5 Замороженная река

ТЕЧЕТ ЛИ ВРЕМЯ?

Время находится среди наиболее привычных, но, вместе с тем, наименее понятых концепций, с которыми человечество всегда сталкивалось. Мы говорим, что оно течет, мы говорим, что оно деньги, мы пытаемся сохранить его, мы раздражаемся, когда теряем его. Но что есть время?

Перефразируя святого Августина и судью Поттера Стюарта*, мы знаем его, когда мы видим его, но, несомненно, на заре третьего тысячелетия наше понимание времени должно быть глубже этого. В некотором смысле оно есть. В другом смысле его нет. Через столетия размышлений и решения головоломок мы достигли проникновения в некоторые из тайн времени, но многие остались. Откуда приходит время? Что означало бы иметь вселенную без времени? Может ли быть более чем одно временное измерение, точно так же, как имеется более чем одно пространственное измерение? Можем ли мы "путешествовать" в прошлое? Если можем, то можем ли мы изменить последующее развитие событий? Существует ли абсолютное, минимально возможное количество времени? Является ли время абсолютно фундаментальной составляющей в строении космоса или просто удобной конструкцией для организации наших восприятий, но не входящей в словарь, с помощью которого записаны наиболее фундаментальные законы вселенной? Может ли время быть производным понятием, возникающим из некоторой более основной концепции, которую еще предстоит открыть?

(*)"Святой Августин (354–430), считающийся одним из отцов-основателей Римской католической церкви, на чей-то вопрос: "Объясни, что такое Бог, определи Бога. Что ты имеешь в виду, когда ты произносишь слово "Бог"? ответил: "Это все равно как пытыться объяснить, что такое время. Я могу говорить о нем, но если вы просите его определить, объяснить, что это такое, я теряюсь."

Судья Верховного суда США Поттер Стюарт при жизни говаривал, что не может словами описать, что же такое порнография, но если он ее увидит, то без труда сможет распознать. – (прим. перев.)"

Поиск всесторонних и полностью убедительных ответов на эти вопросы находится в ряду самых амбициозных целей современной науки. К тому же большие вопросы отнюдь не ограничиваются только этими. Даже повседневное ощущение времени приоткрывает путь к некоторым наиболее острым загадкам вселенной.

Время и опыт

СТО и ОТО вдребезги разбили универсальность, исключительность времени. Эти теории показали, что каждый из нас подбирает осколки ньютоновского старого универсального времени и несет их с собой. Возникают наши собственные персональные часы, наш собственный персональный ведущий, безжалостно перетягивая нас от одного момента к следующему. Мы поражаемся теориям относительности, то есть вселенной, поскольку, хотя время наших персональных часов кажется тикающим неизменно и в согласии с нашим интуитивным чувством времени, сравнение с другими часами выявляет различия. Время для вас не обязано быть тем же самым, как время для меня.

Примем этот урок как данность. Но что представляет собой действительная природа времени для меня? Что представляет собой полная характеристика времени как переживаемого и ощущаемого индивидуально, без прямого сосредоточения на сравнениях с переживаниями других? Отражают ли эти переживания действительную природу времени? И что они могут нам сказать о природе реальности?

Наши ощущения учат нас и подавляющим образом, что прошлое отличается от будущего. Будущее, кажется, дарит нам богатство возможностей, тогда как прошлое связано с единственной ситуацией. С фактом, который в действительности произошел. Мы чувствуем способность влиять, воздействовать на будущее и формировать его в той или иной степени, тогда как прошлое кажется не подлежащим изменению. И между прошлым и будущим имеется скользкая концепция настоящего, темпоральная точка сосредоточения, которая сама пересоздается из момента в момент, подобно кадрам в кинофильме, когда они проносятся мимо сильного луча света от проектора и на мгновение становятся явными. Время кажется текущим в бесконечном, совершенно однородном ритме, достигая мимолетного пункта назначения в настоящем с каждым ударом барабанной палочки.

Наши ощущения также учат нас, что имеется несомненная однобокость того, как вещи раскрываются во времени. Совершенно не нужно плакать над пролитым молоком, поскольку будучи один раз пролитым, оно никогда не будет "пролито обратно": мы никогда не видели, что расплескавшееся молоко собирается воедино, поднимается с пола и сливается в чашке, которая устанавливается прямиком на кухонный стол. Наш мир, кажется, твердо придерживается однонаправленной стрелы времени, никогда не отклоняясь от фиксированного условия, что вещи могут начаться как это, а закончиться как то, но они никогда не могут начаться как то, а закончиться как это.

