Телепортация. От «Звездного пути» к реальности

Телепортация — обычное мероприятие в фантазиях писателей, но насколько это реализуемо в жизни? В фантастических историях, таких как «Звездный путь», технологии легко справляются с мгновенным перемещением любой материи. Но какая технология скрывается за этим? Так ли проста для воплощения на практике эта идея? Возможность перемещаться на огромные расстояния, не используя авиасообщение или железнодорожный транспорт, выглядит соблазнительно. Если проблемы на дорогах, полёты на другой конец света и на орбиту уйдут в прошлое, разве это не достаточная причина, чтобы поближе взглянуть на научную основу телепортации? Физика перемещения — банальность в мире фантазий, в нашей реальности превращается в почти недосягаемое событие.

Телепортация в стиле Star treck.

Всё, что требуется, это встать на платформу, или войти в какую-то кабину, где происходит трансформация материи, а спустя некоторое время она материализуется в другом месте. Луч телепортера (аппарата телепортации) работает в условиях вакуума, проходит свободно сквозь стены и действует на бесконечные расстояния. Звучит неплохо! Но что же, тем не менее, скрывается за формулировками, кажущимися такими простыми и понятными? Можно ли попытаться создать техническое руководство на основе данных из фантастического сериала? Тем более, что как таковое, оно наличествует на борту космического корабля Discovery.

Как и в случае с другими технологиями, использованными в сериале, продюсеры пытались подкрепить телепортацию научным объяснением. «Сначала человек сканируется атом за атомом, затем материя преобразуется в энергию», — объясняет главный дизайнер и советник сериала «Звёздный путь», Майкл Окуда. «Энергия излучается в другое место и материализуется обратно в материю». Однако в одном из технических руководств корабля говорится о материальном характере потока. Это идет поток молекул неких веществ? Хотя, как у передачи энергии, так и молекул, были бы свои недостатки и преимущества.

Если бы технология телепортации соответствовала объяснениям Окуда, последствия были бы мало обнадеживающими. Объект преобразуется в энергию и отправляется к месту назначения… Преобразование самого себя в энергию выглядит самоубийством. Но и распыление на «молекулы» предполагает не лучшие перспективы.

Кроме прочего, возникает метафизический вопрос. Если процесс трансформации подразумевает сканирование человека в исходной точке, чтобы позже восстановить, будет ли реконструкция тем же самым объектом, или это будет копия? В некоторых эпизодах «Звёздного пути» неисправности телепортера приводят к тому, что героев фактически копируют, а не перемещают. В некоторых случаях копии похожи внешне, но во всех ли аспектах своей природы? Что делать с двойником? Что происходит с оригиналом?

Проблема энергии при телепортации.

Формула Эйнштейна E = mc² показывает, что преобразование материи может высвободить огромное количество энергии. Как, например, взрыв атомной бомбы. Каждое ядро урана, при ядерном делении, превращает в энергию только около одной пятой массы протона, однако этого достаточно, чтобы разрушать города. Преобразования человека в энергию — это не только взрывоопасная затея. Да и непонятно о каком типе энергии идёт речь.

Помимо трансформации, также существует проблема энергетических затрат. «Телепортация человека, атом за атомом, в виде чистой энергии, потребовало бы тысячи водородных бомб», — заявляет физик, автор книги «Физика Звездного пути», Лоуренс Краусс. Такое количество энергии — не простая и опасная задача. Подобная технология будет требовать колоссальное количество энергии. И это оказывается одним из фундаментальных вопросов, который будет преследовать человека на каждом шагу.

Проблема иатериии.

Телепортация, как поток материи, выглядит безопаснее, чем превращение в чистую энергию. Согласно описанию из технического руководства, телепортер перемещает материю в виде потока частиц. Это имело бы то преимущество, что объект обратно собирается из исходного материала. Он был бы идентичен по атомному составу.

Согласно описанию, поток материи состоит из несвязанных субатомных частиц. Проблема в том, что атомные связи одни из самых сильных. Силы, удерживающие вместе протоны и нейтроны в атомном ядре, в миллионы раз сильнее, чем энергия связей в химических реакциях.

По выводам Краусса, чтобы разложить человека на нейтроны, протоны и электроны, потребуется энергии как минимум сотни водородных бомб. Что бы добиться уровня кварков, придётся нагреть человека до более чем триллиона градусов — примерно до температуры Вселенной вскоре после Большого взрыва.

Усорение частиц.

