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

Квантовая механика – это магия

Странна не только квантовая механика сама по себе, но и вся эта область исследований. В физике элементарных частиц у нас есть теория, эксперимент и – посередке – феноменология. Феноменологи – это те, кто (как Горди Кейн) вытягивают из теорий предсказания, обычно упрощая математику и выясняя, что может быть измерено, с какой точностью и как (а нередко еще и кем).

В других областях физики исследователи не разделяются по этим трем категориям так четко, как в физике элементарных частиц. Но во всех областях есть феноменологи. Даже в квантовой гравитации, где нет экспериментов, феноменологи есть. Иное дело – квантовая механика. Тут на одной стороне эксперимент, куча экспериментов. А на другой – много суеты из-за интерпретации. Серединка же практически пуста.

Поизучав все эти интерпретации и попытавшись оценить степень безобразности каждой из них, я решаю поговорить с кем-то из «несуетливого» лагеря, для кого все эти квантовые дела – каждодневная рутина. Мой выбор пал на Чеда Орзела.

Чед – профессор физики в Юнион-колледже в Скенектади (штат Нью-Йорк). Он больше известен как тот, кто обучал свою собаку квантовой физике и написал об этом книгу 109. Еще Чед ведет научно-популярный блог «Неопределенные принципы» (Uncertain Principles), в котором раскрывает тайны квантовой механики. Я вызываю его на сеанс видеосвязи, чтобы спросить, что он думает обо всех интерпретациях квантовой механики.

«Чед, – начинаю я, – напомните, чем вы занимаетесь».

«Я специализируюсь на физике лазерного охлаждения и холодного атома», – отвечает Чед. После того как Чед получил ученую степень, он работал над конденсатом Бозе – Эйнштейна, облаком атомов, охлажденных до столь низких температур, что становятся сильны квантовые эффекты.

«Для своей диссертации я наблюдал за столкновениями ультрахолодных атомов ксенона, – говорит Чед. – Их относительные скорости лежат в диапазоне сантиметров или миллиметров в секунду, и при таких скоростях атомы двигаются настолько медленно, что вы начинаете видеть при столкновениях квантовые эффекты».

«У ксенона много изотопов[76], – объясняет Чед. – Некоторые являются составными бозонами, а некоторые – составными фермионами. И если вы их поляризуете, а они фермионы, то столкновения станут невозможны, поскольку получатся два симметричных состояния, что запрещено».

Эта блокировка – пример страшного индивидуализма фермионов, обсуждавшегося в первой главе. Вы просто не в силах заставить два фермиона делать одно и то же в одном и том же месте.

Чед продолжает: «Мы формируем облако из атомов ксенона, и если они сталкиваются, то обмениваются большим количеством энергии – и образуется ион. Мы просто считаем ионы в двух случаях – когда атомы поляризованы и когда не поляризованы, и это говорит нам, сколько атомов участвовало в столкновениях. Сигнал очень четкий. А по частоте столкновений мы видим разницу: бозоны охотно сталкиваются, а фермионы нет. Это чистый квантовый эффект».

«А что атомы делают, если не сталкиваются?» – спрашиваю я.

«Просто проходят друг мимо друга, – отвечает Чед и пожимает плечами. – На защите диссертации кто-то задал мне такой вопрос: “Что произойдет, если вы выстроите эти атомы в ряд, – как они смогут не сталкиваться?” Ну я и сказал в шутку: “Квантовая механика – это магия”. Более серьезный ответ: не стоит думать об атомах как о маленьких бильярдных шариках, которые можно идеально выстроить в линеечку, о них нужно думать как о больших размытых объектах, способных проходить друг сквозь друга. Я повернулся тогда к моему научному руководителю, только что получившему Нобелевскую премию[77], и спросил: “Вы согласны? Это так?” И он ответил: “Да, квантовая механика – это магия”».

Кажется разумным, что наша интуиция в квантовом мире буксует. Мы не испытываем квантовых эффектов в повседневной жизни – слишком уж они слабые и хрупкие. Вообще-то было бы удивительно, если бы квантовая физика была интуитивно понятной, ведь нам никогда не представлялась возможность к ней привыкнуть.

Значит, и не стоит эту труднопонятность вменять в вину теории. Но, как и отсутствие эстетической привлекательности, труднопонятность препятствует прогрессу. И не исключено, думается мне, что это не то препятствие, которое мы в силах преодолеть. Возможно, мы завязли в основаниях физики, поскольку достигли пределов того, что человек в принципе способен осмыслить. Возможно, пришло время передать эстафету.

Адам проводит эксперименты с культурами микроорганизмов. Он выдвигает гипотезы и разрабатывает планы исследований. Сидит в лаборатории и распоряжается инкубаторами и центрифугами. Только вот Адам не живое существо, а машина. Это робот, сконструированный командой Росса Кинга в Университете Аберистуита в Уэльсе. Адам успешно выявил гены дрожжей, кодирующие определенные ферменты ¹¹⁰.

Машины проникают и в физику тоже. Исследователи из лаборатории интеллектуальных систем Корнеллского университета в Итаке (штат Нью-Йорк) создали компьютерную программу, в которую загружают сырые данные, а она выдает уравнения, описывающие движение систем, таких как хаотический двойной маятник. У компьютера ушло тридцать часов на то, чтобы вывести заново законы природы, над которыми люди бились столетиями ¹¹¹.

