Квантовые миры Стивена Хокинга

Олег Фейгин, 2019

Стивен Хокинг – один из самых известных физиков современности. Ему принадлежало множество работ по теории черных дыр, квантовой космологии и теории относительности. Широкой общественности он был хорошо известен как блестящий популяризатор науки. Кроме того, британский ученый являл собой пример личного мужества, полстолетия сражаясь с ужасным недугом, парализовавшим все тело. Весной 2018 года выдающийся ученый навсегда покинул нашу планету, затерявшись где-то в бесконечных измерениях так любимого им многомирья Мультиверса. Олег Фейгин, физик и автор множества популярных книг, тепло и вдохновенно представляет научное творчество великого теоретика современности. В формате a4.pdf сохранен издательский макет.

Глава 2. Происхождение и судьба нашего мира

Если мы все-таки создадим полную теорию, со временем ее основные принципы должны стать понятны каждому, а не только нескольким ученым. Тогда мы все — философы, ученые и обычные люди — сможем обсуждать вопрос, почему существуем мы сами и наша Вселенная. Если мы найдем ответ, это будет окончательным триумфом человеческого разума, ибо тогда нам откроется божественный замысел.

С. Хокинг, Л. Млодинов.Кратчайшая история времени

Экспромтом беседовать со Стивеном Хокингом затруднительно, но, тем не менее, живое общение вполне возможно в виде коротких фраз, произносимых синтезатором, разделенных паузами на составление ответов. Сообщения, доклады и даже диалоги по определенной тематике профессор Хокинг обычно готовит заранее с помощью своей дочери Люси, исполняющей обязанности секретаря-референта. Особые программы компьютера позволяют превращать легкие сокращения лицевой мышцы в набор управляющих посылок: развернуть кресло, двигаться в определенном направлении, открыть дверь. Впрочем, Люси Хокинг полушутя утверждает, что понимает мысли своего отца без всякого компьютера…

Скользя взглядом по маленькой, застывшей в инвалидном кресле фигуре с остановившимся взглядом за стеклами очков, кажущихся громадными на неподвижном высохшем лице, с бессильно лежащими на коленях руками, трудно даже представить, что в этом человеке бурлит страсть исследователя самых интригующих загадок Вселенной. Его интеллект, оптимизм и чувство юмора начинаешь ценить с первых же строчек, бегущих по экрану, и последующих фраз с забавным «металлическим» акцентом.

Как-то раз профессор Хокинг получил очередное предложение от своего литературного агента, побывавшего на лекции «История нашего Мира», написать научно-популярную книгу под названием «Происхождение и судьба Вселенной». Он тут же придумал эффектное вступление, рассказывающее о древней античной философии. В нем Хокинг попытался воссоздать умозрительные теории первых ученых в истории человечества — натурфилософов-метафизиков. Их творчество во многом напоминало решение запутанных головоломок. Главное, что, следуя традициям того времени, запрещалось отстаивать свои теории с помощью немотивированных и сверхъестественных объяснений. Так появлялись удивительные по красоте и логической стройности сценарии возникновения единого Мироздания.

Считалось, что в своей основе Мироздание никак не могло родиться из «ничего», иначе это следовало бы принять как чудо. Следовательно, наша Вселенная должна была возникнуть только из какого-то другого мира. Между этими мирами должно было бы существовать какое-то общее начало, связывающее старый мир и возникающий из него новый. Это единое начало должно быть максимально универсальным и в то же время наипростейшим. Вот и получалось, что прав мудрец Фалес, и если вдуматься, то из окружающих элементов трудно подобрать более универсальную первооснову всего сущего, чем обычная вода.

Идею будущей книги Хокинг решил обсудить на одном из своих семинаров. Их история началась еще в те времена, когда на кафедре математики Тринити-колледжа появился с трудом передвигающийся молодой ассистент, вокруг которого сразу же возник кружок единомышленников, мечтающих узнать как можно больше о возникновении окружающего Мира. Наверное, именно тогда у ученого и родился план занятий, на которых в неформальной обстановке можно было бы обсуждать актуальные проблемы космологии.

Первый фрагмент из будущей книги Хокинг посвятил истории возникновения и крушения одного из самых загадочных в истории науки понятий — «пятого эфирного элемента». Обращаясь к любимой теме рождения современной науки в смутных проблесках античной метафизики, профессор Хокинг подробно объяснял, какое значение имел термин «эфир» в той же греческой мифологии, часто обозначая всего лишь «божественно чистый свежий воздух». Именно богам-олимпийцам, парящим в заоблачной выси, и предназначался «небесный эфир» для дыхания, подобно амброзии (цветочной пыльце с нектаром) для питания, в отличие от обыкновенного воздуха и пищи простых смертных. Древние греки ассоциировали эфир с одноименным божеством, сыном богини ночи Никс и ее брата — бога тьмы Эребуса.