Ускорение частиц снова требует энергии. Чтобы придать потоку субатомных частиц скорости света, энергии необходимо не меньше, чем для трансформации. Теория относительности Эйнштейна гласит, что масса и ускорение тесно связаны. Чем быстрее — тем больше массы, соответственно, тем больше энергии требуется использовать.

Например, ускоритель элементарных частиц (LHC) демонстрирует, что в принципе возможно довести материю до скорости света. В ускорителе протоны ускоряются почти до скорости света, однако для этого необходимы большие энергетические ресурсы. Чтобы «передать» только небольшую часть человеческого тела в виде протонов, нейтронов и электронов, чуть ниже скорости света, потребуется на много больше энергии.

Информационный поток данных.

Поскольку передача вещества с высокой скоростью создает множество проблем, кажется более разумным использовать вид передачи, который предполагает скорость света — электромагнитное излучение. Это означает, что данные об атомном составе и структуре человека передаются в виде цифровой информации. По сути, это телепортация данных в виде цифрового «снимка».

Для телепортации по такому принципу необходимо сначала отсканировать и сохранить «снимок» — задача нетривиальная. Человек состоит из около 30 триллионов клеток, которые, в свою очередь, содержат бесчисленные биомолекулы, белки, генетический состав (около трёх миллиардов пар оснований ДНК). Учёные из Лестерского университета подсчитали, что «снимок» одной только человеческой клетки соответствует примерно десяти миллиардам бит — 1250 мегабайт цифровой информации.

На атомном уровне всё оказывается ещё сложнее. Физик Лоуренс Краусс предполагает, что определение положения и внутреннего состояния каждого из атомов будет генерировать килобайты данных. В целом получится около 100 триллионов эксабайт информации. Для сравнения, мировые человеческие знания оцениваются примерно в 100 эксабайт.

Для того чтобы запечатлеть структуру и природу человека, необходимо не просто считать атомы и молекулы, надо определить их взаимодействие. Потому что человек — это больше, чем просто сумма частей, особенно в отношении работы мозга. В частности, работа нейронов посредством электрических, химических и физических взаимосвязей играет важную роль в мыслительной деятельности. Эта информация многократно увеличивает объём данных.

Скорость передачи, которая может быть достигнута сегодня с помощью лазера, составляет около 40 терабит в секунду. Это соответствует передаче около 9,2 миллиарда страниц A4 за одну секунду. Для передачи «снимка» человека потребуется около 780 триллионов лет. Время жизни Вселенной — 13,8 миллиарда лет. Учитывая это, вероятно, было бы быстрее пройти расстояние пешком, чем телепортироваться. Даже если технологии будущего обеспечат более высокие скорости передачи данных, они должны быть невероятно большими.

Сканирование.

Европейская установка рентгеновских лазерных импульсов на свободных электронах (XFEL), глубоко исследующая структуру вещества, могла бы помочь при сканировании. Но это не самая распространённая технология, и все-таки её мощности явно недостаточно.

При этом, импульсы рентгеновского лазерного излучения настолько сильны, что разрушают молекулы. Когда фотон попадает в атом, его энергия выбрасывает один или даже несколько электронов с их орбит, а в крайних случаях даже лишает атомное ядро оболочки (в таких условиях создается плазма). Такое сканирование — это смертный приговор. Молекулярная структура была бы нарушена. Вдобавок, XFEL может просвечивать только отдельные молекулы. Однако для телепортации необходимо сканировать всё тело.

Теоретически можно предположить, что телепортер может использовать метод спектроскопии ядерного магнитного резонанса. При таком методе быстро меняющиеся магнитные поля создают колебания спинов отдельных атомов. Результирующие резонансы могут быть использованы для определения связи атомов и структуры молекул. Такой вариант в значительной степени неразрушающий и работает от атомов до биомолекул, таких как белки и части ДНК. Чтобы можно было надежно идентифицировать молекулы, образцы необходимо измерять несколько раз с разных направлений. Однако этот процесс очень чувствителен к помехам. Образцы необходимо охлаждать, насколько это возможно, а магнитные поля должны достичь высокого напряжения. Это означает, что человека сначала необходимо заморозить, а затем приступить к сканированию молекулярной структуры.

Помимо всего прочего, до сих пор этот метод работал только с небольшими объемами образца, такими как молекулы в растворе или тонкие срезы твердых тел, иначе помех слишком много. Телепортация людей должна преодолеть огромные препятствия, чтобы стать реальностью.

Независимо от того, каким способом происходит перемещение, и несмотря на то, что сканирование до молекулярного или атомного уровня требует огромных затрат энергии и времени, телепортация противоречит законам физики.

