Текст книги "Скрытая реальность. Параллельные миры и глубинные законы космоса"

Автор книги: Брайан Грин

сообщить о нарушении

Текущая страница: 23 (всего у книги 38 страниц)

Некоторые исследователи уверены, что этим программа Эверетта завершается. А некоторые – нет.

Отсутствие согласия по важнейшему вопросу – как трактовать вероятности в многомировом подходе – отнюдь не является неожиданным. Проводимые исследования в высшей степени сложны технически, и затрагиваемая тема – вероятность – весьма коварна даже при обычном применении, за рамками квантовой теории. Все согласятся, что при бросании игральной кости есть 1 шанс из 6, что выпадет тройка, поэтому мы предсказываем, что через, например, 1200 бросаний тройка выпадет примерно 200 раз. Но так как очень даже возможно и, на самом деле, очень вероятно, что число выпадений тройки отклонится от 200, то какой тогда смысл мы вкладываем в наше предсказание? Мы хотим сказать, что очень вероятно, что в 1/6 части выпадений будет тройка, однако, произнеся такие слова, мы определили вероятность выпадения тройки, привлекая понятие вероятности. Мы ходим по кругу. Эта ситуация лишь отчасти демонстрирует то, насколько концептуально размыта постановка обсуждаемых вопросов, даже если отвлечься от их внутренней математической сложности. А если добавить сюда многомировую идею, что понятие «вы» больше не относится к одной личности, то немудрено, что учёные тут же обнаружат миллион причин для спора. Я почти уверен, что однажды наступит полная ясность, но не сейчас, и, возможно, пройдёт ещё какое-то время.

Предсказание и понимание

Несмотря на все противоречия, сама по себе квантовая механика является не менее успешной, как и любая другая теория в истории физических идей. Как мы видели, причина этого в том, что для определённых типов экспериментов, которые можно поставить в лаборатории, а также для многих наблюдений астрофизических процессов, у нас есть «квантовый алгоритм», выдающий проверяемые предсказания. С помощью уравнения Шрёдингера вычислите эволюцию рассматриваемой волны вероятности и воспользуйтесь полученными результатами – различными высотами волны – для предсказания вероятности возникновения того или иного исхода. Что касается самих предсказаний, то почему этот алгоритм работает – схлопывается ли волна при измерении, реализуется ли каждая возможность в своей собственной вселенной, идёт ли при этом ещё какой-нибудь процесс – это совершенно вторично.

Некоторые физики утверждают, что даже называя этот вопрос вторичным, мы придаём ему больше веса, чем он заслуживает. По их мнению, роль физики состоит исключительно в том, чтобы делать предсказания, и если разные подходы не влияют на конечный ответ, то почему нас должно волновать, какой из них на самом деле правильный? Я приведу три причины.

Во-первых, кроме предсказаний физические теории должны быть математически непротиворечивы. Усилия Копенгагенской школы заслуживают только похвалы, но их метод не соответствует приведённому выше стандарту: в критический момент наблюдения метод прячется в кусты.^{78} Такая брешь в подходе весьма существенна. Многомировой метод нацелен на преодоление этого недочёта.

Во-вторых, в некоторых ситуациях предсказания многомирового подхода дают отличный от предсказаний Копенгагенской школы результат. В копенгагенском подходе процесс схлопывания приведёт к пересмотру картинки на рис. 8.16а – будет один пик вместо двух. Так что если вы сможете заставить две волны, изображённые на этом рисунке, соответствующие макроскопически различным ситуациям, интерферировать, порождая узор, как на рис. 8.2в, это будет свидетельствовать о том, что копенгагенское схлопывание волны не произошло. Как обсуждалось ранее, по причине декогерентности достичь этого невероятно сложно, но, по крайней мере, теоретически копенгагенский и многомировой подходы приводят к различным предсказаниям.^{79} Это важный и принципиальный момент. Копенгагенский и многомировой подходы часто считаются разными «интерпретациями» квантовой механики. Так говорить неправильно. Если два подхода могут привести к различным предсказаниям, то вы не можете называть их всего лишь интерпретациями. Конечно, вы можете. И многие так делают. Но эта терминология неверна.