Позднее Аристотель ввел эфир как пятый элемент — квинтэссенцию — в систему классических элементов: земли, воздуха, воды и огня, изобретенную Ионической философской школой. Он мотивировал свое нововведение тем, что четыре земных элемента находятся в непрерывном изменении и могут перемещаться по прямым линиям, тогда как небесные тела казались ему вечными и неизменными и двигались исключительно по округленным траекториям. Таким образом, эфир в представлении Аристотеля не имел обычных физических свойств и какой-либо внутренней структуры, не был подвержен изменениям и в своем движении вращался исключительно по идеальным окружностям.

Впоследствии эта таинственная гипотетическая субстанция послужила основой для теории распространения света, став «светоносным мировым эфиром». Невидимо пронизывая всю Вселенную, «мировой эфир» определял распространение электромагнитных волн. Он господствовал в физике более двух тысячелетий, вплоть до 1905 года, когда Альберт Эйнштейн опубликовал свою первую работу по теории относительности. Из теории Эйнштейна следовало, что эфир не является необходимой природной сущностью (что со всей определенностью подтвердили эксперименты Майкельсона — Морли, не выявившие каких-либо проявлений эфира при движении в нем Земли).

Таким образом, все теории, которые базировались на гипотетическом «пятом элементе», заняли свое место в паноптикуме науки рядом с теплородом и флогистоном. При этом они постепенно перекочевали со страниц серьезных научных изданий в труды непризнанных гениев-мистиков и разномастных эзотериков, где и деградировали окончательно.

Вот тут профессор Хокинг и поразил всех неожиданной ассоциацией, сопоставляя устаревший эфир и наисовременнейшую идею невидимой темной энергии. Эта всепроникающая субстанция наполняет Вселенную, «расталкивая» материю и заставляя ускоренно разлетаться скопления галактик. По словам Хокинга, еще древним грекам представлялось самоочевидным, что существует некая преимущественная скорость, которую приобретают все частицы, не подверженные действию внешних сил. Наличие этой преимущественной скорости приводит к концепции «абсолютного пространства». Лишь в конце XVI века Галилео Галилей показал ошибочность этих представлений. Идеи и наблюдения Галилея были систематизированы Исааком Ньютоном в законах механики. Кроме того, великий физик создал свой бессмертный труд «Оптика», где попытался связать воедино эффекты влияния гравитации и вещества на свет. Согласно Ньютону, изменение скорости света (ведь скорость света постоянна только в вакууме) объясняется соответствующими изменениями плотности мирового светоносного эфира. Ньютоновские частицы света отклоняются в сторону более высокой плотности или в сторону более сильно притягивающей массы.

Галилей и Ньютон сохранили концепцию «абсолютного времени». Оно могло измеряться хорошо отрегулированными часами, которые согласовывались в пределах возможностей тех часовых механизмов. Абсолютное значение времени можно было задать, отсчитывая его от сотворения мира, которое по оценке англиканского архиепископа Ашера произошло в 4004 году до н. э.

Профессор Хокинг с гордостью подчеркивал, что средневековое понятие эфира выкристаллизовалось именно в… Кембридже! Именно тогда местные философы-схоласты пришли к мнению, что небесный эфир необходимо дополнить еще и плотностью. В то же время они вполне разумно предположили, что плотность небесных тел, включая звезды, должна быть значительно больше плотности эфира. Причем парадокса вечного парения более плотных тел в практически невесомой среде, похоже, никто и не заметил, списав все вопиющие нелепости этой странной картины на божественные силы, понимание сути которых недоступно простым смертным.

Разноречивая информация о мировом эфире, дополненная мифами о его божественном происхождении, сделала эту ошибочную научную идею весьма привлекательной для околонаучных дилетантов. Наиболее упорные из них так и не смирились с полным отсутствием наблюдаемых данных, наделяя эфир богатой внутренней структурой. Так живучие эфирные представления породили множество причудливых теорий, объясняющих те или иные явления с помощью этой вечной всепроникающей среды.