В своей недавней работе по квантовой механике группа Антона Цайлингера использовала компьютерную программу – по прозвищу Мелвин, – чтобы разработать план экспериментов, проводившихся тогда людьми ¹¹². Марио Кренн, аспирант, которому пришла в голову идея автоматизировать процесс планирования эксперимента, результатами доволен, но говорит, что ему все еще «довольно трудно понять на уровне интуиции, что конкретно там происходит»¹¹³.

И это только начало. Поиск закономерностей и систематизация информации – важнейшие задачи науки, а ведь это ровно те задачи, в решении которых искусственные нейронные сети призваны превосходить нас. Такие компьютеры, предназначенные для того, чтобы имитировать работу настоящего мозга, сейчас анализируют массивы данных, которые ни один человек не в состоянии объять, и ищут взаимосвязи с помощью алгоритмов глубокого обучения. Сомнений нет: технологический прогресс уже меняет то, что мы подразумеваем под выражением «делать науку».

Я пытаюсь вообразить день, когда мы просто-напросто скормим все космологические данные искусственному интеллекту. Сегодня мы гадаем, что же такое эти темная материя и темная энергия, но подобный вопрос для искусственного интеллекта даже не будет иметь смысла. Он просто сделает предсказания. Мы их проверим. И если искусственный интеллект стабильно будет оказываться прав, то мы поймем, что ему удалось найти верные закономерности и сделать нужные заключения. Вот это и станет тогда нашей новой согласованной космологической моделью. Мы вводим в компьютер вопрос, а он выдает нам ответ – и вуаля.

Если вы не физик, то такое положение дел будет не слишком-то отличаться от того, как вы сейчас читаете о предсказаниях, сделанных сообществом физиков, которые используют невразумительную математику и загадочную терминологию. Просто другой черный ящик. Кто знает, может, доверять искусственному интеллекту вы будете даже больше, чем нам.

Однако это всегда было лишь одной стороной науки – делать предсказания и использовать их для разработки практических применений. Другая сторона заключалась в понимании. Мы не просто хотим ответов, нам нужны объяснения этих ответов. В конце концов мы достигнем предела своих интеллектуальных способностей, и после этого лучшее, что мы сможем сделать, – это передать вопросы более сложным мыслительным аппаратам. Но я верю, что еще слишком рано отказываться понимать собственные теории.

«Когда в мою группу приходят молодые люди, – говорит Антон Цайлингер, – видно, как они топчутся на месте в темноте и не могут интуитивно найти правильную дорожку. Но спустя некоторое время, два или три месяца, они приноравливаются и ухватывают интуитивное понимание квантовой механики. И за этим на самом деле очень интересно наблюдать. Словно кто-то учится ездить на велосипеде»¹¹⁴.

А интуитивное понимание чего-либо приходит тогда, когда вы с этим чем-то сталкиваетесь. Пощупать квантовую механику – вообще без каких-либо уравнений – можно в видеоигре «Квантовые ходы» (Quantum Moves)[78]. В этой игре, созданной физиками из Орхусского университета в Дании, игроки зарабатывают очки, когда находят эффективные решения квантовых проблем, например, перемещая атомы из одной потенциальной ямы в другую. Смоделированные атомы подчиняются законам квантовой механики. Они выглядят не как маленькие шарики, а как причудливая жидкость, которая подпадает под действие принципа неопределенности и может туннелировать из одного места в другое (рис. 10). Игра требует некоторого привыкания. Но, к изумлению исследователей, лучшее решение, которое удалось получить благодаря стратегиям игроков, оказалось эффективнее, чем найденное компьютерным алгоритмом 115. Когда дело касается квантовой интуиции, люди, похоже, дают фору искусственному интеллекту. По крайней мере пока.

Рис. 10. Скриншоты видеоигры «Квантовые ходы»

Сдается мне, нам стоит просто перестать жаловаться друг другу на то, что квантовая механика странная, и привыкнуть к ней. Это развитая технология, бесспорно, но все-таки она отличима от магии.

Шутка Чеда про магию квантовой механики, сопровождавшаяся пожиманием плечами, наводит меня на мысль, что его не слишком волнует осмысление математики. Но трудно ее не осмыслять. Если вы часто используете математический формализм, то начинаете осознавать, что происходит при вычислениях. Вы не просто смотрите на результат, но еще и видите, как к нему пришли. А человеческий интерес так уж устроен, что мы лучше ладим с абстракциями, если в них есть какая-то фишка.

«У вас есть любимая интерпретация квантовой механики?» – спрашиваю я Чеда.

«По своему темпераменту я из разряда “заткнись-и-считай”, – отвечает он. – Мне всегда казалось, что если ты не в силах придумать эксперимент, который мог бы провести и который дает разные результаты в разных случаях, то выбирать интерпретацию как-то бессмысленно. Интересно поговорить о том, что происходит со всеми этими странными вещами на пути к обычной реальности. Но я оцениваю состояние дел в этой области так: прямо сейчас никто не способен описать вам эксперимент, который вы смогли бы провести и который дал бы вам иной результат – в пользу, скажем, многомировой интерпретации против теории волны-пилота. А в отсутствие такого эксперимента предпочтения, отдаваемые каким-либо из интерпретаций, – вопрос эстетического выбора».

[76] Ядро атома химического элемента содержит фиксированное число протонов, а вот количество нейтронов может быть разным. Эти разновидности одного и того же элемента называются изотопами.

[77] Уильям Дэниел Филлипс в 1997 году вместе с Клодом Коэном-Таннуджи и Стивеном Чу был удостоен Нобелевской премии по физике за создание методов лазерного охлаждения, применяемых для замедления атомов.

[78] Загрузить игру можно отсюда: www.scienceathome.org/games/quantum-moves-2/.