В-третьих, физика – это не только способ делать предсказания. Если однажды мы найдём чёрный ящик, всегда аккуратно предсказывающий результаты наших экспериментов по физике частиц, а также астрономических наблюдений, то существование этого ящика не приведёт к окончанию исследований в этих областях. Есть разница между продуцированием и пониманием предсказаний. Прелесть физики, смысл её существования в том, что она предлагает понимание того, почему вещи во Вселенной ведут себя так, а не иначе. Способность предсказывать является существенной частью мощи физической науки, но сама её суть исчезнет, если она не приведёт нас к глубокому пониманию скрытой реальности, лежащей за нашими наблюдениями. И если многомировой подход верен, то насколько захватывающая реальность откроется благодаря нашему неистребимому стремлению к истолкованию предсказаний.

Я не жду, что на моём веку мы достигнем теоретического или экспериментального консенсуса относительно того, какой из вариантов реальности – одна вселенная, мультивселенная, или что-то совсем другое – реализуется в квантовой механике. Но я не сомневаюсь, что будущие поколения, оглянувшись назад, сочтут нашу работу в двадцатом и двадцать первом столетиях превосходным фундаментом для картины, которая, в конце концов, проявится.

Глава 9. Чёрные дыры и голограммы
Голографическая мультивселенная

Платон говорил, что наши взгляды на мир сродни взглядам древних предков, наблюдающих за пляшущими тенями на скудно освещённых стенах пещеры. Он утверждал, что наши ощущения – это не более чем слабое отражение гораздо более богатой реальности, проблёскивающей за пределами досягаемости. Похоже, что два тысячелетия спустя пещера Платона может стать чем-то бо́льшим, чем просто метафорой. Переворачивая с ног на голову его рассуждения, может оказаться, что реальный мир – а не просто его тень – живёт на удалённой граничной поверхности, в то время как всё, что мы видим в трёх привычных пространственных измерениях, это проекция происходящего где-то там далеко. Можно сказать, что реальность похожа на голограмму. Или, на самом деле, на голографическое кино.

Являясь, возможно, наиболее странной реализацией идеи о параллельных мирах, голографический принцип предполагает, что всё, что мы ощущаем, может быть полностью эквивалентным образом описано в виде нечто, происходящего на тонкой и удалённой поверхности. Он утверждает, что если было бы возможно понять законы, управляющие физикой на этой удалённой поверхности, и то, как происходящие там явления связаны с нашим опытом здесь, мы смогли бы полностью разобраться в окружающей действительности. Версия мира теней Платона – параллельное, но совершенно непривычное воплощение повседневных явлений – станет реальностью.

Для анализа этой весьма своеобразной возможности требуются глубокие и обширные знания – из общей теории относительности, теории чёрных дыр, термодинамики, квантовой механики, а также самые современные исследования по теории струн. Нитью, объединяющей эти несхожие области, является природа информации в квантовой вселенной.

Информация

Джон Уилер помимо способности находить и взращивать очень талантливых молодых учёных (помимо Хью Эверетта, его студентами были Ричард Фейнман, Кип Торн и, как мы вскоре увидим, Якоб Бекенштейн) обладал необъяснимой способностью ставить вопросы, изучение которых может изменить наши фундаментальные представления об устройстве природы. Однажды во время ланча в Принстоне в 1998 году я спросил его, что по его мнению будет доминантной темой в физике в последующие десятилетия. Он наклонил голову, как уже не раз делал в тот день, будто его стареющий скелет устал поддерживать такой могучий интеллект. Однако, теперь пауза затянулась, что заставило меня сомневаться, хочет ли он отвечать на мой вопрос или вообще забыл о нём. Но затем он медленно поднял свой взгляд на меня и промолвил одно единственное слово: «Информация».