Наши ощущения, следовательно, учат нас двум всеобъемлющим вещам о времени. Первое, время кажется текущим. Это похоже на то, как будто мы стоим на берегу реки времени, как мощного несущегося мимо потока, подтягивающего будущее по направлению к нам, становящегося настоящим в тот момент, когда он достигает нас, и уносящегося прочь, когда он отступает вниз по течению в прошлое. Или, если это, на ваш вкус, слишком пассивный взгляд, перевернем метафору: мы движемся вместе с рекой времени, тогда как она непреодолимо несется вперед, увлекая нас из одного настоящего в следующее, тогда как прошлое отступает назад вместе с проходящим пейзажем, а будущее всегда дожидается нас вниз по течению. (Наши ощущения также обучали нас, что время может вызывать и некоторые более мягкие сравнения). Второе, время кажется имеющим стрелку-направление. Течение времени кажется происходящим одним образом и только одним образом в том смысле, что вещи происходят в одной и только в одной темпоральной последовательности. Если кто-нибудь даст вам ящик, содержащий короткую кинопленку о том, как разливается чашка молока, но кинопленка разрезана на отдельные кадры, то вы можете путем изучения этой кучи фотографий расположить кадры в правильном порядке без какой-либо помощи или инструкций со стороны изготовителя пленки. Время кажется имеющим внутреннее направление, следующее из того, что мы называем прошлым, по направлению к тому, что мы называем будущим, и вещи проявляют изменения – молоко разливается, яйца разбиваются, свечи сгорают, люди стареют – в универсальной ориентации вдоль этого направления.

Эти легко осознаваемые свойства времени генерируют некоторые из его наиболее дразнящих загадок. Течет ли время на самом деле? Если течет, то что в действительности течет? И как быстро происходит это течение материала времени? Имеет ли время на самом деле направление? Пространство, например, не проявляет наличия присущего ему направления – для астронавта в темном глубинном космосе понятия влево и вправо, назад и вперед, вверх и вниз все действуют на равных основаниях – так откуда возникает стрела времени? Если имеется стрела времени, является ли она абсолютной? Или есть вещи, которые могут эволюционировать в направлении, противоположном тому, в котором стрела времени кажется ориентированной?

Теперь построим наше текущее представление, сначала подумав об этих вопросах в контексте классической физики. Итак, для оставшейся части этой и следующей главы (в которых мы обсудим, соответственно, течение времени и стрелу времени) мы будем игнорировать квантовую вероятность и квантовую неопределенность. Тем не менее, многое из того, что мы изучим, переносится непосредственно на квантовую область, и в Главе 7 мы обсудим квантовую точку зрения.

Течет ли время?

С точки зрения ощущающего ответ очевиден. Когда я печатаю эти слова, я ясно чувствую, что время течет. С каждым нажатием на клавишу каждое настоящее дает путь следующему. Когда вы читаете эти слова, вы, без сомнения, чувствуете течение времени тоже, пока ваши глаза следуют от слова к слову по странице. Однако, как бы сильно физики не старались, никто не нашел в рамках законов физики убедительных улик, которые бы подтвердили это интуитивное ощущение, что время течет. Фактически, переработка некоторых выводов Эйнштейна из СТО делает очевидным, что время не течет.

Чтобы понять это, вернемся к описанию пространства-времени в виде батона хлеба, введенного в Главе 3. Повторим, что сечения, формирующие батон, таковы для данного наблюдателя; каждое сечение представляет пространство в один момент времени с его или ее точки зрения. Объединение, получаемое путем расположения сечения за сечением в том порядке, в котором наблюдатель переживает их, заполняет область пространства-времени. Если мы расширим этот взгляд до логических пределов и представим, что каждое сечение описывает все пространство в данный момент времени согласно точке зрения одного наблюдателя, и если мы включим все возможные сечения от древнего прошлого до удаленного будущего, батон будет заключать в себе всю вселенную на протяжении всего времени – целое пространство-время. Каждое событие, независимо от того, когда или где оно произошло, представлено некоторой точкой в батоне.

Это схематически проиллюстрировано на Рис.5.1, но следствия должны заставить вас почесать вашу голову. "Внешняя" переспектива на рисунке, в которой мы видим целую вселенную, все пространство и каждый момент времени, это фиктивная точка наблюдения, такая, которую никто из нас никогда не будет иметь.

Рис 5.1 Схематическое изображение всего пространства в течение всего времени (изображена, конечно, только часть пространства в течение части времени), показывающее формирование некоторых первичных галактик, формирование Солнца и Земли, а также завершающую гибель Земли, когда Солнце разрастется до красного гиганта, в чем мы в настоящее время видим наше удаленное будущее.

 Мы все находимся внутри пространства-времени. Каждое переживание вы или я всегда получаем в некотором месте пространства в некоторый момент времени. И поскольку Рис.5.1 кажется описывающим все пространство-время, он включает в себя всю совокупность таких переживаний целиком – ваше, мое, а также всякого и всевозможного. Если бы вы могли увеличить масштаб и внимательно исследовать все приходящее на планету Земля и уходящее с нее, вы смогли бы увидеть Александра Великого, получающего урок от Аристотеля, Леонардо да Винчи, кладущего последние штрихи на портрет Моны Лизы и Джорджа Вашингтона, пересекающего Делавэр; если бы вы продолжили сканировать изображение слева направо, вы были бы в состоянии увидеть вашу бабушку, играющую еще маленькой девочкой, вашего отца, отмечающего свое десятилетие, и ваш собственный первый день в школе; глядя еще дальше направо в изображение, вы смогли бы увидет себя, читающего эту книгу, рождение вашей пра-пра-внучки, а немного далее ее инаугурацию в качестве Президента. Давая грубое разрешение Рис.5.1, вы не можете в действительности видеть эти моменты, но вы можете (схематически) видеть историю Солнца и планеты Земля от их рождения из сгущающегося газового облака до смерти Земли, когда Солнце разбухнет до красного гиганта. Все это там есть.

