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.

---

    Если природа подобна этому, то будущее по-настоящему открыто. Мы все еще получаем преимущества от испытанных законов в случаях с богатым прецедентом, но без мертвой хватки детерминизма.

    Будет честным сказать, что классическая механика предотвращает существование подлинно нового, поскольку все, что происходит, это движение частиц в соответствии с фиксированными законами. Но квантовая физика отличается в двух аспектах, которые дают нам возможность заменить вневременные законы на принцип прецедента.

    Первое, как мы видели, запутывание может производить подлинно новые свойства. Вы можете проверить пару частиц на обладание свойством запутывания вроде свойства противоположности, которое не является свойством отдельных частиц. Второе, появляется элемент подлинной хаотичности в реакции квантовой системы на свое окружение. Даже если вы знаете все о прошлом квантовой системы, вы не можете достоверно предсказать, что произойдет, если измеряется одно из ее свойств.

    Эти две особенности квантовых систем позволяют нам заменить постулирование вневременных законов на гипотезу, что в природе действует принцип прецедента, чтобы гарантировать, что будущее имеет сходство с прошлым. Этот

к оглавлению

принцип достаточен, чтобы поддержать детерминизм, где это необходимо, но предполагает, что когда природа сталкивается с новыми свойствами, она может устанавливать новые законы для применения к этим свойствам.

    Вот простая иллюстрация действия принципа прецедента в квантовой физике: Рассмотрим квантовый процесс, в котором система приготавливается, а затем измеряется, и допустим, что процесс происходил в прошлом много раз. Это дает вам собрание прошлых итогов эксперимента: Много раз, например X, система говорила 'да' в ответ на вопрос, и много раз, например Y, она говорила 'нет'. Тогда итог любого будущего примера этого процесса будет хаотически выбираться из собрания исходов прошлых попыток. Теперь предположим, что прецедента нет, поскольку эта система была приготовлена с определенной величиной подлинно нового свойства. Тогда итог измерения будет свободным в том смысле, что он ничем не определен в прошлом.

    Означает ли эта идея, что природа на самом деле свободна в выборе исхода эксперимента? Имеется определенный смысл, в котором квантовые системы, как уже известно, имеют элемент свободы - смысл проиллюстрирован недавней теоремой, изобретенной двумя математиками из Принстона, Джоном Конвеем и Саймоном Коченом. Мне не очень нравится название, которое они дали своему результату, но оно броское и должным образом привлекает: теорема о свободе воли [5]. Теорема применяется к случаю двух атомов (или других квантовых систем), которые становятся запутанными, а затем разделяются, после чего измеряются свойства каждого. Теорема гласит: Допустим, имеется смысл, в котором два экспериментатора свободны в выборе того, какое измерение они делают над их атомами. Тогда отклик атомов на измерение свободен в том же смысле.

    Это не имеет ничего общего со скользкой концепцией свободы воли. Если мы утверждаем, что экспериментаторы свободны в выборе того, какое измерение им делать, мы имеем в виду, что их выбор не определяется их прошлой историей. Никакое количество знаний о прошлом экспериментаторов и их мире не позволит нам предсказать их выбор. Тогда атомы тоже свободны в том смысле, что никакое количество информации о прошлом не даст нам возможности предсказать результат измерения одного из их свойств [6].

    Я нахожу удивительным вообразить, что элементарная частица действительно

к оглавлению

свободна, даже в этом узком смысле. Это означает, что нет причин для выбора электрона, что делать, когда мы его измеряем - и, таким образом, любая малая система ведет себя куда разнообразнее, чем может быть ухвачено любыми детерминистическими или алгоритмическими рамками. Это одновременно захватывающе и пугающе, поскольку идея, что выбор, который делают атомы, в самом деле свободен (то есть, беспричинен) не удовлетворяет требованию достаточного основания - для ответа на любой вопрос, который мы можем задать природе.

    Можем ли мы измерить, какое количество свободы имеет природа, если квантовая механика корректна? Мы знаем, что классическая механика не имеет такой свободы, поскольку она описывает детерминистический мир, чье будущее может быть полностью предсказано из знаний о прошлом. Статистика и вероятности могут играть роль в описании классического мира, но они только отражают наше невежество. Не предоставляется свободы, поскольку мы всегда можем узнать достаточно, чтобы сделать определенное предсказание.

