Уродливая Вселенная. Как поиски красоты заводят физиков в тупик: читать книгу онлайн полностью и бесплатно

Пси-эпистемологический подход не столько отвечает на вопросы, сколько провозглашает их бессмысленными. Наиболее известный представитель этого класса – копенгагенская интерпретация. Это толкование квантовой механики, которое чаще всего преподают (и выше я тоже использовала именно его). Согласно копенгагенской интерпретации, квантовая механика – это черный ящик: мы залезаем в экспериментальную установку, нажимаем на «математическую» кнопку – и выскакивает вероятность. Что делала частица до измерения – вопрос, который задавать не полагается. Иными словами, «заткнись и считай», как выразился Дэвид Мермин ¹⁰¹. Прагматичная позиция, но коллапс волновой функции многими воспринимается как «уродливый шрам» (Лев Вайдман), из-за которого теория выглядит «нелепой» (Макс Тегмарк)¹⁰².

Более современная пси-эпистемологическая интерпретация – это квантовый байесонизм (QBism, где Q означает quantum, «квантовый», а B – Bayesian inference, «байесовский вывод»), метод для вычисления вероятностей. В квантовом байесонизме волновая функция служит устройством, собирающим информацию наблюдателя о реальном мире, и обновляется, когда он или она производит измерение. В этой интерпретации подчеркивается, что может быть несколько наблюдателей (людей или приборов), обладающих разной информацией. Ящик все еще черный, но теперь у каждого свой. Дэвид Мермин называет это «однозначно интереснейшим вариантом», а вот Шон Кэрролл – «стратегией “отрицания”»103.

Что же касается пси-онтических интерпретаций, то они обладают тем преимуществом, что идейно они ближе к полюбившимся нам доквантовым теориям. Зато недостаток пси-онтических интерпретаций в том, что они вынуждают нас сопротивляться другим аспектам квантовой механики.

В теории волны-пилота (теории де Бройля – Бома) нелокальное ведущее поле разводит в остальном классические частицы по траекториям. Звучит совершенно непохоже на квантовую механику, но на самом деле это та же теория, только сформулированная и истолкованная иначе[73]. Сейчас теория волны-пилота непопулярна, поскольку не была так тщательно разработана, как копенгагенская интерпретация, и не так гибка в применении. Однако же теория волны-пилота интуитивно понятна, поэтому Джон Белл считал ее «естественной и простой»¹⁰⁴. Джон Полкинхорн, напротив, убежден, что ей присущ «непривлекательно оппортунистический душок»¹⁰⁵.

Многомировая интерпретация (или интерпретация множественных историй) постулирует, что волновая функция никогда не коллапсирует. Вместо этого она расщепляется, или «разветвляется», на параллельные вселенные – по одной на каждый возможный результат измерения. В многомировой интерпретации проблемы измерения нет, а есть только вопрос, почему мы живем в этой конкретной вселенной. Стивен Вайнберг считает все эти вселенные «отвратительными», тогда как Макс Тегмарк находит логику «красивой» и верит, что «самая простая и, пожалуй, самая элегантная теория по умолчанию задействует параллельные вселенные»¹⁰⁶.

Кроме того, есть еще модели спонтанного коллапса. В них волновая функция не сначала расширяется, а затем резко коллапсирует, а непрерывно понемножечку сжимается, так что она вообще никогда сильно и не расширяется. Это не столько новая интерпретация квантовой механики, сколько поправка к ней, добавляющая явный процесс для коллапса. Эдриану Кенту, считающему, что в квантовой механике «элегантность служит на удивление сильным индикатором физической пригодности», модели коллапса кажутся «несколько специальными и утилитарными», но все же «гораздо менее уродливыми, чем теория де Бройля – Бома»¹⁰⁷.

И это лишь главные интерпретации квантовой механики. Есть и другие, и каждая из них может пребывать в нескольких различных состояниях одновременно.

