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.

---

    Понадобилось два десятилетия, чтобы ошибка была заново открыта. Американский квантовый физик Дэвид Бом в начале 1950-х писал учебник по квантовой механике [5]. Размышляя над тайнами квантовой теории, он заново открыл теорию скрытых переменных де Бройля - о которой ничего не знал. Он написал статью, описывающую новую квантовую теорию, но когда он представил ее в журнал, он получил сообщение с отзывом, отвергающим статью, поскольку она не согласуется с хорошо известным доказательством фон Неймана невозможности скрытых переменных. Бом быстро нашел ошибку в доказательстве и написал статью, указывающую

к оглавлению

на это [6]. С тех пор подход де Бройля-Бома к квантовой механике - как это сейчас называется - исследуется небольшим числом специалистов; это один из подходов к основаниям квантовой теории, который все еще активно исследуется сегодня.

    С теорией де Бройля-Бома мы понимаем, что теории со скрытыми переменными являются возможным вариантом для разрешения загадок квантовой теории. Его изучение оказалось успешным, поскольку было показано, что многие его особенности применимы для любых возможных теорий со скрытыми переменными.

    Теория де Бройля-Бома имеет противоречивые взаимоотношения с теорией относительности. Она делает статистические предсказания в согласии с квантовой механикой и она может быть сделана совместимой с СТО - и, в особенности, с относительностью одновременности. Но, в отличие от квантовой механики, теория делает больше, чем статистические предсказания; она дает детальную физическую картину того, что происходит в каждом индивидуальном эксперименте. Волна, которая эволюционирует во времени, влияет на то, где движется частица; при этом она нарушает относительность одновременности, поскольку закон, по которому волна влияет на движение частицы, может быть правильным только в одной системе отсчета наблюдателя. Таким образом, в той степени, в которой мы принимаем теорию скрытых переменных де Бройля-Бома как объяснение квантовых явлений, мы должны верить, что имеется привилегированный наблюдатель, часы которого измеряют привилегированное физическое время.

    Это сомнительное взаимоотношение с относительностью, оказывается, распространяется на любые возможные теории скрытых переменных [7]. Статистические предсказания таких теорий, которые согласуются с квантовой механикой, будут согласовываться и с теорией относительности. Но любая более детальная картина индивидуальных событий нарушает принцип относительности и может быть интерпретирована только с точки зрения единственного наблюдателя.

    Теория де Бройля-Бома имеет один большой недостаток, который заключается в том, что она не удовлетворяет одному из наших критериев для космологической теории - требованию, чтобы все действия были взаимными. Волна влияет на то, где движется частица, но частица не имеет влияния на волну. Вследствие этого теория неудовлетворительна как космологическая теория. Имеется,

к оглавлению

однако, альтернативная теория скрытых переменных, которая ликвидирует указанную проблему.

*

    Как последователь взглядов Эйнштейна на то, что после квантовой теории должна существовать более глубокая теория, я с моих студенческих дней пытался изобретать теории скрытых переменных. Каждые несколько лет я откладывал в сторону мое очередное исследование и пытался решить эту ключевую проблему. В течение многих лет я работал над подходом, основанном на теории скрытых переменных, записанной математиком из Принстона Эдвардом Нельсоном. Эти попытки работали, но все они имели элемент искусственности, в котором определенные силы должны были быть эксклюзивно сбалансированными, чтобы воспроизвести предсказания квантовой механики. В 2006 я написал статью, объясняющую технические причины этой искусственности [8], а затем отказался от подхода.

    Однажды днем в начале осени 2010 я зашел в кафе, открыл ноутбук на чистой странице и задумался о моих многочисленных неудавшихся попытках выйти за пределы квантовой механики. Я начал с размышления о версии квантовой механики, называемой ансамблевая интерпретация. Эта интерпретация игнорирует тщетные надежды описать, что происходит в индивидуальном эксперименте, и вместо этого описывает воображаемую коллекцию всех вещей, которые могут произойти в эксперименте. Эйнштейн ввел ее деликатно: 'Попытка постигнуть квантово-теоретическое описание как полное описание индивидуальной системы приводит к неестественным теоретическим интерпретациям, которые немедленно становятся лишними, если одна из них допускает интерпретацию, что описание ссылается на ансамбли (или коллекции) систем, а не на индивидуальные системы [9]'.