Я не удивился. В течение некоторого времени он придерживался совершенно отличной точки зрения на физические законы по сравнению с тем, чему молодых физиков обучают в стандартных университетских курсах. Традиционно физика рассматривает объекты – планеты, камни, атомы, частицы, поля – и изучает силы, влияющие на их поведение и управляющие их взаимодействиями. Уилер полагал, что объекты – вещество и излучение – следует рассматривать как вторичные, как носителей более абстрактной и более фундаментальной сущности: информации. Уилер не утверждал, что вещество и излучение являются в том или ином смысле эфемерными; он считал, что их следует рассматривать как материальные проявления чего-то более фундаментального. Он считал, что информация – то, где частица находится, каков её спин, положителен её заряд или отрицателен, и так далее – образует цельное ядро в сердце реальности. То, что такая информация реализуется в реальных частицах, занимающих реальные положения, имеющие определённые спины и заряды, чем-то похоже на то, как рисунок архитектора воплощается в построенном небоскрёбе. Фундаментальная информация отражена в рисунке. Небоскрёб – это всего лишь реализация заложенной в проекте архитектора информации.

С этой точки зрения нашу вселенную можно рассматривать как информационный процессор. Он берёт информацию, касающуюся устройства вещей сейчас, и порождает информацию, характеризующую устройство вещей в следующем сейчас, и в последующем сейчас. Наши чувства улавливают этот процесс, замечая изменения окружающей среды во времени. Но окружающая среда сама является производной; она возникает из фундаментального ингредиента, информации, и развивается согласно фундаментальным правилам, законом природы.

Я не знаю, будет ли такая информационно-теоретическая установка доминировать в физике, как считал Уилер. Однако недавно, во многом благодаря работам физиков Герарда т’Хоофта и Леонарда Сасскинда, в сознании учёных произошёл сдвиг, вызванный изучением нетривиальных вопросов, касающихся поведения информации в одном особенном экзотическом контексте: в чёрных дырах.

Чёрные дыры

В течение года после публикации общей теории относительности немецкий астроном Карл Шварцшильд нашёл первое точное решение уравнений Эйнштейна, которое определяет форму пространства и времени в окрестности массивного сферического объекта, подобного звезде или планете. Замечательно не только то, что Шварцшильд нашёл своё решение, занимаясь вычислением траекторий артиллерийских снарядов на русском фронте во время Первой мировой войны, но также то, что он обыграл самого мастера игры – к тому моменту Эйнштейн нашёл лишь приближённые решения уравнений общей теории относительности. Эйнштейн был очень впечатлён и огласил достижения Шварцшильда, представив его работу перед Прусской академией наук; но даже он не смог увидеть то, что станет самым важным звеном наследия Шварцшильда.

Решение Шварцшильда показывает, что обычные тела, такие как Солнце и Земля, не сильно искривляют пространство, порождая очень мягкое давление на пространственно-временной батут, который в их отсутствие оставался бы плоским. Это хорошо соответствовало приближённым решениям Эйнштейна, которые ему удалось найти ранее. Но Шварцшильд смог выйти за рамки приближений. Его точное решение обладало поразительным свойством: если достаточное количество массы сжать до объёма небольшого шара, то возникнет гравитационная пропасть. Пространственно-временная кривизна станет настолько экстремальной, что всё, что отважится оказаться слишком близко, будет захвачено в ловушку. Поскольку это «всё» включает свет, такие области потемнеют и станут чёрными, что явилось причиной исходного термина «чёрные звёзды». Экстремальное искривление заставит замереть на краю звезды даже время: отсюда возник другой термин – «замёрзшие звёзды». Спустя полвека Уилер, который столь же хорошо умел рекламировать вещи, как и заниматься физикой, сделал популярными такие звёзды как среди научной общественности, так и у любителей науки, дав им более запоминающееся имя: «чёрные дыры». Название прижилось.

Когда Эйнштейн прочёл статью Шварцшильда, он согласился с математическими выкладками применительно к обычным звёздам и планетам. Однако выкладки насчёт того, что теперь называется чёрными дырами, Эйнштейн воспринял с улыбкой. В те времена даже Эйнштейну было трудно полностью разобраться в сложной математической структуре общей теории относительности. И хотя до появления современного понимания чёрных дыр оставалось несколько десятилетий, интенсивное сворачивание пространства и времени, уже в то время с очевидностью следовавшее из уравнений, было, по мнению Эйнштейна, слишком радикальным, чтобы быть правдой. Так же как спустя несколько лет он будет сопротивляться идее космического расширения, Эйнштейн отказывался верить, что такая экстремальная конфигурация вещества является чем-то бо́льшим, чем вышедшими из-под контроля математическими манипуляциями, хоть и вытекающими из его собственных уравнений.^{80}

