Платформа 9 3/4, путешествия во времени и крем Маргариты: какие сверхспособности реально работают с точки зрения науки
Фото: Sergey Nivens/Shutterstock/Fotodom
Современники считали чудачеством рассказ барона Мюнхгаузена о том, как он вытащил себя за волосы из болота. Сегодня большинство ценителей фильма “Тот самый Мюнхгаузен” скорее согласны с тем, что каждый мыслящий человек периодически должен себя встряхивать таким образом.
Могли ли со временем измениться научные представления в отношении других сверхспособностей человека, описанных в художественной литературе? KP.RU поговорил об этом с Глебом Федоровым старшим научным сотрудником лаборатории искусственных квантовых систем МФТИ.
1. ПРОХОДИМ СКВОЗЬ СТЕНЫ ВСЛЕД ЗА ГАРРИ ПОТТЕРОМ
Чтобы попасть на Платформу 9 и ¾, ведущую в волшебный мир Хогвартса, Гарри Поттер и его друзья проходили сквозь стену, разделяющую платформы 9 и 10 на железнодорожном вокзале Кингс-Кросс. Сейчас на этом месте красуется инсталляция, где багажная тележка с чемоданами наполовину ушла в стену.
Фото: GLOBAL LOOK PRESS.
Что мешает нам проходить сквозь стены в реальном мире? Первая мысль, которая приходит в голову - стены твердые! Но когда была открыта структура атома, эта мысль оказалась уже не такой очевидной. Вспомните, что нам о строении атома рассказывали на уроках физики в школе: в центре - крошечное ядро, оно в 100 00 раз меньше самого атома, а вокруг по орбите вращаются электроны. Представления о том, что атомы на 99,9 процентов состоят из пустого пространства, придерживался и знаменитый астрофизик популяризатор науки Карл Саган. Он говорил: “Большая часть массы атома сосредоточена в его ядре, электроны по сравнению с ним - всего лишь облака движущегося пуха. Атомы - это в основном пустое пространство. Материя состоит из пустоты.” Если материя состоит из пустоты, то что нас останавливает, когда мы в темноте не вписываемся в дверь?
Давайте разберемся. Только надо сразу сделать важную оговорку: устройство микромира на уровне атомов и частиц кардинально отличается от макромира, в котором мы живем. Чтобы представить устройство микромира (им управляют парадоксальные законы квантовой физики) надо отказаться от наших повседневных интуитивных представлений об окружающем нас мире физики классической.
- Идея о том, что в атомах много пустого пространства, не совсем верна, - говорит KP.RU Глеб Федоров. - Потому что она проистекает из представления о планетарной модели атома. На самом деле электрон не является маленьким шариком, который летает вокруг ядра по фиксированной орбите, он ведет себя квантовым образом - он и частица, и волна. Как частица он имеет массу и заряд, как волна он “размазан” в пространстве, у него нет определенного положения, он находится в “облаке вероятностей”.
Значит, попасть на Платформу 9 ¾ невозможно? Смотря о каком объекте идет речь - исходя из теории вероятность не равна нулю, объясняет Глеб Федоров. Существует такое явление, как квантовое туннелирование, при котором квантовая частица (например, электрон или протон) может преодолеть некий барьер, который с точки зрения классической физики является непреодолимым. В лаборатории Искусственных квантовых систем МФТИ эффект квантового туннелирования является ключевым, например, для создания и наблюдения «невозможных» в классическом понимании состояний: токов, текущих в кольце сразу и по, и против часовой стрелки или зарядов, одновременно находящихся и не находящихся на сверхпроводниковом островке. Такие причудливые состояния сейчас применяются для проведения совершенно новых и чрезвычайно интересных экспериментов с прототипами квантовых вычислителей (они используются в квантовых компьютерах - Ред).
Квантовое туннелирование действительно позволяет "проходить сквозь стены", но только для маленьких частиц и на ничтожно малые расстояниях. Для такой огромной и массивной системы, как человек, вероятность того, что все его атомы (а их насчитывается 10 в 27 степени) одновременно протуннелируют сквозь барьер, созданный стеной, крайне ничтожна. Физик-теоретик Брайан Грин подсчитал, если вы будете штурмовать стену с частотой колебаний атомов (10 в 34 степени раз в секунду) вам понадобится время, превышающее возраст Вселенной (около 10 в 18 степени секунд), чтобы сорвать этот квантовый джек-пот. При этом вероятность успеха все равно близка к нулевой.
- В лаборатории мы встречаемся с туннелированием, можно сказать, каждый день - говорит Глеб Федоров. - И, конечно, на уровне частиц “перемещения сквозь стену” давно используются в технике, например, во flash-памяти. В перспективе мы сможем научиться управлять состояниями макроскопических объектов - сначала молекул, а потом, возможно и микроорганизмов. Но туннелирование или телепортация, которую описывают в научной фантастике, хоть они и теоретически возможны, практически будут реализованы по меньшей мере очень и очень нескоро.
Наверное, для фанатов Гарри Поттера это благая весть. Чтобы проходить сквозь стены им надо просто изменить свою природу, как в анекдоте про зайцев, которым надо стать ежиками, чтобы их перестали есть волки. Теоретическое решение есть, осталось решить техническую сторону вопроса.
