Физика невозможного: Телепортация

Телепортация, или способность мгновенно перемещать людей и предметы из одного места в другое может легко изменить направление развития цивилизации и вообще весь мир.

Например, телепортация раз и навсегда изменила бы принципы ведения войны, сделала бы все средства передвижения ненужными и самое приятное: отпуска перестали бы быть проблемой. Ну кому не хочется иметь свой личный телепорт у себя дома?

Наверное, именно по этой причине эта способность является самой желанной у человечества. Разумеется, эту мечту воплотить в реальность рано или поздно придётся именно физике. Ну так давайте посмотрим что у человечества уже есть в наше время?

Я бы хотел начать с цитаты известного учёного:



Телепортация по Ньютону

В рамках теории Ньютона телепортация просто невозможна. Законы Ньютона базируются на представлении о том, что вещество состоит из крошечных твердых бильярдных шариков. Объекты не приходят в движение, если их не толкнуть; объекты не исчезают и не появляются заново в другом месте. Но в квантовой теории частицы способны проделывать именно такие фокусы.

Ньютоновская механика продержалась у власти 250 лет и была свергнута в 1925г., когда Вернер Гейзенберг, Эрвин Шрёдингер и их коллеги разработали квантовую теорию. В общем, если и телепортация когда-нибудь и будет реализована, то благодаря Квантовой теории. Поэтому давайте рассмотрим её поподробнее.

Квантовая теория

Одно из самых важных уравнений в телепортации — это волновое уравнение Шрёдингера(см. фото). Пожалуй, имеет место рассказать о том, как оно появилось. Как-то Эрвин читал лекцию об интересном феномене, в котором говорилось о том, что электроны ведут себя также, как и волны. Один из присутствовавших в зале коллег-физиков Питер Дебай задал вопрос: «Если электрон можно описать как волну, то как выглядит его волновое уравнение?»

К тому моменту, благодаря Ньютону, все уже знали дифференциальное исчисление, физики описывали любую волну на языке диф. уравнений. Поэтому Шрёдингер воспринял этот вопрос как вызов и решил разработать подобное уравнение для электрона. И он сделал это, как когда-то Максвелл вывел свои уравнения для полей Фарадея, Шрёдингер вывел уравнение для волны де Бройля(так назвали электронную волну).



Но не всё так просто. Если электрон описывается, как волна, то что же в нём колеблется? Ответом в настоящее время считается следующий тезис Макса Борна: эти волны представляют собой не что иное, как волны вероятности. То-есть электрон — это частица, но вероятность обнаружить эту частицу задаётся волной де Бройля. Получается, что внезапно в самом центре физики — науки, которая прежде давала нам точные предсказания и подробные траектории любых объектов, начиная с планет и комет и заканчивая пушечными ядрами, — оказались понятия шанса и вероятности! Отсюда появился принцип неопределённости Гейзенберга: невозможно знать точную скорость, точное положение электрона и его энергию в один и тот же момент. На квантовом уровне электроны могут делать совершенно невообразимые вещи: исчезать, потом снова появляться, быть в двух местах одновременно. Ну а теперь перейдём непосредственно к телепортации.

Телепортация и квантовая теория

Когда у людей спрашивают: «Как Вы представляете себе процесс телепортации?», большинство говорят, что они должны сесть в какую-нибудь специальную кабину, похожую на лифт, которая унесёт их в другое место. Но некоторые представляют себе это иначе: с нас собирают информацию о положении атомов, электронов и т.п. в нашем теле, всю эту информацию передают в другое место, где, воспользовавшись этой информацией, вас собирают заново, но уже в другом месте. Этот вариант пожалуй невозможен из-за принципа неопределённости Гейзенберга: мы не сможем узнать точное расположение электронов в атоме. Однако этот принцип можно преодолеть благодаря интересному свойству двух электронов: если два электрона первоначально колеблются в унисон(такое состояние называют когерентным), то они способны сохранить волновую синхронизацию даже на большом расстоянии друг от друга. Даже если эти электроны будут находится на расстоянии световых лет. Если с первым электроном что-то произойдёт, то информация об этом будет немедленно передана другому электрону. Это явление называется квантовой запутанностью. Пользуясь этим явлением физики за прошедшие годы смогли телепортировать целые атомы цезия, а скоро, возможно, смогут телепортировать молекулы ДНК и вирусы. Кстати, доказать принципиальную возможность телепортации математически удалось в 1993г. учёным из IBM под руководством Чарльза Беннетта. Так что они не только процессоры делать умеют, если кто не знал :)