Когда вы видите числа, которые возникают из уравнений, и вы можете легко прийти к такому же выводу. Чтобы звезда с массой Солнца стала чёрной дырой, она должна сжаться до шара размером приблизительно три километра в поперечнике; тело с массой Земли станет чёрной дырой, только если сожмётся до шарика диаметром в один сантиметр. Идея о существовании таких экстремальных конфигураций вещества кажется просто смехотворной. Всё же за прошедшие десятилетия астрономы собрали многочисленные наблюдательные данные, свидетельства относительно того, что чёрные дыры существуют и их много. Широко признано, что в центре огромного количества галактик может находиться чёрная дыра; считается, что наша собственная галактика Млечный Путь вращается вокруг чёрной дыры, масса которой примерно равняется трём миллионам масс Солнца. Есть даже шанс, как обсуждалось в главе 4, что на Большом адронном коллайдере можно сгенерировать крошечные чёрные дыры посредством «утрамбовывания» массы (и энергии) протонов, сталкивающихся на очень высоких энергиях, в такой крохотный объём, что можно снова применить результаты Шварцшильда, хоть и на микроскопических расстояниях. Являясь выдающейся демонстрацией способности математики высветить самые тёмные уголки нашей Вселенной, чёрные дыры стали центром внимания современной физики.

Помимо того, что чёрные дыры – это находка для наблюдательной астрономии, они также стали богатым источником вдохновения в теоретических исследованиях, создавая математический плацдарм, на котором физики могут апробировать применимость своих идей, изучая с помощью бумаги и ручки одно из самых экстремальных явлений природы. Именно так получилось, когда в начале 1970-х годов Уилер осознал, что если почтенный Второй закон термодинамики – на протяжении примерно столетия являющийся указующим перстом для понимания взаимосвязи между энергией, работой и теплом – рассматривать применительно к окрестности чёрной дыры, то похоже, что он перестаёт работать. Свежий взгляд на этот вопрос Якоба Бекенштейна, студента Уилера, пришёл на выручку, посеяв при этом семена возникшего впоследствии голографического принципа.

Второй закон

Афоризм «лучше меньше, да лучше» имеет много форм. «Убрать всё лишнее». «Нужны только факты и ничего кроме фактов». «Меньше знаешь, крепче спишь». «Справок не даём!» Эти крылатые выражения настолько часто встречаются потому, что ежедневно, ежесекундно на нас сваливаются тонны информации. К счастью, в большинстве случаев наше восприятие отбрасывает ненужные подробности, оставляя лишь то, что действительно имеет значение. Если я нахожусь в саванне и вижу льва, меня не волнуют детали движения фотонов, отражающихся от его шкуры. Слишком много информации! Я хочу знать всего лишь некоторые общие свойства, те самые, которые воспринимают наши глаза и передают в мозг для обработки. Движется ли лев на меня? Он припал к земле и крадётся? Дайте мне посекундное описание движения каждого фотона, и, несомненно, я буду знать всё досконально. Но понимания от этого не прибавится. Действительно, меньше значительно лучше.

Аналогичные рассуждения играют центральную роль в теоретической физике. Иногда мы хотим знать каждую микроскопическую деталь системы, которую изучаем. В определённых местах вдоль 27-километрового туннеля Большого адронного коллайдера, в котором сталкиваются частицы, физики поместили громадные детекторы, способные отследить с невероятной точностью траектории порождаемых осколков частиц. Эти данные существенны для понимания фундаментальных законов физики частиц; они настолько подробные, что годичные наблюдения заполнят стопку DVD-дисков, в пятьдесят раз превышающую Эмпайр-стейт-билдинг. Подобно импровизированной встрече со львом, в физике есть другие ситуации, когда такой уровень подробности лишь затуманивает, а не проясняет. В разделе физики девятнадцатого столетия, называемом термодинамикой, или, в более современном варианте, статистической механикой, рассматриваются как раз такие системы. Паровой двигатель, технологическая инновация, положившая начало термодинамике – как и индустриальной революции – является прекрасной иллюстрацией.

