Юрий Артамонов - Ли Смолин. Возрожденное время: От кризиса в физике к будущему вселенной

• Название: Ли Смолин. Возрожденное время: От кризиса в физике к будущему вселенной
• Автор: Юрий Артамонов
• Жанр: Современная проза

════Реально ли время? Релятивистский и квантовый полюса современной физики свидетельствуют, что нет, и время является иллюзией. Будущее с точки зрения законов физики фундаментально не отличается от прошлого и полностью определено этими законами и начальными условиями вселенной. Однако, иллюзорность времени приводит к ряду парадоксов и вопросов, на которые нет ответа или приходится отвечать так, что остается неудовлетворенность и чувство тупика. Пример: почему мы имеем те законы, которые имеем? Доминирующая сейчас космологическая парадигма ссылается на теории мультивселенной и антропный принцип, что принципиально не проверяемо и не дает предсказаний наблюдаемых явлений.

════Американский физик-теоретик Ли Смолин в своей четвертой книге "Возрожденное время" утверждает, что есть иной выход. Все обоснования иллюзорности времени опровергаемы. Признание реальности времени открывает ряд новых интригующих возможностей. Например, что законы природы эволюционируют в этом реальном времени и могут быть объяснены своей историей. Или что можно обойти конфликт между объяснением квантовых явлений через скрытые переменные (неизбежно нелокальным) и принципом относительности.

════ Книга программная и вводная, она анонсирует строгий натурфилософский труд по вопросу реальности времени и эволюции законов, который пишется сейчас Смолином вместе с бразильским философом Роберто Унгером. Будет крайне интересно проследить за развитием объявленных идей.

---

к оглавлению

    Рассмотрим атом, состоящий из ядра и нескольких электронов вокруг него. Самое точное описание, которое мы могли бы дать атому, было бы сказать, где находится каждый электрон. Каждое расположение электронов есть конфигурация. Лучшее квантовомеханическое описание дает вместо этого вероятность каждой возможной конфигурации, в которой могут быть найдены электроны [3].

    Как вы можете проверить предсказания теории, если эти предсказания только вероятностные? Подумайте о предсказании, что подброшенная монета упадет лицевой стороной вверх в 50 процентах случаев. Чтобы проверить это, вы не можете подбросить монету только один раз; результат будет или аверс или реверс, и тот или другой согласуется с предсказанием, что каждый вариант появляется в половине случаев. Вам необходимо подбрасывать монету много раз и записывать, какая доля бросков закончилась падением аверсом вверх. Когда вы бросаете монету все больше и больше раз, доля падений аверсом вверх будет стремиться к 50 процентам. То же самое с вероятностными предсказаниями квантовой механики: Чтобы подтвердить их, вам нужно проводить эксперимент много раз [4]. Измерение отдельной квантовой системы подобно однократному подбрасыванию монеты: Какой бы хаотический результат вы не получили, он будет согласовываться почти с любым предсказанием теории.

    Этот метод имеет смысл только в применении к малой изолированной системе вроде атома водорода. Чтобы проверить предсказания, нам требуется большое количество идентичных копий системы; если у нас есть только одна, мы не можем проверить предсказания - поскольку они вероятностные! Мы также должны быть в состоянии манипулировать этой коллекцией систем, приготавливая их изначально в том квантовом состоянии, в котором мы заинтересованы, а затем измеряя что-либо по поводу этих систем. Но если мы имеем множество копий системы в мире, тогда каждая копия должна быть только малой частью того, что существует. Среди вещей, которые не являются частью системы, находятся инструменты и координатные оси, которые мы используем для измерения конфигураций системы.

    Так что применимость квантовой механики оказывается ограниченной изолированными системами. Это развитие Ньютоновской парадигмы - изучение физики в ящике. Чтобы увидеть, насколько сильно метод квантовой механики базируется на изучении изолированных систем, посмотрим, как описывается изменение во времени.

    Законы Ньютоновской физики детерминистичны, что означает, что теория дает определенные предсказания, как система эволюционирует во времени.

к оглавлению

Таким же образом закон квантовой механики говорит нам, как квантовое состояние системы эволюционирует во времени. Этот закон тоже детерминистичен в том смысле, что, задав начальное квантовое состояние, вы можете точно предсказать, каким будет квантовое состояние в более поздний момент времени.

    Закон эволюции квантовых состояний называется уравнением Шредингера. Оно работает точно подобно законам Ньютона, но оно говорит нам, как изменяются во времени состояния, а не положения частиц. Если вы введете начальное квантовое состояние, уравнение Шредингера скажет вам, какое квантовое состояние будет в любой более поздний момент времени.

    Как и в случае Ньютоновской физики, часы должны быть вне системы, вместе с наблюдателями и их измерительными инструментами.

    Но, хотя эволюция квантового состояния определена, результаты для точных конфигураций атомов только вероятностны, - поскольку взаимосвязь между квантовым состоянием и конфигурациями сама вероятностна.