Стивен Вайнберг кладет на место свою книгу по квантовой механике. Он смотрит на меня, и я пытаюсь разгадать выражение его лица, но не могу решить, он больше озадачен или раздражен тем, что я все еще здесь. Приподнятая бровь, замеченная мною раньше, как я теперь вижу, окончательно закрепилась в этом положении.

Вайнберговские «Лекции по квантовой механике» вышли среди последних его учебных пособий – уже в 2012 году. С тех пор он опубликовал еще несколько статей о том, как проверить или лучше понять основания квантовой механики. Это определенно та тема, что занимала его мысли в последнее время. Интересно, почему он выбрал именно это направление исследований. Чем эта проблема привлекательна для него, ведь он мог бы размышлять над множеством других проблем?

«Что вам не нравится в декогеренции, оставляющей вас с распределением вероятностей?» – спрашиваю я.

«Вы можете очень хорошо понять квантовую механику в терминах взаимодействия изучаемой вами системы с внешней средой, включающей в себя наблюдателя, – говорит Вайнберг[74]. – Но это подразумевает взаимодействие квантово-механической системы с макроскопической системой, что вызывает нарушение когерентности между разными “ветвями” исходной волновой функции. А почему так происходит? Это должно объясняться тоже квантово-механически. И строго говоря, внутри самой квантовой механики декогеренции нет».

Он снова откашливается. «И вот возникает попытка с этим справиться – когда декогеренция отрицается, а человеческие существа рассматриваются с чисто квантово-механической точки зрения, как и все остальное. Таков подход множественных историй. Согласно этому подходу, если вы начинаете с чистой волновой функции, она всегда и будет чистой волновой функцией[75]. Но в разворачивающемся времени есть много промежутков, каждый из которых содержит описание наблюдателей, и наблюдатели в каждом из промежутков думают, что видят нечто разное: скажем, один наблюдатель видит спин [частицы направленным] вверх, а другой – вниз».

«И если еще можно было бы смириться с историей Вселенной, расщепляющейся на две ветви, в подходе множественных историй происходит нескончаемое, непрерывное появление несусветного числа историй Вселенной».

«Что ж, – подводит Вайнберг итог, – возможно, все так и есть. Ни одно логическое противоречие этому мне не известно. Но как же противно представлять себе такое огромное число историй!»

«Почему противно?» – уточняю я.

«Не знаю, просто противно – и все тут. Дело в необузданном числе. Это ведь происходит не только тогда, когда какой-то физик получает правительственный грант и проводит эксперимент, а все время, безостановочно. Всякий раз, как сталкиваются две молекулы воздуха или фотон от звезды врезается в атмосферу, – всякий раз, как что-то случается, истории Вселенной безостановочно увеличиваются в числе».

«Мне бы хотелось доказать, что такое беспрерывное расщепление историй невозможно. Увы, не могу. Но нахожу это отталкивающим. Понятно, что людям, которые придумали этот подход, он не кажется отталкивающим. Но он таков. У разных людей разные интерпретации квантовой механики – все удовлетворительные, но различные».

«И каждый считает теорию другого отталкивающей», – замечаю я.

«Верно. И я с этим уже свыкся, – говорит Вайнберг и вздыхает. – Даже великие умы в этой области расходились во мнениях. Нильс Бор сначала думал, что измерение подразумевает отклонение от квантовой механики, что нельзя объяснить измерение в терминах чисто квантово-механических понятий. Затем другие ученые сказали: нет, можно, но придется отказаться от идеи, будто вы способны сказать, что происходит, – вам придется просто констатировать, что таковы правила для вычисления вероятности того, что вы получаете, когда производите измерение… А потом другие люди сказали, что квантовая механика чудесна, просто вы получаете бесконечное число историй, – это многомировой подход…»

«Трудность, конечно, в том, что вы не обязаны разбираться с этими вопросами, – продолжает Вайнберг. – Я успешно работал все это время, не зная, что такое квантовая механика. В одной своей книге я рассказываю такую историю: мой коллега Филип Канделас как-то упомянул аспиранта, чья работа фактически развалилась. Я спросил, что же случилось, а Канделас ответил: “Он попытался понять квантовую механику”. Ведь мог же построить неплохую карьеру без этого понимания. А залезать в основания квантовой механики – затея безнадежная».

