Как появилась Вселенная? Большие и маленькие вопросы о космосе: читать книгу онлайн полностью и бесплатно

Но их тайна остаётся неразгаданной. В нейтронной звезде нет ядерного горения. В отличие от обычной звезды, её равновесие не поддерживается направленными наружу потоками энергии из звёздного ядра.

Вся Вселеннaя – квантовый объект?

Как описать Вселенную в целом? На первый взгляд, этот вопрос может показаться очень странным. Чтобы понять, почему на него так важно найти ответ, мы должны рассуждать как физики.

Определить, что такое физика и чем физики занимаются, может оказаться нелегким делом. Примем рабочую версию этого ответа: они наблюдают природные явления во Вселенной и экспериментируют с ними, а затем объясняют то, что они видят, на языке правил и законов. Если говорить языком учебника, физики – наблюдатели и экспериментаторы, которые изучают природу при помощи телескопов, микроскопов и осциллоскопов. Законы открывают теоретики – те, кто знает язык математики и умеет оперировать уравнениями, описывающими физический мир вокруг нас. На деле, однако, такое чёткое разделение не всегда реализуется: многие учёные одинаково успешно работают в обоих областях.

Исаак Ньютон, один из величайших учёных нового времени, был мастером и в теории, и в экспериментах, а вдобавок занимался алхимией и оккультизмом. Для нашей истории о нём важно вспомнить потому, что он одним из первых применил математический подход к науке. В XVII столетии, основываясь на глубоких научных прозрениях Галилея, Ньютон вывел свои три закона движения, из которых, наверно, самый знаменитый – «для каждого действия существует равная ему и противоположно направленная реакция». И когда студенты-физики в начале университетского курса изучают многословные описания физических законов, оставленные Ньютоном, они знают, что истинная их сила – в их математических формулировках. На словах второй закон Ньютона можно сформулировать так: «Скорость изменения количества движения объекта пропорциональна приложенной к нему силе и имеет то же направление, что и эта сила». Математически это многословное утверждение сокращается до гораздо более компактного и сильного уравнения: F = ma.

Используя этот аппарат, можно делать предсказания о поведении физической Вселенной. Например, если вы хотите послать через всю Солнечную систему космический зонд для исследования далёкой кометы, то, чтобы ваш зонд и комета оказались в одно и то же время в одном и том же месте, придётся использовать ньютоновские законы движения и тяготения. Но математические законы – только часть дела: чтобы ваши предсказания исполнялись, вам ещё необходимо знать исходные данные, или, на языке математиков, «начальные условия».

Представьте, что вы ищете пиратские сокровища по инструкции, в которой сказано: «Сделай пять шагов вперёд и поверни налево. Затем сделай ещё три шага и опять поверни налево, потом сделай ещё два шага и копай». Конечно, эти инструкции будут совершенно бесполезны, если вы не знаете, откуда надо начать и в какую сторону повернуться.

Различные аспекты физики требуют задания различных начальных условий. Если вы хотите изучать движения планет и комет вокруг Солнца, вы должны знать точные положения и скорости каждой из них; эту информацию надо будет ввести в математические уравнения. Только после этого удастся предсказать, где планета будет завтра и послезавтра.

Точные астрологические предсказания могут сделать вас богачом! Можете, конечно, хихикать, но, если обратиться к истории, мы увидим: вычисления положений планет на небе очень часто мотивировались именно нуждами астрологов.

Такое практическое применение физических законов было характерно не только для области движений планет и астрологии. Из возникшей во времена промышленной революции необходимости понимать, какое количество работы может выполнить тепловая машина, выросла термодинамика. В этом случае нужны такие параметры, как температура, давление и величина энергии, перетекающей из одного места в другое. Используя математические законы термодинамики, можно подсчитать эффективность паровой машины или время, необходимое для того, чтобы растаял кубик льда в вашем джине с тоником.

Здесь демоны!

Теоретически, если бы мы знали точные положения всех атомов в определённом количестве газа, а также скорости и направления их движения, мы могли бы вычислить их будущие траектории и столкновения. Тогда не было бы никакой нужды в термодинамике. Но на практике атомов и их индивидуальных движений просто-напросто слишком много, чтобы такие вычисления было можно выполнить. Джеймс Клерк Максвелл, который вывел уравнения электромагнетизма, тоже задавался этим вопросом. Размышляя о движениях атомов в газах, он представил себе действия воображаемого демона, крошечного существа, способного видеть каждый отдельный атом и точно знающего их параметры.[48] Этому демону были бы ещё известны точные положения и скорости всех атомов и фотонов во Вселенной. Тогда он мог бы вычислить последующую эволюцию каждого.

В милой и простой Вселенной Ньютона и Эйнштейна законы физики – абсолютно детерминистские. Всё, что требовалось бы от демона, – использовать все текущие положения и скорости как начальные условия и подставить их в уравнения Ньютона и Эйнштейна. Тогда мы могли бы сказать, где каждый атом и фотон окажется в будущем.