Телепортация в квантовом мире

А может квантовая физика сумеет предложить выход? Пока телепортация человека кажется утопией, а вот телепортация состояния частиц от одной к другой стала реальностью. Не будем пускаться в дебри и описывать методы этих опытов. Примите как данность. Явления в квантовом мире делают возможным обмен информацией и изменение состояния частиц на большие расстояния и мгновенно. В основе квантовой телепортации лежит создание запутанных фотонов и состояние суперпозиции. Квантовые состояния пар частиц связаны таким образом, что реагируют на изменение состояния партнёра, изменяя собственное. Учёные генерируют запутанные кванты света и отправляют их на Землю со спутника.

Для передачи квантовой информации создаются запутанные частицы, которые кодируют информацию, например, поляризацию. Сначала одного из «партнёров» отправляют к месту назначения. Когда состояние частицы изменяется в начальной точке, то это вызывает изменение состояние «партнёра» в пункте назначения. «Передающая частица» передаёт своё состояние другой автоматически. Особенно фантастически выглядит состояние суперпозиции, при котором частица потенциально может принимать любое из заданных состояний.

Информация в квантовом мире передаётся практически без потери во времени, независимо от расстояния. Информация не перемещается из одной точки в другую, скорее появляется, просто возникает из ниоткуда в точке B. При этом исчезает в точке A. Однако до сих пор объём информации, который можно передать таким образом, был чрезвычайно мал, всего несколько бит. Кроме этого необходимо заметить, что исчезновение информации в точке А практически ставит крест на телепортации живого существа. Ведь человек в этой точке А должен исчезнуть. Впрочем, о передаче живой субстанции говорить рано.

Возможно ли, что квантовая физика откроет возможность для телепортации? К сожалению, здесь есть серьёзные препятствия. Чтобы передать информацию, одна из двух запутанных частиц должна быть как-то доставлена к месту назначения, а соответствующая технология должна быть доступна в месте приёма и обеспечена необходимыми ресурсами. Только когда связанные частицы находятся на местах, информация может быть передана между отправителем и получателем.

Если речь идёт о живом организме, то существует другая проблема. Человеческий организм слишком динамичен для квантовой телепортации. Отдельные атомы и молекулы постоянно находятся в движении и взаимодействии между собой, подвергаются такому влиянию, что суперпозиции и запутанности не работают. Эти состояния могут поддерживаться только в тщательно контролируемых условиях. Динамическая человеческая система делает это трудновыполнимым.

Заключение

Телепортация человека — увлекательная идея, но, к сожалению, по мнению американского физика Лоуренса Краусса, такая технология вряд ли будет реализована даже в отдалённом будущем. «Чтобы построить телепортер, пришлось бы нагреть материю до температуры, превышающей температуру в ядре Солнца, обеспечить технологию энергией больше, чем доступно всему человечеству, увеличить мощность компьютера в квадриллион раз, а также нарушить законы квантовой механики», — объясняет Краусс в своей книге «Физика Звездного пути». «Какой бы заманчивой ни была перспектива телепортации, даже нашим потомкам придётся очень постараться, чтобы когда-либо изобрести такую технологию. Однако утверждать, что это принципиально невозможно — довольно смело. Наука любит удивлять!»

Сегодня мировая наука рассматривает квантовую телепортацию единственно возможным способом это осуществить. Однако, и речи нет о телепортировании живого существа, не говоря уже о человеке. И расстояния между точками А и Б всего сотня — две километров. И в качестве телепортируемого предмета используются пока только фотоны по оптоволокну, аналогичному тому, что составляет основу существующего интернета. Но развитие идеи продолжается. Так, в 2017 году китайские учёные осуществили квантовую телепортацию фотонов на расстояние свыше 1200 километров, с Земли на спутник. В 2020 году команда ученых из университета в Чикаго смогла доказать возможность мгновенной передачи квантового состояния на большие расстояния. Им удалось передать квантовое состояние на 44 км с точностью более 90% по волоконно-оптическим сетям.

Наука сегодня не плетется нехотя. Развивается во всех направлениях, семимильными шагами. Убедиться в этом просто — перейдите на другую страничку — морфогенные поля. Может, они тоже играют какую-то роль в телепортации.

Что ж, начало положено — это главное. Пусть только фотон. Но ведь это значит, движение идет в правильном направлении.

Вот небольшое видео, которое поможет Вам лучше уяснить смысл теории телепортации.