Бесспорно, Рис.5.1 есть воображаемая перспектива. Точка зрения, с которой мы наблюдаем, находится вне пространства и времени. Это взгляд из ниоткуда и из никогда. Даже при этих условиях, – даже если мы не можем на самом деле встать вне границ пространства-времени и полностью окинуть взглядом вселенную, – схематическое изображение Рис.5.1 обеспечивает убедительный способ анализа и прояснения основных свойств пространства и времени. Главное в том, что интуитивное ощущение течения времени может быть отчетливо описано в рамках данного рассмотрения как разновидность метафоры, использующей фильмопроектор. Мы можем вообразить свет, который освещает одно темпоральное сечение за другим, на мгновение оживляя сечение в настоящем, – делая само сечение на мгновение настоящим, – только чтобы тотчас отпустить сечение снова в темноту, когда свет удалится к следующему сечению. Прямо сейчас в рамках этого интуитивного способа размышлений о времени видно, что свет освещает сечение, в котором вы, сидя на планете Земля, читаете эти слова, а теперь он освещает сечение, в котором вы читаете это слово. Однако повторим, что, хотя этот образ кажется соответствующим ощущениям, физики не в состоянии найти хоть что-нибудь в законах физики, что воплотило бы такой движущийся свет. Они не нашли физический механизм, который бы отбирал момент за моментом, становящиеся на мгновение реальными, – становящиеся на мгновение настоящим, – как механизм, всегда продвигающийся вперед к будущему.

В самом деле все наоборот. Хотя картина Рис.5.1 определенно нереальна, имеются убедительные свидетельства, что пространственно-временной батон – полное пространство-время, а не последовательность сечений одно за одним, – реален. Менее широко оценено следствие трудов Эйнштейна, что реальность СТО трактует все моменты времени одинаково. Хотя выделение настоящего играет центральную роль в нашем мировоззрении, теория относительности еще раз ниспровергает нашу интуицию и объявляет нашу вселенную как вселенную равноправных моментов, в которой каждый момент времени реален настолько же, как и любой другой. Мы упорядочили эти идеи в Главе 3, когда размышляли о вращающемся ведре с точки зрения СТО. Там же через непрямые рассуждения, аналогичные ньютоновским, мы пришли к заключению, что пространство-время является чем-то, как минимум, достаточным для обеспечения точки отсчета для ускоренного движения. Здесь же мы обсуждаем проблему с другой точки зрения и движемся дальше. Мы утверждаем, что каждая часть пространственно-временного батона на Рис.5.1 существует на том же основании, что и любая другая, намекая на то, что, как верил Эйнштейн, реальность включает в себя прошлое, настоящее и будущее одинаково и что воображаемое нами течение, переносящее одно сечение к свету, тогда как другое уходит в темноту, является иллюзорным.

Устойчивая иллюзия прошлого, настоящего и будущего

Чтобы понять точку зрения Эйнштейна, нам необходимо выработать определение реальности, алгоритм, если хотите, для определения того, что вещи существуют в данный момент. Имеется один общий подход. Когда я обозреваю реальность, – что существует в этот момент, – я рисую перед своим мысленным взором разновидность моментального снимка, воображаемое статическое изображение единой вселенной прямо сейчас. Когда я печатаю эти слова, мое ощущение того, что существует прямо сейчас, мое ощущение реальности, сводится к списку всех тех вещей, – отбивания полночи на моих кухонных часах; моего кота, сорвавшегося и отправившегося в полет между подоконником и полом; первого луча утреннего солнца, осветившего Дублин; гвалта в торговом зале Токийской фондовой биржи; слияния двух отдельных атомов водорода в Солнце; испускания фотона туманностью Ориона; последнего момента жизни умирающей звезды, перед тем как она сколлапсирует в черную дыру, – которые имеются в данный момент в моем статическом воображаемом изображении. Все это вещи, происходящие прямо сейчас, так что это вещи, которые я объявляю существующими прямо сейчас. Существует прямо сейчас Карл I Великий? Нет. Существует прямо сейчас Неро? Нет. Существует прямо сейчас Линкольн? Нет. Существует прямо сейчас Элвис? Нет. Никого из них нет в моем текущем списке настоящего. Существует ли прямо сейчас кто-нибудь, родившийся в 2300 или 3500 или 57000 году? Нет. Опять-таки, никого из них нет в моем статическом мысленном изображении, никого из них нет в моем текущем временном сечении, так что никого из них нет в моем текущем списке настоящего. Следовательно, я говорю без колебаний, что они в настоящее время не существуют. Это то, как я определяю реальность в любой заданный момент; это интуитивный подход, который используют большинство из нас, часто неосознанно, когда размышляют о существовании.

