Квантовые миры и возникновение пространства-времени

Шон Кэрролл, 2019

Надеемся, что отсутствие формул в книге не отпугнет потенциальных читателей. Шон Кэрролл – физик-теоретик и один из самых известных в мире популяризаторов науки – заставляет нас по-новому взглянуть на физику. Столкновение с главной загадкой квантовой механики полностью поменяет наши представления о пространстве и времени. Большинство физиков не сознают неприятный факт: их любимая наука находится в кризисе с 1927 года. В квантовой механике с самого начала существовали бросающиеся в глаза пробелы, которые просто игнорировались. Популяризаторы постоянно твердят, что квантовая механика – это что-то странное, недоступное для понимания… Чтобы все встало на свои места, достаточно признать, что во Вселенной мы существуем не в одном экземпляре. Шонов Кэрроллов бесконечно много. Как и каждого из нас. Тысячи раз в секунду во Вселенной возникают все новые и новые наши копии. Каждый раз, когда происходит квантовое событие, мир дублируется, создавая копию, в которой квантовое событие так и не произошло. В квантовой механике нет ничего мистического или необъяснимого. Это просто физика. В формате PDF A4 сохранён издательский дизайн.

Пролог

Не бойтесь

Посвящается мыслителям всех времен, не напрасно державшим порох сухим

Квантовая механика выглядит пугающе даже для тех, кто ничего не понимает в теоретической физике. Но все не так страшно.

Это может показаться странным. Квантовая механика — это лучшая из имеющихся у нас теорий об устройстве микромира. Она описывает, как на уровне фундаментальных сил природы взаимодействуют атомы и частицы, с невероятной точностью прогнозируя исход любого эксперимента. Следует признать, что за квантовой механикой закрепилось своеобразное реноме чего-то сложного, таинственного, сравнимого чуть ли не с магией. Однако из всех людей именно физики должны быть удовлетворены подобной теорией: они постоянно заняты нетривиальными вычислениями, в которых учитываются квантовые феномены, и сооружают огромные приборы, предназначенные строго для проверки результатов этих вычислений. Надеюсь, никто всерьез не считает, что все это время они просто «создают видимость»?

Нет, о «создании видимости» речь не идет, но и друг с другом физики в данном случае не вполне честны. С одной стороны, квантовая механика — это сердце и душа современной физики. Астрофизики, специалисты по физике частиц, физики-атомщики, физики-ядерщики — все они постоянно пользуются квантовой механикой, причем пользуются мастерски. Таким образом, это не какие-нибудь элитарные исследования: квантовая механика применяется в современных технологиях повсеместно. Полупроводники, транзисторы, микрочипы, лазеры, компьютерная память — все это работает на основе квантовой механики. Если уж на то пошло, то квантовая механика необходима для понимания основополагающих свойств окружающего мира. В принципе, вся химия — это прикладная квантовая механика. Чтобы понять, как светит солнце или почему столы твердые, нужна квантовая механика.

Представьте, что вы закрыли глаза. Становится довольно темно, не так ли? Это кажется логичным, ведь свет не проникает сквозь веки. Однако все не совсем так: инфракрасный свет с длиной волны чуть больше, чем у видимого света, постоянно излучается любыми теплыми объектами, в том числе человеческим телом. Если бы наши глаза были столь же восприимчивы к инфракрасному спектру, как и к видимому свету, то инфракрасный свет слепил бы нас даже при закрытых веках — ведь инфракрасное излучение исходит и от глазных яблок. Однако палочки и колбочки — светочувствительные рецепторы у нас в глазах — воспринимают только видимый свет, но не инфракрасный. Как это удается? В конечном итоге ответ на этот вопрос лежит в области квантовой механики.

Квантовая механика — это не магия. Это глубочайшее и наиболее исчерпывающее из имеющихся у нас представление о реальности. Насколько нам сегодня известно, квантовая механика — это не аппроксимация истины, а истина в чистом виде. Это мнение может измениться, если появятся неожиданные экспериментальные результаты, но до сих пор не наблюдается даже намека на подобные сюрпризы. Разработка квантовой механики пришлась на начало XX века и проходила с участием таких великих ученых, как Планк, Эйнштейн, Бор, Гейзенберг, Шрёдингер и Дирак. В результате к 1927 году было вполне понятно, что квантовая механика — одно из величайших интеллектуальных достижений в истории человечества. У нас есть все основания ею гордиться.

