Игра в квантовые кошки. Без мышек

Хокинг С., Пенроуз Р. Природа пространства и времени / Пер. с англ. А.Беркова, В.Лебедева. - Спб.: Амфора. ТИД Амфора, 2007. - 171 с. - (Серия "Новая эврика"). ISBN 978-5-367-00590-5.

Если вы хотите - нет, не узнать! - почувствовать, попытаться ощутить всю умопомрачительную сложность того физического континуума, который мы привычно называем мирозданием, вам категорически необходимо попробовать прочитать эту книжку. Дискуссия между Роджером Пенроузом и Стивеном Хокингом, представленная в ней, - это завершающий аккорд полугодовой программы, проведенной в 1994 году в Институте математических наук имени Исаака Ньютона при Кембриджском университете.

Выдающийся российский нейрофизиолог, академик Павел Симонов в одной из своих работ утверждал: "Наука опирается на принципы презумпции доказанного, она имеет дело только с явлениями, реальность которых доказана их закономерной повторяемостью, возможностью воспроизведения результатов эксперимента, доступностью ныне существующим методам исследования. Все остальное принадлежит царству веры...

Увы, эффективность и адекватность такого критерия научности весьма спорна. Некоторые современные научные модели - это принципиально непроверяемые мыслительные конструкты. Таковы, например, космологические модели Большого Взрыва (Big Bang), теория суперструн, "теория рождения Вселенной из ничего" (термин квантовой физики)? Не случайно известный американский научный журналист Джон Хорган заметил: "Физики, работающие над теорией суперструн <...> больше не занимаются физикой, потому что их теории никогда не могут быть подкреплены экспериментами, а только субъективными критериями, такими как элегантность и красота. Физике частиц грозит стать ветвью эстетики".

И, судя по диалогу, который ведут Хокинг и Пенроуз, это отнюдь не метафора.

"... поскольку конечная точка горизонтальной линии удалена из пространства-времени, генератор границы не может иметь конечных точек в прошлом. Такое пространство-время является неполным, однако это может быть исправлено умножением метрики на подходящий конформный множитель вблизи конца горизонтальной линии". Это типичный образчик аргументации, которую используют во взаимных "пикировках" Пенроуз и Хокинг.

Тут надо сказать пару слов о форме, в которой представлены эти "пикировки". Здесь мы имеем дело с классической (архетипической даже) формой научного текста - диалогом: "Диалоги" Платона, галилеевский "Диалог о двух главнейших системах мира - птолемеевой и коперниковой", "Decameron Phisiologicum" Томаса Гоббса... И в наше время эта универсальная "упаковка" для "скоропортящихся физических идей" нет-нет да используется. В России, например, была издана замечательная книга выдающихся отечественных ученых Игоря Кобзарева и Юрия Манина - "Элементарные частицы. Диалоги физика и математика" (М.: 1997).

Шесть глав рассматриваемой нами книги - это шесть лекций, прочитанных Пенроузом и Хокингом: каждый - по три. Хокинг: "Классическая теория", "Квантовые черные дыры", "Квантовая космология"; Пенроуз: "Структура пространственно-временных сингулярностей", "Квантовая теория и пространство-время", "Твисторный взгляд на пространство-время". Плюс короткая глава "Обсуждение".

Хокинг и Пенроуз - коллеги, выдающиеся физики-теоретики современности. (Кстати, Пенроуз ассистировал докторскую диссертацию Хокинга в Кембридже.) Они вместе выполнили в 60-70-е годы цикл классических теперь работ по физике черных дыр и возникающих в них так называемых "голых сингулярностей". (То есть гипотетических, но с очень большой вероятностью существующих областей Вселенной, где перестают работать все известные нам законы физики. В них, в сингулярности, как в сливную воронку, утекает материя из нашего мира, утекает наша реальность.) И, что самое удивительное, именно так, по всей видимости, и устроено то самое пространство-время, в котором мы с вами так счастливо имеем возможность пребывать. Выглядит (если вообще можно применить этот глагол к космологическим объектам, о которых идет спор) все это примерно так:

"Пространство-время является сингулярным, если оно содержит неполные времениподобные или нулевые геодезические, но при этом не может быть вложено в большее пространство-время". И то: где тут заканчивается физика, где начинается эстетика (и наоборот) - бог весть.

А тут еще, возможно, главный персонаж этой книги - шредингеровский кот. Он гуляет со страницы на страницу, незаметно исчезая и внезапно появляясь в самых интересных местах повествования...

Мысленный эксперимент Эрвина Шредингера с котом стал уже классическим в любом тексте, где речь заходит о принципах квантовой механики (КМ). Эксперимент этот прост. Допустим, мы поместили кота в некий ящик. Допустим далее, что испускается фотон, который проходит через полупосеребренное зеркало. Прошедшая часть волновой функции фотона взаимодействует с детектором. Если фотон детектируется, то автоматически производится выстрел из пистолета, который убивает кота. Если фотон не детектируется, то кот остается жив. Так вот, с точки зрения КМ, актуальное состояние кота при взгляде на него - суперпозиция двух его состояний: "кот наполовину жив" и "кот наполовину мертв". Одновременно и актуально.