Я использую эту концепцию ниже, но имейте в виду один хитрый момент. Список настоящего – реальность при таком образе мыслей – смешная вещь. Ничто из того, что вы видите прямо сейчас, не соответствует вашему списку настоящего, поскольку свету необходимо время, чтобы достичь ваших глаз. Любая вещь, которую вы видите прямо сейчас, уже произошла. Вы не видите слов на этой странице так, как они есть прямо сейчас; вместо этого, если вы держите книгу в футе от вашего лица, вы видите их такими, какими они были миллиардную долю секунды назад. Если вы оглядите обыкновенную комнату, вы увидите вещи, какими они были от 10 до 20 миллиардных долей секунды назад; если вы бросите взгляд на Большой Каньон, вы увидите его противоположную сторону такой, какой она была примерно одну десятитысячную долю секунды назад; если вы посмотрите на Луну, вы увидите ее такой, какая она была полторы секунды назад; для Солнца вы видите его таким, какое оно было около восьми минут назад; для звезд, видимых невооруженным глазом, вы видите их такими, какими они были грубо от нескольких лет до 10 000 лет назад. Это странно, хотя воображаемая статическая картинка охватывает наше ощущение от реальности, наше интуитивное ощущение "того, что находится не здесь", она состоит из событий, которые мы не можем почувствовать, на которые мы не можем повлиять или даже зафиксировать прямо сейчас. Вместо этого, настоящий список реальности может быть составлен только постфактум. Если вы знаете, как далеко находится что-либо, вы можете определить, когда был испущен свет, который вы видите в настоящий момент и отсюда вы можете определить, с каким из ваших темпоральных сечений он был связан - на каком из уже прошедших списков настоящего он должен быть записан. Тем не менее, и это главный момент, если мы используем эту информацию для составления списка настоящего для любого данного момента, непрерывно дополняя его по мере получения световых сигналов от все более далеких источников, вещи, которые перечислены в списке, есть вещи, по поводу которых мы интуитивно верим, что они существуют в данный момент.

Удивительно, что этот кажущийся простым путь размышлений приводит к неожиданно всеобъемлющей концепции реальности. Вы видите в соответствии с ньютоновским абсолютным пространством и абсолютным временем, что статическая картина вселенной для каждого человека в данный момент времени содержит в точности одинаковые события; настоящее для каждого человека это одно и то же настоящее, так что список настоящего для каждого человека для данного момента времени идентичен другим спискам. Интуиция большинства людей все еще ограничивается таким образом мышления, но СТО рассказывает совершенно другую историю. Посмотрите снова на Рис. 3.4. Два наблюдателя, находящиеся в относительном движении, имеют каждый настоящее, – отдельный момент времени с точки зрения каждого, – которое отличается от другого: их "настоящие" режут пространство-время под разными углами. А разные "настоящие" означают разные списки настоящего. Наблюдатели, движущиеся друг относительно друга, имеют разное представление о том, что существует в данный момент времени, а следовательно, они имеют различные представления о реальности.

При повседневных скоростях угол между сечениями – "настоящими" двух наблюдателей – ничтожен; это именно то, почему в повседневной жизни мы никогда не отмечаем расхождение между нашим определением настоящего и чьим-либо еще. Под этой причине большинство дискуссий по поводу СТО сосредоточиваются на том, что произойдет, если мы движемся с гигантской скоростью – скоростью вблизи световой, – поскольку такое движение будет страшно усиливать эффекты. Но имеется другой путь усиления расхождения между концепциями реальности двух наблюдателей, и я нахожу, что он обеспечивает подход к вопросам реальности, чрезвычайно проясняющий суть дела. Он основывается на следующем простом факте: если вы и я разрезаем обычный батон под слегка различающимися углами, вряд ли это хоть как то повлияет на получившиеся куски хлеба. Но если батон гигантский, результат будет иным. Точно так же, как малейшее раскрытие лезвий чудовищно длинных ножниц приведет к большому расстоянию между концами лезвий, разрезание гигантского батона хлеба под слегка отличающимися углами дает сечения, которые расходятся на гигансткую величину на далеких расстояниях от места пересечения сечений. Вы можете видеть это на Рис. 5.2.

То же самое справедливо для пространства-времени. При повседневных скоростях сечения, изображающие настоящее для двух наблюдателей, находящихся в относительном движении, будут ориентированы только под слабо отличающимися углами. Если два наблюдателя находятся рядом, это вряд ли приведет к заметному эффекту. Но, точно так же, как в батоне хлеба, мельчайшие углы приведут к большим различиям между сечениями, когда их сравнение проводится на больших расстояниях. А для сечений пространства-времени большое расхождение между сечениями означает существенное рассогласование того, какие события каждый из наблюдателей рассматривает как происходящие сейчас. Это проиллюстрировано на Рис. 5.3 и 5.4, и это подразумевает, что индивидуумы, двигающиеся друг относительно друга, даже при обычных, повседневных скоростях, будут иметь все более различающиеся представления о настоящем, если они находятся на все большем расстоянии друг от друга в пространстве.