С другой стороны, вспомним знаменитую цитату Ричарда Фейнмана: «Думаю, я смело могу сказать, что квантовую механику никто не понимает». Квантовая механика используется для проектирования новых технологий и прогнозирования результатов экспериментов. Однако честные физики признаются, что мы по-настоящему не понимаем квантовую механику. У нас есть метод, которым можно уверенно пользоваться в заданных условиях, и этот метод дает умопомрачительно точные прогнозы, триумфально подтвержденные экспериментальными данными. Но если мы захотим копнуть глубже и разобраться, что же на самом деле происходит, — окажется, что мы этого просто не знаем. Физики привыкли относиться к квантовой механике как к безмозглому роботу, с помощью которого решаются определенные задачи, а не как к любимому другу, интересной личности.

Подобное отношение со стороны профессионалов влияет и на то, как квантовую механику объясняют широкой аудитории. Нам бы хотелось представить полностью сформированную картину Природы, но сделать это мы не в силах, так как среди самих физиков нет согласия в том, что же на самом деле сообщает квантовая механика. Напротив, в научно-популярных трактовках обычно подчеркивается, что квантовая механика таинственная, обескураживающая, непостижимая. Такой посыл противоречит основополагающим принципам науки, в частности идее о том, что мир принципиально познаваем. Подступаясь к квантовой механике, мы натыкаемся на своеобразный ментальный блок, и, чтобы преодолеть его, нужна небольшая «квантовая терапия».

⚪ ⚪ ⚪

На лекциях по квантовой механике для студентов мы начинаем со списка правил. Некоторые из этих правил формулируются узнаваемо: существует математическое описание квантовых систем плюс объяснение того, как такие системы эволюционируют. Однако далее следует набор дополнительных правил, не имеющих аналогов ни в одной другой физической теории. Дополнительные правила описывают, что происходит, когда мы наблюдаем квантовую систему, и в такой ситуации ее поведение полностью отличается от поведения в ситуации, когда никто ее не наблюдает. Что же, черт возьми, это значит?

В принципе, есть два варианта ответа на данный вопрос. Первый — история, которую мы излагаем нашим студентам, удручающе неполна, и для того, чтобы квантовая механика могла считаться разумной теорией, нам необходимо понять, что такое «измерение» или «наблюдение» и почему в ситуации наблюдения и ненаблюдения поведение системы кажется настолько разным. Второй — квантовая механика разительно противоречит всем привычным нам представлениям о физике и требует отказаться от мира, где объект существует объективно и независимо от того, как мы его воспринимаем, приняв вместо этого картину мира, в которой наблюдение каким-то образом вплетено в фундаментальную природу реальности.

Как бы то ни было, есть все основания подробно исследовать в книгах по физике эти варианты и признать, что при всей супер-успешности квантовой механики, мы не можем утверждать, что ее разработка завершена. В книгах этого нет. Как правило, описанная проблема в книгах просто замалчивается, а физики предпочитают оставаться в собственной зоне комфорта, предлагая студентам решать очередные уравнения.

Это никуда не годится. И положение ухудшается.

Можно подумать, что в такой ситуации стремление понять квантовую механику, должно быть, является величайшей из целей в масштабах всей физики. Миллионы долларов грантовых денег поступают в распоряжение научных сотрудников различных квантовых фондов, ярчайшие умы привлекаются ради решения этой задачи, наиболее важные открытия вознаграждаются премиями и приносят славу.

Университеты соперничают за право принять на работу выдающихся представителей данной дисциплины, предлагая им баснословные жалованья и пытаясь переманить их таким образом у конкурентов.

К сожалению, все совсем не так. Мало того что попытки осмыслить квантовую механику не считаются в современной физике «статусной» специализацией; во многих институтах она почти не пользуется уважением, а то и активно принижается. На большинстве физических факультетов нет никого, кто занимался бы этой проблемой, а на тех, кто все-таки за нее берется, смотрят с подозрением. (Недавно, готовя заявку на грант, я получил совет сосредоточиться на описании моих работ по гравитации и космологии — эти дисциплины считаются серьезными — и умолчать о моих трудах над основами квантовой механики, поскольку при их упоминании меня начнут воспринимать менее серьезно.) За последние 90 лет ученые значительно продвинулись вперед. Но, как правило, это были целеустремленные одиночки, вопреки отношению коллег считавшие, что исследуемые проблемы действительно важны. Либо же это были студенты, которые не подозревали о предосудительности этого направления и впоследствии отказывались от него.

В одной из басен Эзопа Лиса нашла сочную виноградную гроздь, но все ее прыжки с целью достать ягоды не увенчались успехом. Тогда она разочарованно заявляет, что виноград, вероятно, кислый и не очень-то его и хотелось. В нашем случае в роли Лисы выступают физики, а в роли винограда — «понимание квантовой механики». Многие исследователи решили, что изначально было не так уж и важно понимать, как именно устроена природа; куда важнее умение делать конкретные прогнозы.