"Я знаю, что Стивен не одобряет издевательств над котом даже в мысленном эксперименте!" - иронизирует по ходу дела Пенроуз. Шутки шутками, но "крышу" от такого предположения действительно сносит. Эйнштейн, например, отказывался принять точку зрения, согласно которой квантовая механика - окончательная теория. Он считал ее философски неадекватной, и это стало предметом его знаменитого физико-философского спора с Нильсом Бором.

Альберту Эйнштейну принадлежит знаменитая фраза: "Большие первоначальные успехи теории квантов не могли меня заставить поверить в лежащую в ее основе игру в кости".

Бор придерживался как раз ортодоксальной pro-квантовой точки зрения. В нынешней дискуссии роль Эйнштейна играет Пенроуз, Бора - Хокинг.

Вот как сам Хокинг формулирует свою позицию:

"... черная дыра все-таки может испускать излучение, которое является в точности тепловым. Это слишком красивый результат, чтобы оказаться простым совпадением или каким-либо приближением? Внутренняя энтропия означает, что рассмотрение гравитации вводит новый уровень непредсказуемости сверх той, которую обычно связывают с квантовой теорией. Таким образом, Эйнштейн был не прав, заявляя, что "Бог не играет в кости". Изучение черных дыр показывает, что Бог не только играет в кости, но и иногда обманывает нас, бросая их туда, где мы не можем их видеть". (Последнее замечание - это фактически адаптированное изложение принципа космической цензуры: невозможность для внешнего наблюдателя увидеть сингулярность, то есть Большой взрыв или черную дыру. Обсуждению возможности этой невозможности отведено немало места в книге.)

Вообще, Стивен Хокинг на протяжении всей дискуссии выступает более экспрессивно и иронично, чем Пенроуз. Учитывая, что скорость общения Стивена с внешним миром - 15 слов в минуту (последствия бокового амиатрофического синдрома), - это дорогого стоит.

Хокинг утверждает, что потеря информации в процессе испарения черной дыры невосполнима.

Пенроуз тоже непреклонен: потеря квантовой информации в результате испарения черной дыры сбалансирована спонтанными изменениями квантовых состояний, которые вводят информацию обратно внутрь черной дыры?

По Хокингу, никакого исходного материала для Большого взрыва и не требуется - сильные гравитационные поля вполне могут создавать материю.

"Истинная теория квантовой гравитации должна заменить наши сегодняшние представления о пространстве-времени в сингулярностях, - по-академически упорен Пенроуз. - Она должна дать ясный и четкий способ рассмотрения того, что в классической теории мы называем сингулярностями. И она должна быть не просто несингулярным пространством-временем, а чем-то совершенно другим"...

И это действительно очень серьезная проблема современной теоретической физики: чем фундаментальнее вопросы вы задаете Природе, чем фундаментальнее теорию вы пытаетесь построить, тем труднее ее экспериментально проверить.

Вот и "раскрученной" сегодня теории струн (элементарные частицы, согласно этой теории, - крошечные петли вибрирующих струн; все наблюдаемые свойства элементарных частиц - проявление различных типов колебаний этих струн) достается по полной от того же Хокинга:

"... причина, по которой я не хочу обсуждать теорию струн, состоит в том, что в ней не сделано проверяемых предсказаний?

Пока что результаты струнной теории довольно голословны: она не может описать даже структуру Солнца, уж не говоря о черных дырах.

Врезав таким образом по теории струн, я вернусь к Евклидову подходу и условию отсутствия границ".

Мало того, даже сами творцы теории струн вынуждены признавать: "В действительности математический аппарат теории струн столь сложен, что сегодня никто даже не знает точных уравнений этой теории" (Брайан Грин. "Элегантная Вселенная". М.: 2004). То есть в данном случае не срабатывает даже максима, предложенная мудрейшим Бертраном Расселом: "Материя - это то, что описывается уравнениями физики".

Итак, парадоксальным образом, чем более фундаментальные открытия делает современная физика, тем все менее и менее понятным становится окружающий нас мир. Что такое материя, пространство, время? Сегодня попытка ответить на эти тривиальные, казалось бы, вопросы приводит нас в такие физико-математические и философские дебри, из которых не знает выхода никто.

Впрочем, возможно, поэты знают.

"Когда ты невольно вздрагиваешь, чувствуя, как ты мал,

помни: пространство, которому, кажется, ничего

не нужно, на самом деле нуждается сильно во

взгляде со стороны, в критерии пустоты.

И сослужить эту службу способен только ты".

Иосиф Бродский ("Назидание")

© Содержание - Русский Журнал, 1997-2015. Наши координаты: info@russ.ru Тел./факс: +7 (495) 725-78-67