В следующем фрагменте рукописи Хокинг рассказал о самых ранних попытках построить всеобщий образ окружающего Мира. В этой древней картине Вселенной все объяснялось предельно просто, поскольку ход событий и природных явлений направлялся духами. Эти духи населяли природные объекты, такие как реки и горы, а также небесные тела вроде Солнца и Луны. Они обладали человеческими эмоциями, действуя нелогично и непредсказуемо. Этих высших существ нужно было умиротворять и ублажать, чтобы день сменял ночь, нивы плодоносили, а за зимой наступали весна и лето. Текли столетия, и кто-то с критическими взглядами на окружающие вещи подметил существование определенных закономерностей: Солнце всегда вставало на востоке и садилось на западе независимо от того, были принесены жертвы богу дневного светила или нет. Более того, Солнце, Луна и планеты двигались по небу строго определенными путями, которые удавалось довольно точно предсказать. Солнце и Луна все еще могли считаться богами, но эти боги повиновались строгим законам, очевидно, никогда не позволяя себе отступлений, если не принимать в расчет таких историй, как предание об Иисусе Навине, остановившем Солнце.

Когда речь заходила об этом воскресшем библейском пророке, влачащем странную полужизнь-полусмерть в подлунном мире, профессор Хокинг вспоминал знаменитый мысленный эксперимент, придуманный Эрвином Шрёдингером. Этому выдающемуся австрийскому теоретику чрезвычайно досаждала соседская кошка с ее невыносимыми мартовскими концертами.

Одна жды Шрёдингер размышлял о зыбкости основ Мироздания, непрерывно сотрясаемого волнами сверхмикроскопических квантовых флуктуаций. Его мысли постоянно отвлекали возмутительные кошачьи рулады под окном. Неожиданно у него родилась мысль о любопытном эксперименте, который впоследствии стал широко известен как «кошка Шрёдингера». Кошку помещают в наглухо закрытый ящик с детектором радиоактивного распада и молотком, закрепленным над колбой с летучим ядом. Если радиоактивный элемент распадается, то срабатывает пусковой механизм, и молоток разбивает колбу. Вероятность этого грустного события (для кошки) — ровно пятьдесят процентов.

Таким образом, когда экспериментатор открывает ящик, то у него равные шансы обнаружить живую или мертвую кошку. При этом по законам квантовой физики получается, что квантовое состояние кошки в закрытом ящике будет смесью состояния мертвой кошки с состоянием живой. Понять это с точки здравого смысла совершенно невозможно, хотя уже два тысячелетия церковники дурачат нам рассказами о воскресших (то есть де-факто мертвых, но де-юре живых) святых пророках.

Философы науки до сих пор путаются в объяснении подобных парадоксов. Кошка не может быть одновременно наполовину живой и наполовину мертвой от яда, как не может быть человек наполовину усопшим в могиле и наполовину воскресшим на небесах.

Сам Хокинг так объяснял смысл мысленного опыта с кошкой Шрёдингера: суть парадокса в том, что подчеркивается противоречивость объединения большого и сверхмалого. Трудности интерпретации возникают оттого, что экспериментатор подходит к «квантовой кошке» с мерками повседневной реальности, где любой живой организм — кошка или человек — имеет определенную и единственную предысторию. Но весь фокус в том, что в квантовой физике предлагаются совсем иные взгляды на реальность. Каждый микроскопический квантовый объект имеет не единственную предысторию, а целый их веер. В большинстве случаев вероятность какой-то одной предыстории отменяется вероятностью несколько иной, но в определенных случаях вероятности соседних предысторий только усиливают друг друга. И одну из этих усиленных предысторий мы видим как предысторию объекта.

В случае с кошкой Шрёдингера две возможные предыстории усилили друг друга. В одной кошка отравлена, а в другой — жива. В квантовой теории обе возможности могут существовать вместе. Но некоторые современные философы сбиваются с толку, поскольку косвенно предполагают, что кошка или некий Иешуа Назаретянин могут иметь только одну предысторию.

Спор между сторонниками и противниками абсолютной фундаментальности квантовой теории еще далеко не закончен и изредка разгорается с новой силой, вводя в круг обсуждаемых вопросов весьма необычные и даже фантастические предметы, такие как «квантовое сознание наблюдателя». Все это еще раз подчеркивает, насколько далеки от повседневной действительности современные концепции теоретической физики. Во всяком случае они, так или иначе, во многом противоречат обыденным представлениям об окружающем нас классическом мире. Исходя из этого многие ученые, особенно занимающиеся другими разделами физики, просто считают квантовую теорию очень удачным математическим образом, позволяющим успешно предсказывать исход тех или иных экспериментов в микрофизике.