.