Чтобы сделать это конкретным, представим, что Шеви находится на планете в далекой-далекой галактике – 10 миллиардов световых лет от Земли, – лениво сидя в своей жилой комнате. Представим далее, что вы (просто сидя и читая эти слова) и Шеви не двигаетесь друг относительно друга (для простоты проигнорируем движение планет, расширение вселенной, гравитационные эффекты и так далее). Поскольку вы покоитесь друг относительно друга, вы и Шеви полностью согласны по вопросам пространства и времени: вы будете разрезать пространство-время одинаковым образом, так что ваши списки настоящего будут в точности совпадать. По истечении небольшого времени Шеви встает и отправляется гулять – спокойным, расслабленным, легким шагом – в направлении, которое развернуто прямо от вас. Это изменение в состоянии движения Шеви означает, что его концепция настоящего, его сечение пространства-времени слегка повернется (см. Рис. 5.3). Это ничтожное угловое изменение не окажет заметного эффекта по соседству с Шеви: различие между его новым настоящим и настоящим кого-либо, все еще сидящего в его жилой комнате, исчезающе мало.

(а) (b)

Рис 5.2 (а) В обычном батоне сечения, проведенные под слабо отличающимися углами, не расходятся сильно; (b) Но чем больше батон при том же угле, тем больше расхождение.

(а) (b)

Рис 5.3 (а) Два индивидуума в покое друг относительно друга имеют идентичное представление о настоящем и поэтому идентичные временные сечения. Если один наблюдатель удаляется от другого, их временные сечения – то, что каждый наблюдатель рассматривает в настоящий момент, – поворачиваются относительно каждого; как иллюстрируется, затемненное сечение настоящего для движущегося наблюдателя поворачиватеся в прошлое стационарного наблюдателя. (b) Большее расстояние между наблюдателями дает большее отклонение между сечениями – большее расхождение в их концепциях настоящего.

Но на гигантском расстоянии 10 миллиардов световых лет этот ничтожный сдвиг в точке зрения Шеви на настоящее будет усилен (как в переходе от Рис. 5.3а к Рис. 5.3b, но с главными героями, теперь находящимися на гигантском расстоянии друг от друга, существенно усиливающим сдвиг между их "настоящими"). Его настоящее и ваше настоящее, которые были одним и тем же, пока он еще сидел, прыжком разнесутся друг от друга вследствие его скромного движения.

Рис. 5.3 и 5.4 схематично иллюстрируют ключевую идею, но, используя уравнения СТО, мы можем рассчитать, насколько отличными будут ваши представления о настоящем. Если Шеви уходит от вас со скоростью около 10 миль в час (Шеви имеет довольно быструю походку), события на Земле, которые принадлежат его новому списку настоящего, будут событиями, которые произошли около 150 лет назад по отношению к вам! В соответствии с его концепцией настоящего – концепцией, в которой каждый кусочек настолько же правомерен, насколько и ваш, и которая до недавнего момента полностью совпадала с вашей, – вы еще не родились. Если он движется по направлению к вам с той же скоростью, угловой сдвиг будет противоположным, как схематично показано на Рис. 5.4, так что его настоящее будет совпадать с тем, что вы будете считать как происходящее через 150 лет в будущем! Теперь в соответствии с его настоящим вы больше не можете быть частью этого мира. А если вместо простой прогулки Шеви прыгнет в самолет Фалькон Миллениум, двигающийся со скоростью 1 000 миль в час (меньше, чем скорость Конкорда), его настоящее будет включать события на Земле, которые с вашей точки зрения имели место 15 000 лет назад или будут иметь место через 15 000 лет в будущем, в зависимости от того, летит он от вас или к вам.

(а) (b)

Рис 5.4 (а) То же, что и на Рис. 5.3а, исключая то, что когда один наблюдатель движется ко второму, его сечение настоящего поворачивается в будущее, а не в прошлое другого наблюдателя; (b) То же, что и на Рис. 5.3b, – большее разнесение в пространстве дает большее отклонение в представлениях о настоящем для одной и той же относительной скорости – с поворотом, направленным в будущее вместо прошлого.

 Если задать подходящий выбор направления и скорости движения, то Элвис, или Неро, или Карл I Великий, или Линкольн или кто-нибудь, родившийся на земной стороне в момент, который вы называете будущим, будут частью его списка настоящего.