(Если вы процитируете это, то можете стать первым человеком, который цитирует кого-то, кто цитирует кого-то другого, кто цитирует себя, цитирующего кого-то еще.)

«Вам знакома книга “Красота и революция в науке”¹⁰⁸, написанная философом науки Джеймсом Макаллистером?» – спрашиваю я.

«Нет, не знакома».

«Он пытается расширить концепцию научных революций Куна. Считает, что всякая революция в науке влечет за собой низвержение понятий красоты, разработанных учеными».

«Кун куда радикальнее, – говорит Вайнберг. – Ясно, что революция взывает к ниспровержению чего-то. Кун представил это как ниспровержение всего, так что одно поколение не может понять физику предыдущего. Я думаю, это не так. Но понятно, что если происходит научная революция, то что-нибудь да ниспровергается».

Он умолкает ненадолго, а затем добавляет: «Думаю, мысль, что это могут быть эстетические критерии, неплоха. Например, коперниканская революция произошла потому, что Коперник считал гелиоцентрическую систему гораздо более привлекательной, чем птолемеевская. А не из-за каких-либо данных. Очевидно, что это было эстетическое суждение, которое отличалось от прежних. И я полагаю, ньютоновская революция могла произойти потому, что Ньютон не считал силу, действующую на расстоянии, ужасной, как думал Декарт. Потому Декарт и пытался сложить очень уродливую картинку Солнечной системы, где все было результатом непосредственных действий тяни-толкай, а Ньютона устраивала сила, действующая на расстоянии обратно пропорционально его квадрату. То был сдвиг в эстетике. Или, можно сказать, смена философских предубеждений, что почти то же самое». Секунду-другую Вайнберг молчит, а потом бормочет, почти про себя: «Да, интересная идея. Нужно взглянуть на эту книгу».

«Но если это так, – говорю я, возвращаясь к тезису Макаллистера, – если при революции нужно ниспровергать понятие красоты в разработке теорий, то какой толк в том, чтобы использовать концепции красоты из прошлого?»

«Скажем так: красота – это просто средство, помогающее найти успешные теории, – говорит Вайнберг. – Когда ваше восприятие красоты меняется, теории тем не менее могут остаться верными». Он приводит пример: «Полагаю, Максвелл мог чувствовать, что по-настоящему удовлетворительной теорией электромагнетизма была бы та, что включала бы в себя напряжения в среде, подверженной вибрациям, и это объяснило бы колебания электрического и магнитного полей, наблюдаемые в луче света. Благодаря работам Максвелла и других ученых, включая Хевисайда, мы стали думать об электрическом и магнитном полях как просто о пронизывающих пустое пространство, а колебания – это попросту колебания самих полей, а не среды. Однако уравнения, разработанные Максвеллом, до сих пор хороши. Теория Максвелла живет, несмотря на то что его концепция, почему теория должна быть верна, изменилась».

Вайнберг продолжает: «Очень часто меняются не сами физические теории, а наше восприятие того, что они значат, почему должны быть верны. Поэтому я и не думаю, что ниспровергается все, хотя могут ниспровергаться прежние эстетические критерии. А что выживает – так это теории, порожденные прежними эстетическими критериями. Если эти теории успешны, каковыми они могут и не быть».

Он встает и выходит из кабинета.

[73] Разные интерпретации также предполагают, что условия для получения тех же результатов, что и в копенгагенской интерпретации, не всегда могут быть выполнены, а в таком случае обе интерпретации возможно различить в эксперименте. Такого, однако, пока не произошло.

[74] Он упомянул, что пишет об этом статью, которая вышла двумя месяцами позже. См.: Weinberg S. 2016. What happens in a measurement? Phys. Rev. A. 93: 032124. arXiv:1603.06008 [quant-ph].

[75] Говорят, что состояние остается «чистым», если квантовые свойства не декогерируют.