Конечно, никакого демона нет. И на практике такое предприятие было бы невозможно. Но, в теории, некое устройство, которое бы функционировало как этот демон, не противоречит никаким законам физики. Идея «демона Максвелла» обсуждается уже более полутораста лет, и споры не утихают. Её значение, которое состоит в том, что термодинамика связана с понятием информации, таит в себе противоречие.[49] Мы все представляем себе информацию как описание предмета или ситуации. А термодинамика, с другой стороны, сводится к теплоте и потоку энергии. Эти две концепции выглядят настолько разными, настолько несвязанными, что сам факт их возможной связи выглядит, скажем так, странно.

Некоторым кажется, что идея «демона Максвелла» заводит слишком далеко, а решения этого парадокса размывают связь между термодинамикой и информацией. Но многие предложения по поводу того, как избавиться от демона, основаны на инструменте, который мы сейчас считаем вполне надёжным: на квантовой физике.

Предсказания выглядят во многом иначе, когда мы рассматриваем квантовые законы. Как учит Гейзенберг, у частицы нет строго определённых положения и скорости, так что разговор заходит в тупик. Мы знаем, что физические законы на очень малых масштабах определяются квантовой механикой. Значит, придётся принимать её правила во внимание, если мы хотим вычислить ход развития Вселенной как целого. А квантовая механика описывает свойства частиц не положением и скоростью, а более эзотерической волновой функцией, о которой мы поговорим в следующем разделе. Индивидуальные же частицы на самом деле вовсе не индивидуальны, а «запутаны», связаны друг с другом. Так что группа индивидуальных электронов представляется не группой индивидуальных волновых функций, а единой волновой функцией, представляющей их все. Если мы распространим это представление на все атомы, частицы и фотоны во Вселенной, не значит ли это, что мы можем записать единую волновую функцию всего? Может быть, Вселенная – и правда квантовый объект?

Волновая функция – штука настолько хитрая, что физики до сих пор спорят о ней. Каждый лагерь воюет с остальными, отстаивая свою интерпретацию этого понятия. Эти лагеря иногда носят имена своих вождей: бомианцы, эвереттисты, «кубисты» (от QB – квантовое байесианство), «копенгагенцы»[50]. Но в чём заключается интерпретация волновой функции и почему эта функция вообще нуждается в интерпретации[51]? Чтобы ответить, придётся снова отправиться в начало XX столетия.

Волна размером со Вселенную

Пока Гейзенберг и другие разрабатывали матричную механику, которая привела к принципу неопределённости, Эрвин Шрёдингер и его коллеги работали над тем, что казалось совершенно отличным от неё математическим аппаратом для квантовой физики. В то время волновая физика была хорошо понятна и очень популярна благодаря широкому применению уравнений Максвелла для электромагнитных волн. То, что сейчас известно как уравнение Шрёдингера, было уравнением движения для некоего явления, названного Шрёдингером «волновой функцией». Будучи уравнением движения, очень похожим на уравнения Ньютона и Максвелла, оно следовало знакомой парадигме теоретической физики: если были известны начальные условия, уравнение делало свою работу, предсказывая поведение волновой функции в любой будущий момент.

Но на этом история не заканчивалась. Волна, движение которой описывало уравнение, не была обычной волной, к каким мы привыкли – переносящей энергию из одного места в другое. Не была она связана и с физическими свойствами исследуемого объекта – например, с положением электрона. Макс Борн продемонстрировал, что волновую функцию можно использовать для вычисления вероятностей исходов измерений. Введение вероятности в математический аппарат теории многим не понравилось: детерминистские законы, на которых было построено здание предшествовавшей теории квантов физики, многократно приводили к блестящим результатам, доказывавшим их правильность. Вы, может быть, слышали знаменитые слова Эйнштейна: «Бог не играет в кости!» Однако понятие вероятности всё же заключало в себе идею неопределённости, к которой пришёл Гейзенберг, так что какие-то основания у таких нововведений всё же были. В конечном счёте данная Борном статистическая интерпретация уравнения Шрёдингера оказалась неопровержимой и утвердила квантовую физику как вероятностную теорию.

С современной точки зрения смятение, которым сопровождалось развитие квантовой теории, трудно понять. В университетских аудиториях физических факультетов всего мира студентам рассказывают об уравнении Шрёдингера и о том, что оно предсказывает исход лабораторных экспериментов. Волновая функция и её уравнение обеспечивают механизм для этих предсказаний, для управления экспериментом и в итоге – для принятия инженерных и технических решений. Типичные домашние задания студентам-физикам сводятся к решению той или иной реализации уравнения Шрёдингера. Самый обычный пример – решение уравнения Шрёдингера для атома водорода. Это решение, точно объясняющее энергетические уровни водородного атома, построено на комплексных функциях, называемых сферическими гармониками, которые прекрасно описывают формы орбиталей, известных нам по учебникам физики и химии. Студентам говорят, что это некоторый способ вероятностного представления того, где реально находится электрон, – и дело с концом.