Основу парового двигателя составляет бак с водяным паром, который расширяется при нагревании, двигая поршень вперёд, и сжимается при остывании, возвращая поршень в исходное положение, после чего он готов вновь выдвинуться вперёд. В конце девятнадцатого столетия и в начале двадцатого физики разработали молекулярное обоснование устройства материи, которое, помимо всего прочего, привело к микроскопическому описанию работы пара. При нагревании скорость молекул H₂O возрастает и убыстряются их удары о дно поршня. Чем более они разогреты, тем быстрее движутся и сильнее ударяют. Простое, но крайне важное для термодинамики наблюдение состоит в том, что для понимания давления пара не требуется знание подробностей того, какие именно молекулы имеют ту или иную скорость и где именно они ударили по дну поршня. Со списком миллиарда миллиардов траекторий молекул я буду выглядеть таким же озадаченным, как со списком отражающихся от львиной шкуры фотонов. Чтобы представить давление на поршень, мне надо знать только среднее количество молекул, которые ударяют о дно поршня за данный временной интервал, и среднюю скорость в момент столкновения. Эти данные достаточно приближённые, но полезна именно такая урезанная информация.

При разработке математических методов систематического пожертвования подробностями в пользу более общего понимания физики изобрели широкий диапазон методов и развили ряд глубоких понятий. Одно из таких понятий, с которым мы кратко познакомились в предыдущих главах – это энтропия. Энтропия изначально была введена в середине девятнадцатого столетия для количественного описания рассеяния энергии в двигателях внутреннего сгорания, но современная точка зрения, введённая Людвигом Больцманом в 1870-х годах, такова, что энтропия является характеристикой того, насколько тонко упорядочена – или нет – данная система, для того чтобы иметь такой вид, какой она имеет.

Чтобы прочувствовать это, представьте сценку, в которой некий парень, Феликс, в ярости кричит, что в их дом проникли воры. «У нас всё переворошили!» – в гневе говорит он своему другу Оскару. Оскар отмахивается – он знает, что у Феликса бывают приступы подозрительности. Чтобы успокоить Феликса, Оскар распахивает дверь в свою комнату, где валяется разбросанная повсюду одежда, остатки пиццы и пустые банки из-под пива. «Выглядит как обычно», – рявкает он. Феликс не обращает на это внимания. «Конечно же, она выглядит как обычно – свинарник и после вторжения остаётся свинарником. Но взгляни на мою комнату!» И он открывает свою дверь. «Всё переворошили…» – хмыкает Оскар. – «Да она чище, чем неразбавленный виски!» «Да, чище. Но вторжение не осталось незамеченным. Смотри, вот баночки с витаминами – теперь они не выстроены в порядке уменьшения размера баночек. А сборник сочинений Шекспира? Не в алфавитном порядке! А ящик для носков? Посмотри на это – чёрные носки вперемешку с синими! Я тебе говорю, у нас всё переворошили. Это совершенно очевидно!»

Если не обращать внимания на истерику Феликса, данная ситуация подчёркивает простой, но существенный момент. Если что-то находится в большом беспорядке, как комната Оскара, то при большом количестве всяких разных перестановок содержащихся в нём составных частей общий вид остаётся прежним. Соберите двадцать шесть мятых рубашек, валяющихся на кровати, на полу, в гардеробе, и снова разбросайте их повсюду, разбросайте заново сорок две пустые банки из-под пива – и квартира всё равно будет выглядеть по-прежнему. Но когда что-то очень сильно упорядочено, как квартира Феликса, даже небольшая перемена становится заметной.

Это различие лежит в основе математического определения энтропии, данного Больцманом. Возьмите любую систему и подсчитайте число способов, которыми её компоненты могут быть переставлены, сохраняя при этом общий макроскопический вид.[50]50
  Это не совсем точное определение, но оно вполне подходит для настоящих целей. Мы его скоро уточним.


[Закрыть] Если есть большое число таких перестановок, то энтропия высока: система находится в сильном беспорядке. Если число таких перестановок мало, энтропия низкая: система высоко упорядочена (или, эквивалентно, имеет малый беспорядок).