Несмотря на необычность, ничто из этого не влечет за собой противоречий или парадоксов, поскольку, как мы объяснили выше, чем дальше находится нечто, тем дольше придется ждать, чтобы получить испущенный этим нечто свет, и отсюда определить, что входит, а что не входит в отдельный список настоящего. Например, даже если Джон Уилкс Бут, приближающийся к государственной трибуне у театра Форд, будет входить в новый список настоящего Шеви, если тот поднимется и будет удаляться от Земли со скоростью около 9,3 мили в час, Шеви не сможет ничего предпринять, чтобы спасти Президента Линкольна. На такой гигантской дистанции потребуется гигантское количество времени, чтобы получить и обменяться сообщениями, так что только потомки Шеви миллиарды лет спустя в действительности получат световой сигнал от той трагической ночи в Вашингтоне. Суть в том, что даже если его потомки используют эту информацию для внесения дополнений в громадную коллекцию прошлых списков настоящего, они найдут, что предательское убийство Линкольна входит в тот же список настоящего, который содержит подъем Шеви с кресла и его прогулку от Земли. И еще они также найдут, что в момент перед тем, как Шеви поднялся, его список настоящего содержал среди большого количества других вещей вас, все еще сидящего на Земле двадцать первого столетия, читая эти слова.

Аналогично, имеются вещи о нашем будущем, вроде вопроса, кто победит на президентских выборах США в 2100 году, который кажется полностью открытым: более чем похоже, что кандидаты на эти выборы даже еще не родились, не говоря о том, чтобы делать карьеру. Но если Шеви поднимается из своего кресла и движется в направлении Земли со скоростью около 6,4 мили в час, его список настоящего – его представление о том, что существует, его концепция о том, что происходит, – будет включать выборы первого президента США двадцать второго века. Что-то, что кажется совершенно неопределенным для нас, является чем-то, что для него уже произошло. Еще раз, Шеви не может узнать итоги выборов раньше, чем через миллиарды лет, поскольку это столько времени, сколько нужно нашему телевизионному сигналу, чтобы достичь его. Но когда данные об итогах выборов достигнут потомков Шеви и они используют их для обновления созданной Шеви перекидной книги истории, его коллекции прошлых списков настоящего, они увидят, что итоги выборов входят в тот же список настоящего, в котором Шеви поднялся с кресла и отправился гулять по направлению к Земле – список настоящего, отметят потомки Шеви, который появляется моментом позже списка, который содержит вас в первые годы двадцать первого века, завершая этот параграф книги Шеви.

Этот пример подчеркивает два важных момента. Первое, хотя мы использовали идею, что релятивистские эффекты становятся очевидными при скоростях вблизи скорости света, даже при малых скоростях релятивистские эффекты могут быть чрезвычайно усилены, если рассматривать объекты на больших расстояниях в пространстве. Второе, пример дает проникнуть в проблему, является ли пространство-время (батон) действительно чем-то существующим или просто абстрактной концепцией, абстрактным объединением пространства прямо сейчас вместе с его историей и подразумеваемым будущим.

Вы видите, что концепция реальности Шеви, его воображаемый статический образ, его представление о том, что существует сейчас, является в каждом кусочке столь же реальной для него, как наша концепция реальности для нас. Так что при определении, что составляет реальность, она будет чрезмерно узко понимаемой, если мы также не включим его точку зрения. Для Ньютона такой равноправный подход не мог привести к каким-либо различиям, поскольку во вселенной с абсолютным пространством и абсолютным временем сечения настоящего совпадают для каждого наблюдателя. Но в релятивистской вселенной, нашей вселенной он приводит к большим различиям. В то время, как наша обычная концепция того, что существует прямо сейчас, составляет отдельное сечение настоящего, – мы обычно видим прошлое как ушедшее и будущее как еще не наступившее, – мы должны расширить этот образ через сечение настоящего Шеви, то есть такое сечение настоящего, которое, как показало обсуждение, существенно отличается от нашего собственного. Более того, поскольку начальное положение Шеви и скорость, с которой он движется, произвольны, мы должны включить сечения настоящего, связанные со всеми возможностями. Эти сечения настоящего, как в нашем обсуждении выше, будут центрированы на начальном положении Шеви – или на положении некоторого иного реального или гипотетического наблюдателя – в пространстве и будут поворачиваться на угол, зависящий от выбранной скорости. (Единственное исключение следует из выбора предельной скорости, равной световой, как объяснено в комментариях, в графическом представлении, которое мы использовали, это переводится в предел угла поворота в 45 градусов либо по, либо против часовой стрелки). Как вы можете видеть на Рис. 5.5 собрание всех таких сечений настоящего заполняет солидную область пространственно-временного батона. Фактически, если пространство бесконечно, – если сечения настоящего распространяются бесконечно, – то вращающиеся сечения настоящего могут быть центрированы произвольно далеко, а отсюда их объединение охватывает каждую точку пространственно-временного батона.*

(*)"Отметим любую точку в батоне. Проведем сечение, которое включает эту точку и которое пересекает наше текущее сечение настоящего под углом менее 45 градусов. Это сечение будет представлять сечение настоящего – реальность – удаленного наблюдателя, который был сначала в покое относительно нас, как Шеви, но теперь движется относительно нас со скоростью меньше скорости света. По построению это сечение включает (произвольную) точку в батоне, которой случилось быть отмеченной нами".