Ученых приучают ценить осязаемые результаты, будь то замечательные экспериментальные находки или количественные теоретические модели. Потратить время на понимание уже имеющейся теории без гарантии получения новых технологий и прогнозов — идея совсем не привлекательная. Похожее напряжение внутри сообщества было показано в одном из эпизодов телесериала «Прослушка», где группа сыщиков несколько месяцев упорно трудилась, собирая доказательства, чтобы выстроить дело против могущественного наркокартеля. Тем временем их начальству не хватало терпения на такой «безответственный» пошаговый подход. Им необходимо было что-то предъявить на ближайшей пресс-конференции, поэтому полицейских вынуждали биться головой о стену и совершать показушные аресты. Научные фонды и кадровые комитеты ведут себя в точности как это начальство. В мире, где любые стимулы полагаются только за конкретные, измеримые результаты, менее срочные проблемы, связанные с «общей картиной», можно отложить, чтобы не отвлекаться от гонки к следующей непосредственной цели.

⚪ ⚪ ⚪

У этой книги три основных посыла. Во-первых, квантовая механика должна быть понятной — даже если до этого пока еще далеко, — и достижение такого понимания должно быть одной из самых приоритетных целей современной науки. Квантовая механика занимает уникальное место среди физических теорий, так как в ней проводится явное отличие между тем, что мы видим, и тем, что есть на самом деле. Здесь возникает особый интеллектуальный вызов для ученых (а также для всех остальных), привыкших относиться к наблюдаемому миру как к очевидной «реальности» и объяснять все феномены в соответствии с этой реальностью. Однако этот вызов не является непреодолимым: если мы освободимся от некоторых устаревших и «интуитивных» способов мышления, то обнаружим, что в квантовой механике нет ничего безнадежно мистического или необъяснимого. Это просто физика.

Второй посыл заключается в том, что мы добились реального прогресса в понимании квантовой механики. Я сосредоточусь на описании подхода, который кажется мне наиболее многообещающим — это эвереттовская, или многомировая, интерпретация квантовой механики. Многомировая (эвереттовская) интерпретация была с энтузиазмом воспринята многими физиками, но пользуется неоднозначной репутацией среди тех, кому не нравится идея пролиферации новых реальностей, копирующих друг друга. Если вы один из таких скептиков, то я хочу по крайней мере убедить вас, что многомировая интерпретация — это самый последовательный способ осмысления квантовой механики. Именно к нему мы придем, если двинемся по пути наименьшего сопротивления, всерьез воспринимая квантовые феномены. В частности, картина с множеством миров прогнозируется на основе уже состоявшегося формализма, а не подгоняется вручную. Однако многомировая интерпретация — не единственный авторитетный подход, и мы поговорим о некоторых из важнейших его альтернатив (в этом я берусь быть честным, хотя и не обещаю соблюдать баланс). В данном случае важно, что каждый из подходов — это хорошо сформулированная научная теория, из которой проистекают потенциально разные экспериментальные следствия, а не просто эфемерные «интерпретации», о которых можно подискутировать за сигарами и коньяком, после того как настоящая работа уже закончилась.

Третий посыл — в том, что все это важно, и не только для целостности науки. Достигнутые к настоящему времени успехи имеющейся (адекватной, но не до конца последовательной) системы квантовой механики не должны затмевать того факта, что в определенных обстоятельствах для решения поставленной задачи подобный подход просто не годится. В частности, для понимания природы пространства-времени как такового, а также происхождения и конечной судьбы Вселенной критически необходимо разбираться в основах квантовой механики. В этой книге я сформулирую несколько новых, захватывающих и, признаться, гипотетических предложений, позволяющих проследить провокационные связи между квантовой запутанностью и тем, как изгибается и искривляется пространство-время, — речь о феномене, известном нам с вами как гравитация.

Поиск полной и убедительной теории квантовой гравитации уже давно признан работой по достижению важной научной цели (престиж, премии, попытка переманить преподавателя и вот это вот все). Возможно, секрет в том, чтобы не начинать с гравитации и не пытаться ее «квантовать», а податься в самые глубины квантовой механики и обнаружить, что именно на этом пути нас и поджидает гравитация.

Мы не можем говорить об этом с уверенностью. В этом и заключается захватывающая и неспокойная сторона ультрасовременных исследований. Однако пришло время всерьез отнестись к фундаментальной природе реальности, то есть встретиться с квантовой механикой лицом к лицу.