    Требование, что часы, которые измеряют время в квантовой механике, должны быть за пределами системы, имеет сильные последствия, когда мы пытаемся применить квантовую теорию ко вселенной как целому. По определению, ничего не может быть за пределами вселенной, даже часов. Так как меняется квантовое состояние вселенной по отношению к часам за пределами вселенной? Поскольку нет таких часов, может быть единственный возможный ответ, что оно не меняется по отношению к внешним часам. В результате квантовое состояние вселенной, рассмотренное из мифической точки отсчета за пределами вселенной, оказывается замороженным во времени.

    Это, по общему признанию, скользкий словесный аргумент, который выглядит, как будто он мог бы легко привести к ошибочным заключениям. Но в этом случае математика поддерживает, давая нам тот же результат, что и при применении уравнения Шредингера к квантовому состоянию вселенной. Состояние не меняется во времени.

    В квантовой теории изменение во времени связано с энергией. Это следствие основного свойства квантовой физики, называемого корпускулярно-волновым дуализмом.

    Ньютон представлял свет сделанным из частиц. Позднее были изучены явления дифракции и интерференции, и для их объяснения была выдвинута гипотеза, что свет есть волна. В 1905 Эйнштейн

к оглавлению

разрешил дилемму о природе света, предположив, что свет имеет как свойства волн, так и свойства частиц. Почти двумя десятилетиями позже Луи де Бройль предположил, что этот дуализм волн и частиц универсален: Все, что двигается, имеет некоторые свойства волны и некоторые свойства частицы.

    Это может показаться загадочным. Конечно, невозможно визуально представить себе нечто, что есть и волна и частица. Совершенно верно! Как я отмечал, квантовая механика описывает явления, которые не могут быть визуализированы. Мы можем манипулировать квантовыми частицами в экспериментах и говорить о том, как они реагируют, подвергаясь измерениям, но мы не можем представить наглядно, что происходит в отсутствие наших манипуляций с природой.

    Одно из волновых свойств света есть его частота, количество колебаний в секунду. Корпускулярное свойство света есть его энергия; каждая частица света переносит определенное количество энергии. В квантовой механике энергия в корпускулярной картине всегда пропорциональна частоте в волновой картине [5].

    Вооружившись указанным представлением о корпускулярно-волновом дуализме, вернемся к квантовому состоянию вселенной. Поскольку не существует часов за пределами вселенной, квантовое состояние вселенной не может изменяться во времени. Так что частота его осцилляций должна быть равна нулю - если оно заморожено, оно не может колебаться. Но поскольку частота пропорциональна энергии, это означает, что энергия вселенной должна быть равна нулю.

    Имеется отрицательное количество энергии, заключенное в любой системе, удерживаемой воедино гравитацией. Рассмотрим солнечную систему. Если вы захотите вытолкнуть Венеру с ее орбиты вокруг Солнца и удалить ее из солнечной системы, это потребует затрат энергии. Поскольку вы должны добавить энергию, чтобы привести Венеру в состояние, где у нее нет энергии, то пока она остается удерживаемой на своей орбите, Венера имеет отрицательную энергию. Эта отрицательная энергия называется гравитационной потенциальной энергией.

    То, что вселенная может иметь нулевую полную энергию, означает, что полная гравитационная потенциальная энергия, удерживающая все ее части вместе, в точности компенсируется всей положительной энергией вселенной, выраженной в массах и движениях всей материи.

    Имея нулевую энергию и частоту, квантовое состояние вселенной

к оглавлению

заморожено. Квантовая вселенная не расширяется и не сжимается. Нет гравитационных волн, двигающихся сквозь нее. Нет формирования галактик, нет планет, кружащихся вокруг звезд. Квантовая вселенная просто есть [6].

    Это следствие применения квантовой механики к целой вселенной было открыто в середине 1960-х пионерами квантовой гравитации: ДеВиттом, Уилером и Петером Бергманом. Модификация уравнения Шредингера, на которое мы указывали, - за счет условия, что квантовое состояние заморожено, - называется по имени двух из них уравнением Уилера-ДеВитта. Довольно быстро они заметили исчезновение времени, и народ начал обсуждать последствия. И все еще обсуждает. Каждые несколько лет кто-нибудь собирает конференцию, посвященную Проблеме Времени в Квантовой Космологии. Человеческая изобретательность беспредельна, так что был выдвинут широкий спектр откликов и предложений.

    Замороженное состояние вселенной не единственная вещь, которая идет не так, как надо, когда мы пытаемся применить квантовую механику к космологии [7].

    Имеется только одна вселенная, так что вы не можете сконструировать совокупность систем в одинаковом квантовом состоянии и сравнить измерения, сделанные над ними, с предсказанными квантовой механикой вероятностями. Сразу же значительно ограничиваются возможности сравнения теории с экспериментом или наблюдением.