    Теорема Конвея и Кочена означает, что квантовые системы имеют степени реальной свободы, но мог бы существовать вид физики, в соответствии с которым природа имеет даже больше свободы? Я задался этим вопросом, и он был не слишком труден для ответа. Для этого я воспользовался недавней работой по основаниям квантовой механики, которая дала мне точное определение того, сколько свободы может иметь квантовая система.

    Около 2000 года Люсьен Харди, тогда из Оксфордского Университета, но ненадолго переместившийся в Институт Теоретической Физики Периметра, постиг общий класс теорий, которые предсказывают вероятности исходов измерения. Они включают не только классические и квантовомеханические, но также и многие другие теории. Харди потребовал только, чтобы теории последовательно использовали понятие вероятности и вели себя разумно при его применении как к изолированной системе, так и к комбинации двух или более систем. Эти требования выражены в коротком списке допущений или аксиом, которые Харди назвал 'разумными аксиомами' [7]. Они были расширены и модифицированы последующими теоретиками. Я смог использовать уточнение аксиом Харди, изобретенное Луисом Маcанесом и Маркусом Мюллером [8] для точной формулировки того, как много свободы имеет теория.

    Количество свободы выражается через то, сколько информации о системе вам нужно, чтобы вы смогли сделать предсказание по поводу ее будущего.

к оглавлению

Эта информация может быть добыта путем приготовления множества идентичных копий системы и задания различных вопросов каждой. Предсказания, которые способен выдать нам этот опрос, все еще могут быть вероятностными, но они являются лучшими предсказаниями в том смысле, что никакие дальнейшие наблюдения за системой не улучшат их точность. Для каждой изученной Харди системы существует определенное конечное количество информации, которое вам нужно для лучшего установления, что будет делать система, когда столкнется с любым возможным измерением. Чем больше вещей вам нужно измерить по поводу системы, прежде чем вы сможете сделать лучшее возможное предсказание, тем больше свободы имеет система.

    Чтобы увидеть, как много свободы это подразумевает, мы должны сравнить количество информации, необходимой для получения предсказания о некотором измерении размера системы. Одной полезной мерой является число ответов, которые система может дать на ответ, предложенный в эксперименте. В простейшем случае имеется только два выбора: Если вы задали вопрос о цвете квантового ботинка, он может быть или черным или белым. Если вы задали вопрос о высоте каблука, он может быть или высоким или низким.

    Мне удалось показать, что квантовая механика максимизирует количество информации, которое вам необходимо для одного выбора. Это означает, что квантовая механика описывает вселенную, в которой вы можете делать вероятностные предсказания о том, как ведет себя система, но в которой эти системы имеют столько же свободы от детерминизма, сколько может иметь любая физическая система, описываемая вероятностями. Так что в том смысле, в котором квантовые системы свободны, одни максимально свободны. Объединяя принцип прецедента с этим

, вы получаете новую формулировку квантовой физики. Эта формулировка не может быть выражена за пределами структуры, в которой время реально, поскольку она делает существенным использование разницы между прошлым и будущим. Так что мы можем отказаться от идеи, что имеются вневременные и детерминистические законы природы без какой-либо потери объяснительной мощи физики.

    Тот результат, что квантовые системы максимизируют свою свободу, был почти тривиальным шагом, заданным предыдущей работой Харди, Масанеса и Мюллера. Новый взгляд, который я принес в проблему, была реальность времени.

к оглавлению

    Первой реакцией некоторых друзей и коллег, когда я объяснил эту идею, был смех. Определенно, тут есть детали, которые остаются незаполненными, вроде того, как выстраивается прецедент из свободы первого случая, через несколько последующих случаев и к установлению случаев со многими прецедентами [9]. Но и за пределами деталей предложение о принципе прецедента имеет элемент неправдоподобности. Как система распознает все свои прецеденты? С помощью какого механизма система различает хаотичный элемент в коллекции ее прецедентов? Кажется, будет необходим новый вид взаимодействия, при котором физическая система может взаимодействовать со своими собственными копиями в прошлом.