Итак, если вы принимаете замечание, что реальность состоит из вещей в вашем статическом воображаемом изображении прямо сейчас, и если вы согласны, что ваше настоящее не более действительно, чем настоящее кого-нибудь, располагающегося далеко в пространстве, кто может свободно двигаться, то реальность заключает в себе все события в пространстве-времени.

Рис 5.5 Пример сечений настоящего для различных наблюдателей (реальных или гипотетических), находящихся на различных расстояниях от Земли и двигающихся с различными скоростями.

Полный батон существует. Точно так, как мы воображали все пространство, которое в действительности может быть не здесь, как реально существующее, мы должны также вообразить все время, которое в действительности может быть не здесь, тоже как реально существующее. Прошлое, настоящее и будущее определенно становятся особыми сущностями. Но, как сказал однажды Эйнштейн, "Как мы убеждаем физиков, разница между прошлым, настоящим и будущим есть только иллюзия, однако стойкая". Единственная вещь, которая реальна, это пространство-время в целом.

Опыт и течение времени

При этом образе мышления события независимо от того, когда они происходят с любой отдельной точки зрения, просто есть. Все они существуют. Они вечно занимают их особое положение в пространстве-времени. Здесь нет течения. Если вы провели замечательное время в момент полуночи накануне нового 1999 года, вы все еще его имеете, поскольку это просто одно неподвижное место в пространстве-времени. Тяжело принять такое описание, поскольку наше мировоззрение жестко проводит различие между прошлым, настоящим и будущим. Но если мы внимательно посмотрим на эту привычную темпоральную схему и противопоставим ей холодные тяжелые факты современной физики, то единственное место убежища для нее кажется лежащим в человеческом разуме.

Неоспоримо, что наш сознательный опыт кажется охватывающим все сечения. Это так, хотя наш разум обеспечивает прожекторный свет, обращенный к прошлому, так что моменты времени оживляются, когда они освещаются силой сознания. Текущие ощущения от одного момента к следующему возникают из нашего сознательного распознавания изменений в наших мыслях, чувствах и ощущениях. И последовательность изменений кажется имеющей непрерывное движение; она кажется разворачивающейся в связанную историю. Но – без какой бы то ни было претензии на психологическую или нейробиологическую точность – мы можем вообразить, как мы можем ощущать течение времени, даже если в действительности может и не быть такого феномена. Чтобы увидеть, что я имею в виду, представим проигрывание Унесенных ветром на неисправном DVD-проигрывателе, который хаотически прыгает вперед и назад: некоторые кадры вспыхивают на мгновение на экране, а за ними моментально следуют другие из совершенно другой части фильма. Когда вы смотрите эту перепутанную версию, для вас тяжело придать смысл происходящему. Но Скарлетт и Рэтт проблем не имеют. В каждом кадре они делают то, что они всегда делали в этом кадре. Если бы вы могли остановить DVD на некотором отдельном кадре и спросить их об их мыслях и воспоминаниях, они бы откликнулись c теми же самыми ответами, которые они дали бы, если бы вы проигрывали DVD на нормально функционирующем проигрывателе. Если бы вы спросили их, не сбивает ли их с толку легкое прохождение Гражданской войны не по порядку, они бы посмотрели на вас насмешливо и посчитали бы, что вы выпили слишком много мятной водки. В любом данном кадре они имеют мысли и память, которые они всегда имели в этом кадре, – и, в особенности, эти мысли и память будут давать им ощущение, что время гладко и последовательно течет вперед, как обычно.

Аналогично, каждый момент в пространстве-времени – каждое временное сечение – похож на один из тех же кадров в фильме. Он существует, освещает его некоторый свет или нет. Как для Скарлетт и Рэтта, для вас, кто находится в любом таком моменте, это и есть настоящее, это момент, который вы ощущаете в данное мгновение. И это всегда будет. Более того, внутри каждого индивидуального сечения ваши мысли и память полностью стремятся дать ощущение, что время непрерывно текло к этому моменту. Это чувство, это ощущение, что время течет, не требует, чтобы предыдущий момент – предыдущий кадр – был "последовательно освещен".

И если вы подумаете об этом несколько дольше, вы осознаете, что это очень хорошая вещь, поскольку фиксирование светом прожектора последовательно приходящих моментов жизни чрезвычайно проблематично по другой, даже более основной причине. Если свет прожектора правильно выполняет свою работу и освещает данный момент – скажем, наступление полуночи в канун нового 1999 года, – что будет означать для этого момента уйти затем в темноту? Если момент был освещен, то быть освещенным будет свойством момента, свойством таким же вечным и неизменным, как все другое, происходящее в этот момент.

