Вечность. В поисках окончательной теории времени - Кэрролл Шон. Страница 76

Физики, желающие подчеркнуть, что это не просто набор каких-то законов, сформулированных Ньютоном, называют ньютоновскую механику «классической» механикой. Классическая механика — это способ мышления о глубинной структуре мира. Разные типы объектов — бейсбольные мячи, молекулы газа, электромагнитные волны — подчиняются разным правилам, но все эти правила по своей структуре однотипны. Суть сходства в том, что у любого объекта есть определенного рода «положение» и определенного рода «импульс», и на основе этой информации можно предсказывать, что будет происходить дальше.

Подобная структура повторяется во множестве контекстов: собственная теория гравитации Ньютона, разработанная Максвеллом теория XIX века об электричестве и магнетизме и общая теория относительности Эйнштейна вписываются в рамки этого шаблона. Классическую механику нельзя назвать еще одной теорией; это парадигма, способ концептуализации сути физической теории, продемонстрировавший поразительный масштаб успеха при применении на эмпирическом уровне. После публикации Ньютоном в 1687 году его шедевра Philosophiæ Naturalis Principia Mathematica («Математические начала натуральной философии») стало практически невозможно вообразить, что физикой можно заниматься как-то по-другому. Мир сделан из тел, характеризующихся положениями и импульсами, которые перемещаются под воздействием определенных наборов сил; задачей физики было классифицировать эти тела по типам и выяснить, что за силы на них действуют. На этом ее работа должна была быть закончена.

Тем не менее мы с вами уже знаем, что не все так просто и классическая механика неверна. В первые десятилетия XX века физикам, пытающимся разобраться в поведении материи в микроскопических масштабах, пришлось постепенно смириться с мыслью о том, что старые правила придется объявить недействительными и заменить чем-то еще. Этим чем-то еще стала квантовая механика — возможно, величайший триумф человеческого разума и воображения за всю историю. Квантовая механика предлагает картину мира, радикально отличающуюся от картины, создаваемой классической механикой, и ученые никогда всерьез не задумались бы о ней, если бы экспериментальные данные не исключали любые другие варианты. Сегодня квантовая механика наслаждается статусом, который с гордостью носила классическая механика на заре XX века: она с успехом прошла множество эмпирических проверок, и большинство исследователей согласны, что окончательные законы физики должны быть квантово-механическими по природе.

Однако, несмотря на такой триумф, квантовая механика остается чрезвычайно загадочным предметом. Физики полностью доверяют квантовой механике в смысле практического применения: они строят теории, делают предсказания и экспериментально проверяют теоретические результаты, не встречая на этом пути никаких двусмысленностей или неопределенностей. Тем не менее мы до сих пор не можем быть до конца уверены, знаем ли мы, что такое в действительности квантовая механика. Есть одно солидное направление интеллектуальной деятельности, на которое тратят свои силы и время немало талантливых ученых и философов. Это направление известно под названием «интерпретация квантовой механики». Столетие назад не было никакой «интерпретации классической механики» — классическая механика достаточно проста и понятна, для того чтобы ее интерпретация не требовала особых усилий. Но что касается квантовой механики, нам пока неясно, как же правильно думать и говорить о ней.

Эта озабоченность интерпретациями порождается единственным базовым отличием между квантовой механикой и классической механикой, одновременно и кажущимся банальным, и имеющим поистине сокрушительные последствия.

Попытки объяснить данный принцип зачастую всего лишь размывают его до полной неузнаваемости. «Это как тот ваш друг с чудесной улыбкой, которого как ни сфотографируешь — улыбка куда-то пропадает». В действительности квантовая механика намного содержательнее. В классическом мире могут возникать сложности с тем, чтобы точно измерить какую-то величину; необходимо соблюдать крайнюю осторожность, чтобы не потревожить изучаемую систему. Однако ничто в классической физике не запрещает нам проявлять такую осторожность. В квантовой механике, с другой стороны, существует непреодолимое препятствие, из-за которого полные и при этом неразрушающие наблюдения физической системы нам недоступны. Это попросту в общем случае невозможно. Что именно происходит, когда вы пытаетесь пронаблюдать за каким-то объектом или системой, и что можно считать фактическим «измерением» — вот основные вопросы. Эта загадка носит крайне полезное название «проблемы измерения» (с тем же успехом «проблемой с машиной» можно было бы назвать ситуацию, когда автомобиль падает с утеса и, пролетая несколько сотен футов, разбивается о скалы на мелкие кусочки). В успешных физических теориях не должно существовать подобных неопределенностей; четкие определения — это главное, что нас в них интересует. Квантовая механика, несмотря на ее несомненную успешность, пока что такого уровня ясности не достигла.

Тем не менее это вовсе не означает, что наука пошла вразнос или что загадками квантовой механики можно оправдывать любые свои убеждения. В частности, квантовая механика не утверждает, что вы способны менять реальность, просто думая о ней, или что современная физика всего лишь заново открыла мудрость древних буддистов. [200] Правила существуют, и мы знаем, как они действуют в условиях, представляющих интерес для нашей повседневной жизни. Однако нам хотелось бы понимать, как эти правила работают в любых ситуациях, какие только можно себе представить.

Большинство современных физиков расправляются с проблемами интерпретации квантовой механики с помощью проверенной веками стратегии «отрицания». Они знают, как правила работают в интересующих их случаях, они могут заставить квантовую механику работать в определенных обстоятельствах и добиться поразительного согласия с экспериментальными данными, и им совершенно не хочется забивать себе голову досадными вопросами о том, что это все означает и можно ли назвать эту теорию абсолютно корректной. Подобная стратегия по большей части вполне отвечает нашим целям в этой книге. Проблема стрелы времени стояла перед Больцманом и его коллегами еще до изобретения квантовой механики, и мы также можем долго и продуктивно рассуждать об энтропии и космологии, не беспокоясь о деталях квантовой механики.

И все же в определенный момент нам придется взглянуть проблеме в лицо. В конце концов, стрела времени — это фундаментальная загадка, и весьма вероятно, что квантовая механика сыграет решающую роль в поиске ответа на нее. Однако есть нечто, представляющее для нас еще больший интерес: тот самый процесс измерения, являющийся средоточием всей интерпретационной неразберихи, обладает примечательным свойством, а именно необратимостью. Один-единственный в толпе общепризнанных и всем известных законов физики, процесс квантового измерения определяет стрелу времени. Однажды выполнив его, вы уже не сможете отменить содеянное. В этом и кроется загадка.

Возможно, эта загадочная необратимость по своей природе аналогична загадочной термодинамической необратимости, описываемой вторым началом: ее создают приближения и отбрасывание информации, тогда как сами по себе фундаментальные физические процессы обратимы. В этой главе я буду отстаивать данную точку зрения. Тем не менее среди экспертов единого мнения по этому вопросу до сих пор нет. Единственное, что не вызывает сомнений, так это необходимость всерьез заниматься проблемой измерений, если нас интересует стрела времени.

Квантовая кошка

Благодаря мысленным экспериментам Эрвина Шрёдингера в научной среде надежно укоренилась традиция при обсуждении квантовой механики ставить опыты на кошках. [201] Кот Шрёдингера был призван иллюстрировать сложности, связанные с проблемой измерения, однако прежде чем углубляться в тонкости, мы потратим немного времени на изучение основ теории. И в наших мысленных экспериментах ни одно животное не пострадает.