В качестве более привычного примера рассмотрим контейнер с паром и куб изо льда. Будем рассматривать только их совокупные макроскопические свойства, которые можно наблюдать или измерять, не зная при этом детального состояния составляющих их молекул. Если опустить и вынуть руку из пара, то вы перемешаете между собой миллиарды молекул H₂O, но при этом пар будет выглядеть столь же однородным, как и ранее. Но измените случайным образом положения и скорости многих молекул в куске льда, и результат вы увидите незамедлительно – кристаллическая структура льда будет разрушена. Появятся трещины и сколы. Пар, со случайно летающими по контейнеру молекулами H₂O, обладает высокой степенью беспорядка; лёд, молекулы H₂O которого расположены регулярным образом в кристаллической решётке, высоко упорядочен. Энтропия пара высока (много перестановок не приведут к изменению его вида); энтропия льда низкая (только небольшое количество перестановок не приведёт к изменению его вида).

Оценивая чувствительность макроскопического облика системы к её микроскопическому устройству, энтропия является естественным понятием в математическом формализме, который описывает совокупные физические свойства системы. Второй закон термодинамики развивает эту мысль количественным образом. Он устанавливает, что со временем полная энтропия системы будет возрастать.[51]51
  Как только система достигает конфигурации с максимальной энтропией (подобно пару при фиксированной температуре, однородно заполняющему контейнер), то все возможности для дальнейшего увеличения энтропии оказываются исчерпанными. Поэтому более точное утверждение таково, что энтропия возрастает, пока не достигнет наибольшего значения, допускаемого системой.


[Закрыть] Чтобы понять, почему так происходит, достаточно самых элементарных представлений о вероятности и статистике. По определению, конфигурация с высокой энтропией может реализоваться посредством большего числа микроскопических перестановок, чем конфигурация с меньшей энтропией. По мере эволюции системы она с огромной долей вероятности оказывается в состоянии с высокой энтропией, потому что, попросту говоря, таких состояний больше, чем остальных. Значительно больше. При выпекании хлеба вы чувствуете его запах по всему дому, потому что существует на триллионы больше конфигураций молекул, вылетающих из хлеба, таких, что они заполняют однородно весь дом, распространяя аромат свежевыпеченного хлеба, чем конфигураций, в которых молекулы плотно собираются в углу кухни. Случайные движения разогретых молекул почти наверняка будут направлены так, что молекулы сформируют одну из многочисленных распределённых по всему дому конфигураций, а не образуют одну из немногих скучкованных в углу конфигураций. Таким образом, набор молекул переходит от низкой энтропии к высокой, и в этом состоит действие Второго закона.

Эта идея универсальна. Бьющееся стекло, гаснущая свеча, расплывающиеся чернила, распространяющийся запах духов: это разные процессы, но их статистическое рассмотрение одинаково. В каждом из них порядок переходит в беспорядок, и это происходит потому, что есть масса способов создать беспорядок. Красота такого анализа – понимание этого вызвало моё самое восторженное «Вот это да!» в процессе моего физического образования – состоит в том, что не теряясь в микроскопических деталях, у нас есть ведущий принцип для объяснения, почему огромное количество явлений происходят так, а не иначе.

Следует отметить, что будучи по своей природе статистическим, Второй закон не утверждает, что энтропия не может уменьшиться, однако такое событие крайне маловероятно. Молекулы только что добавленного в чашку кофе молока могут, в результате своих случайных движений, объединиться в плавающую статуэтку Санта Клауса. Но не дождётесь. Плавающий Санта из молока имеет очень низкую энтропию. Если переместить несколько миллиардов молекул, вы увидите, что у Санты пропала голова или рука, или он растёкся в абстрактный белый завиток. По сравнению с этим конфигурация, в которой молекулы молока однородно распределены по чашке, имеет значительно более высокую энтропию: огромное число перегруппировок по-прежнему выглядит как обычный кофе с молоком. Тогда, с огромной долей вероятности добавленное в ваш чёрный кофе молоко придаст ему однородный коричневатый оттенок, в котором трудно будет разглядеть очертания Санты. Аналогичные рассуждения справедливы для огромного количества переходов от высокой к низкой энтропии, так что кажется, что Второй закон несокрушим.