    Рассмотрим уединенный электрон, вращающийся вокруг протона в атоме водорода. Согласно сторонникам ансамблевой интерпретации волна связана не с индивидуальным атомом, а с воображаемой коллекцией копий атома. В других членах этой коллекции электроны занимают другие положения. Так что, если вы наблюдаете атом водорода, результат будет такой, как если бы вы случайно выделили атом из этой воображаемой коллекции. Волна дает вероятности нахождения электрона во всех этих различных местах.

к оглавлению

    Мне долгое время нравилась эта идея, но внезапно она стала казаться полностью сумасшедшей. Как могла бы воображаемая коллекция атомов повлиять на измерение, сделанное в одном реальном эксперименте? Это противоречит принципу, что ничто вне вселенной не может действовать на что-либо внутри вселенной. Так что я спросил себя, не могу ли я заменить эту воображаемую коллекцию коллекцией реальных атомов. Будучи реальными, они должны будут существовать где-нибудь в вселенной. Ну, во вселенной на самом деле имеется очень много атомов водорода. Могли бы они быть 'коллекцией', на которую ссылается ансамблевая интерпретация квантовой механики?

    Представим, что все атомы водорода во вселенной играют вместе. В этой игре каждый атом распознает, что другие атомы находятся в сходной ситуации со сходной историей. Под понятием 'сходный' я имею в виду, что они будут описываться вероятностно с помощью того же квантового состояния. Две частицы в квантовом мире могут иметь идентичные истории, а также описываться одним и тем же квантовым состоянием, но различаться точным значение своей существующей, такой как положение. Когда атом распознает другой атом как имеющий сходную историю, он копирует свойства последнего, включая точное значение его существующих. Нет необходимости для двух атомов, находящихся рядом друг с другом, одному копировать свойства другого; они просто оба должны существовать где-то во вселенной.

    Это в высшей степени нелокальная игра, но мы знаем, что любая теория скрытых переменных должна выражать факт, что квантовая физика нелокальна. Хотя идея может показаться сумасшедшей, она может быть менее сумасшедшей, чем наличие воображаемых коллекций атомов, влияющих на реальные атомы в мире. Так что я решил раскрутить идею до конца и увидеть, куда она привела.

    Одно из свойств, которое копируется, это где находится электрон по отношению к фотону. Так положение электрона в отдельном атоме будет прыгать вокруг, когда он копирует положения электронов в других атомах во вселенной. В результате всех этих прыжков, если я измеряю, где находится электрон в отдельном атоме, он будет там, как если бы я выбирал атом хаотически из коллекции всех сходных атомов. Так квантовое состояние заменяется коллекцией сходных атомов. Чтобы сделать эту работу, я изобрел правило для игры с копированием, которое приводит к вероятностям для атома отвечать на измерение в точности так, как оно будет в соответствии с квантовой механикой [10].

к оглавлению

    И я кое-что осознал, что мне очень понравилось: Что если система не имеет копии во вселенной? Тогда игра с копированием не может продолжаться, и квантовая механика не будет воспроизведена. Это объяснило бы, почему квантовая механика не применима для больших сложных систем, таких как коты или мы с вами: Мы уникальны. Это разрешает многолетние парадоксы, которые возникают, если вы применяете квантовую механику к большим вещам вроде котов или наблюдателей. Странные свойства квантовых систем ограничиваются атомными системами, поскольку последние входят в великое множество копий во вселенной. Квантовые неопределенности возникают потому, что эти системы постоянно копируют свойства друг друга.

    Я называю это интерпретацией реальных ансамблей для квантовой механики, но в моих записках это фигурирует как интерпретация 'Белой Белки', названная в честь одинокой белки-альбиноса, которая была замечена в некоторых парках Торонто. Вы можете представить, что все серые белки достаточно идентичны, чтобы к ним была применима квантовая механика - посмотрите, где находится одна, и вы можете увидеть других и других. Но белая белка, забравшаяся на мгновение на ветку дерева, кажется, не имеет копий, а потому не является квантовомеханической. Как вы или я, она может выглядеть как имеющая уникальные свойства, никем больше во вселенной не разделяемые или ни у кого во вселенной не скопированные.