Много десятилетий ответом на метафизический вопрос о том, что такое волновая функция на деле, служит одиозная фраза «заткнись и вычисляй». То есть на сегодняшний день у громадного большинства физиков сложилось преобладающее отношение к волновой функции исключительно как к вычислительному инструменту. Но пытливый ум так легко не успокаивается. У многих действующих квантовых физиков сложилось два образа действий. Когда перед ними стоит чётко определённая задача, они действительно «затыкаются и вычисляют». Но когда вычисления выполнены и начинаются размышления, квантовые физики никогда не чувствуют себя полностью удовлетворёнными – даже собственным пониманием волновой функции. В самых общих чертах этот вопрос можно задавать по-разному. Что квантовая физика говорит о реальном мире? Какой части реальности соответствует волновая функция? Что такое вероятность в квантовой теории – часть реальности или нашего знания о ней?

Интерпретации волновой функции тесно связаны с интерпретациями вероятности, сторонников которых можно чётко разделить на два лагеря. Первая группа рассматривает вероятности как объективные. Например, когда мы говорим, что у монетки шанс выпасть решкой 50:50, эта вероятность – реальное свойство монетки, часто называемое её «смещением». Этот интуитивно очевидный способ воспринимать вероятность присущ, например, распорядителю в казино, который внимательно следит за игрой, пытаясь распознать монеты или кости, в которые игрок подложил свинец. Большую часть XX столетия математики и статистики тоже придерживались такого подхода, и он, в свою очередь, оказал большое влияние на физиков и философов этого времени.

Представители второго лагеря рассматривают вероятности как субъективные, существующие только в мозгу наблюдателя. В случае с монеткой я определяю, что у решки вероятность выпасть 50:50, а не монетка проявляет свою несмещённость. Я не знаю, «правильная» или нет эта монетка, а раз так, есть ли у меня выбор, кроме того, чтобы определить возможные исходы бросания как 50:50? Для сторонников субъективного подхода вероятности – просто числа, представляющие частные ожидания людей. Популярность этой интерпретации как среди статистиков, так и среди физиков в последние десятилетия устойчиво растёт, но согласия в этом вопросе по-прежнему нет.

Квантовые интерпретации

Интерпретации вероятности эхом откликаются в квантовой физике. В отношении волновой функции первый лагерь придерживается мнения, что она доподлинно соответствует реальности. Представители этой позиции рассматривают волновую функцию как реальную часть окружающего мира. Другой лагерь считает её субъективным понятием. Для учёного, который использует её для вычислений и больше ни для чего, она представляет собой нечто личное. Правильного ответа здесь нет. Однако, если вы склоняетесь скорее к концепции объективной волновой функции, то вас, возможно, соблазнит идея универсальной волновой функции. Ведь если волновая функция соответствует реальному миру, то должно быть верно и обратное: вся реальность – Вселенная в целом – должна обладать волновой функцией.

Идея не нова. Она впервые возникла в докторской диссертации Хью Эверетта III в 1956 году. Эверетт развил и странные следствия из этой идеи. В частности, она привела его к встреченной в штыки многомировой интерпретации, о которой мы вскоре ещё поговорим.[52]

Впрочем, многие, включая таких физиков, как Стивен Хокинг, восприняли идею множественных миров вполне серьёзно.

[48] Изгнание демона: как и знаменитый кот Шрёдингера, демон Максвелла – персонаж популярной культуры. Однако, если вы хотите познакомиться с научно-популярным описанием этого демона и его отношения к повседневной жизни, прочтите книгу Hans Christian von Baeyer, Maxwell’s Demon: Why Warmth Disperses и Time Passes (New York: Random House, 1999).

[49] Больше информации об информации: демон Максвелла, как и всё большая доля физической науки, получил освещение с позиций теории информации. Прекрасный рассказ о том, что же именно представляет собой информация, см. в книге James Gleick, The Information: A History, a Theory, a Flood (New York: Pantheon Books, 2011).

[50] Интерпретируя квантовых интерпретаторов: за 90 с лишним лет со времени первой официальной интерпретации квантовой физики лучшее описание того, что происходит в этой области, дано в этом видео на YouTube: D. Walliman [DoS – Domain of Science], “Teh Interpretation of Quantum Mechanics”, April 3, 2019, YouTube video, 17:11, https://youtu.be/mqofuYCz9gs.

[51] Зачем столько спорить о теории, которая работает? Более глубокое обсуждение квантовых интерпретаций и других основных вопросов физики см. в работе Lucien Hardy and Robert Spekkens, “Why Physics Needs Quantum Foundations,” Physics in Canada 66, no. 2 (2010): 73–76, https://arxiv.org/abs/1003.5008.

[52] Много миров – много книг: многомировая интерпретация приобрела наибольшую славу в популярной культуре, вероятно, потому что она отлично приспособлена для хорошей научной фантастики. Недавно в защиту этой интерпретации в доходчивой манере выступил Шон Кэрролл в книге Sean M. Carroll. Something Deeply Hidden: Quantum Worlds and the Emergence of Spacetime (New York: Dutton, 2019).