2. МАШИНА ВРЕМЕНИ УЖЕ РАБОТАЕТ В ВАШЕМ НАВИГАТОРЕ
Широкую известность эта конструкция получила с выходом романа Герберта Уэллса “Машина времени”. Описанное там устройство позволяет путешествовать в прошлое или будущее вопреки естественному ходу времени. В фантастической литературе возникло даже целое направление - хронофантастика. Возможно ли перемещаться во времени на самом деле?
- То, что путешествия в отдаленное будущее возможны - это доказанный научный факт, он вытекает из специальной теории относительности Эйнштейна, - говорит Глеб Федоров.
В рамках этой теории есть такой мысленный эксперимент “парадокс близнецов”, он наглядно показывает, что для людей, движущихся с разными скоростями, время течет по-разному. Допустим, близнец А остается на Земле, а близнец Б отправляется в межзвездное путешествие со сверхвысокой скоростью. В этом космическом корабле время замедляется, и когда Близнец Б вернется на Землю, он окажется моложе своего брата. Этот эффект экспериментально доказан и даже используется в GPS-навигации.
Дело в том, что качество работы автомобильных навигаторов, Яндекс и Google карт, критически зависит от точности атомных часов, которые используют системы спутниковой навигации GPS и ГЛОНАСС. Спутники находятся на высоте около 20 000 км и движутся со скоростью примерно 14 000 км/ч (около 4 км/с). Как и предсказывает теория Эйнштейна, время на спутниках и на Земле течет не одинаково (на спутнике часы отстают примерно на 7 микросекунд в день). Если бы замедление времени не учитывалось, то погрешность в определении вашего местоположения за одни сутки достигала бы 2 километров.
Что касается путешествия в прошлое, то здесь у нашего эксперта гораздо меньше оптимизма, поскольку замедлить время теоретически возможно, но перейти в «отрицательную область» - маловероятно. По крайней мере, это верно для той части Вселенной, где работает традиционная физика. Как ведет себя материя в таких экзотических объектах, как черные дыры, мы еще не знаем. Правда, Нобелевский лауреат-2017 по физике Кип Торн считал, что черные дыры могут быть использованы для перемещения во времени. Во всяком случае, это было показано в фильме “Интерстеллар”, где он был научным консультантом.
Фото: PeterPhoto123/Shutterstock/Fotodom
- Наши знания об этом крайне скудны, - говорит Глеб Федоров. - Мы лишь недавно получили первые фотографии черных дыр, которые могут играть роль таких червоточин - гипотетических туннелей в пространстве-времени, которые соединяют две отдаленные точки Вселенной. Согласно нашим сегодняшним представлениям, все, что падает в черное дыру - гибнет. Поэтому шансы переместится во времени через мясорубку черной дыры, возможно есть, а шансов выжить - нет.
3. ЧЕЛОВЕК-НЕВИДИМКА ИЛИ КРЕМ МАРГАРИТЫ
Невидимость - это, наверное, самая неоднозначная из сверхспособностей. С одной стороны, она дает безграничную свободу - визы, паспортный контроль, “посторонним вход воспрещен” - все это не имеет значения для человека-невидимки. С другой стороны, безграничную свободу легко использовать во зло. Герой знаменитой повести Герберта Уэллса планировал создать царство террора. Да и Маргарита Михаила Булгакова, обретя невидимость, первым делом разнесла квартиру критика Латунского, что тоже является уголовно наказуемым деянием, хотя в душе мы понимаем мотивы поступка разгневанной женщину.
- Сегодня невидимость в радиодиапазоне мы уже можем обеспечить, - говорит Глеб Федоров. - Такие исследования имеют практическое применение в военной сфере, с их помощью можно сделать самолет, который не видят радары. А вот невидимость в оптическом диапазоне - это гораздо более сложная задача. Дело в том, что у радиоволн длина достаточно большая и здесь проще найти метаматериалы, которые имеют отрицательный показатель преломления. А когда мы имеем дело с видимым светом, то длина волны составляет уже нанометры, в этом случае найти решение не так просто.
Впрочем, некоторые исследователи добиваются удивительных результатов в этой области. Например, ученые Стэнфордского университета сделали кожу мыши прозрачной, втирая в нее пищевой краситель с добавлением светопоглощающих молекул. В результате экспериментаторы могли разглядеть, как функционируют внутренние органы грызуна и пульсирует кровоток в мозге животного.
- Самое интересное, как только мы смыли краситель водой и помассировали кожу, она в течение нескольких минут вернулась в свое обычное состояние, - говорит Госун Хун, ведущий автор исследования.
Ученые считают, что такой подход может упростить диагностику заболеваний и заменить целый ряд дорогостоящих исследований - компьютерную томографию, УЗИ, рентгеновские снимки. Доктор может своими глазами увидеть, что у вас болит внутри, сделав вашу кожу прозрачной с помощью чудо-крема.
Что касается свободы, то ее в наши дни, скорее, может обеспечить цифровая невидимость. Но добиться этого в цифровом обществе задача, наверное, еще более сложная, чем создать крем Маргариты.
СЛУШАЙТЕ ТАКЖЕ