В 2004 году физики Венского университета сумели телепортировать частицы света на расстояние 600м под рекой Дунай по оптоволоконному кабелю, установив таким образом новый рекорд расстояния. В 2006 году впервые в подобных экспериментах был задействован макроскопический объект. Физики из института Нильса Бора и института Макса Планка сумели запутать луч света и газ, состоящий из атомов цезия. В этом событии участвовали многие триллионы атомов!

К сожалению, использование подобного метода для телепортации твёрдых и относительно больших объектов ужасно неудобно, поэтому скорее всего быстрее разовьётся телепортация без запутывания. Разберём её ниже.

Телепортация без запутывания

Исследования в этой области стремительно набирают ход. В 2007 году было сделано важное открытие. Физики предложили метод телепортации, не требующий запутывания. Ведь это наиболее сложный элемент квантовой телепортации и если удастся его не использовать, то удастся избежать много сопутствующих проблем. Итак, вот в чём суть этого метода: учёные берут пучок атомов рубидия, переводят всю его информацию в луч света, посылают этот луч по оптоволоконному кабелю, а затем воссоздают первоначальный пучок атомов в другом месте. Ответственный за это исследование доктор Астон Брэдли назвал этот метод классической телепортацией.

Но из-за чего данный метод возможен? Он возможен из-за недавно открытого состояния вещества "конденсат Бозе-Эйнштейна", или КБЭ(На изображении слева он раскручен в эллипсоидной ловушке). Это одна из самых холодных субстанций во всей Вселенной. В природе самую низкую температуру можно обнаружить в космосе: 3 Кельвина, т.е. на три градуса выше абсолютного нуля. Это благодаря остаточной теплоте Большого взрыва, которая до сих пор заполняет Вселенную. Но КБЭ существует от одной миллионной до одной миллиардной градуса выше абсолютного нуля. Такую температуру можно получить только в лаборатории.

Когда вещество охлаждают до состояния КБЭ, все атомы сваливаются на самый низкий энергетический уровень и начинают вибрировать в унисон(становятся когерентными). Волновые функции всех этих атомов перекрываются, поэтому в каком-то смысле КБЭ напоминает гигантский «сверхатом». Существование этого вещества предсказали ещё Эйнштейн и Шатьендранат Бозе в 1925г., но этот конденсат был открыт только в 1995 в лабораториях Массачусетского технологического института и Университета Колорадо.

Итак, теперь рассмотрим сам принцип телепортации с участием КБЭ. Сначала набираются суперхолодная субстанция из атомов рубидия в состоянии КБЭ. Затем на это КБЭ направляются обычные атомы рубидия, электроны которых также начинают падать на самый низкий энергетический уровень, испуская при этом кванты света, которые в свою очередь передаются по оптоволоконному кабелю. Причём, этот луч содержит всю необходимую информацию для описания первоначального пучка вещества. Пройдя по кабелю, световой луч попадает в уже другой КБЭ, который превращает его в первоначальный поток вещества.

Учёные считают этот метод чрезвычайно многообещающим, но есть и свои проблемы. Например КБЭ очень сложно получить даже в лаборатории.

Вывод

Можем ли мы сказать с учетом всего уже достигнутого, когда мы сами получим эту удивительную способность? В ближайшие годы физики надеются телепортировать сложные молекулы. После этого несколько десятилетий наверняка уйдёт на разработку способа телепортации ДНК или, может быть, какого-нибудь вируса. Однако технические проблемы, которые необходимо будет преодолеть на пути к подобному достижению, поражают воображение. Скорее всего пройдёт немало столетий, прежде чем мы сможем телепортировать обычные предметы, если это вообще возможно.


Используемый материал: Митио Каку «Физика невозможного»