Ощущать освещение – быть "действительным", быть существующим, быть настоящим – и затем ощущать темноту – быть "скрытым", быть в прошлом, быть тем, что было, – значит ощущать изменение. Но понятие изменения не имеет смысла по отношению к отдельному моменту времени. Изменение будет возникать через время, изменение будет отмечать прохождение времени, но как понятие времени могло сделать это возможным? По определению, моменты не включают прохождение времени – по меньшей мере, мы осознаем не время, – поскольку моменты просто есть, они представляют собой сырой материал времени, они не изменяются. Отдельный момент может изменяться во времени не больше, чем отдельное положение может изменяться в пространстве: если положение передвинулось, это будет уже другое положение в пространстве; если момент во времени изменился, это будет уже другой момент во времени. Интуитивный образ света прожектора, который приносит каждое новое настоящее в жизнь, непосредственно не поддается аккуратной проверке. Вместо этого, каждый момент времени освещается и каждый момент остается освещенным. Каждый момент есть. При ближайшем рассмотрении текущая река времени более точно соответствует гигантскому блоку льда, причем каждый момент навечно вморожен в его объем.

Эта концепция времени существенно отличается от той, с которой большинство из нас свыклось. Даже если она появилась из его собственного понимания, Эйнштейн не остался безразличным к трудности полного постижения таких основательных изменений в точке зрения. Рудольф Карнап подробно изложил поразительный разговор, который он имел с Эйнштейном по этому поводу: "Эйнштейн сказал, что проблема настоящего сильно его беспокоит. Он объяснил, что ощущение настоящего означает нечто специальное для человека, нечто существенно отличное от прошлого и будущего, но что это важное отличие не возникает или не может возникнуть в рамках физики. То, что это ощущение не может быть охвачено наукой, казалось ему фактом неприятного, но неизбежного поражения".

Эта уступка оставляет открытым главный вопрос: наука не в состоянии охватить фундаментальное свойство времени, которое человеческий разум видит так же легко, как легкие вдыхают воздух, или человеческий разум наделяет время свойством своего собственного изготовления, таким, что оно искусственное и поэтому не отражается в законах физики? Если вы зададите мне этот вопрос в течение рабочего дня, я примкну к последней точке зрения, но с наступлением ночи, когда критическое мышление смягчается до обычной жизненной рутины, становится тяжело сохранять полную невосприимчивость к первой точке зрения. Время тонкая вещь, и мы далеки от полного его понимания. Возможно, что некоторая проницательная личность однажды огласит новый способ рассмотрения времени и откроет глубокое физическое обоснование времени, которое течет. Тогда опять приведенное выше обсуждение, основанное на логике и теории относительности, может оказаться полной чушью. Однако, определенно, чувство, что время течет, глубоко укоренилось в наших ощущениях и полностью наполняет наше мышление и язык. Так что заслуживает внимания, что мы опустились и будем продолжать опускаться к обыкновенным разговорным описаниям, которые ссылаются на текущее время. Но нельзя смешивать язык и реальность. Человеческий язык намного лучше при описании человеческих ощущений, чем при выражении глубоких физических законов.

 

6 Случайность и направленность

ИМЕЕТ ЛИ ВРЕМЯ НАПРАВЛЕНИЕ?

Даже если время не течет, все равно имеет смысл спросить, имеет ли оно направленность – имеется ли направление пути, по которому вещи развертываются во времени, которое может быть распознано в законах физики? Есть вопрос, имеется ли некоторый внутренний порядок в том, как события разбросаны вдоль пространства-времени и имеется ли существенное научное отличие между таким упорядочением событий и обратным упорядочением. Как уже всякий знает, определенно появляется гигантское различие такого сорта; это то, что придает жизни перспективу и делает острыми переживания. И еще, как мы увидим, объяснение различия между прошлым и будущим тяжелее, чем вы думали. Весьма поразительно, что ответ, который мы установим, тесно связан с точными условиями в начале вселенной.

Головоломка

Тысячи раз в день наши ощущения обнаруживают различие между вещами, развертывающимися прямым путем во времени и обратным. Очень горячая пицца охлаждается по дороге от пиццерии, но мы никогда не найдем пиццы, ставшей горячее, чем когда она была вынута из духовки. Сливки, размешанные в кофе, образуют однородную желтовато-коричневую жидкость, но мы никогда не увидим чашку некрепкого кофе, размешанного "назад" и разделенного на белые сливки и черный кофе. Яйца падают, разбиваясь и разбрызгиваясь, но мы никогда не увидим расплескавшиеся яйца и скорлупки, собирающиеся вместе и объединяющиеся в неразбитые яйца. Сжатый углекислый газ в бутылке колы вырывается наружу, когда мы откручиваем крышку, но мы никогда не найдем рассеявшийся углекислый газ собравшимся воедино и втянувшимся обратно в бутылку. Кубик льда, брошенный в стакан воды комнатной температуры тает, но мы никогда не увидим молекулы в стакане воды комнатной температуры, объединившиеся в твердый кубик льда. Эти общие последовательности событий, как и бесчисленные другие, происходят только в одном темпоральном порядке. Они никогда не происходят в обратном порядке, так что они обеспечивают представление о "до" и "после" – они дают нам непротиворечивую и кажущуюся универсальной концепцию прошлого и будущего. Эти наблюдения убеждают нас, что если бы мы исследовали все пространство-время извне (как на Рис. 5.1), мы бы увидели существенную асимметрию вдоль оси времени. Разбившиеся яйца во всем мире будут лежать с одной стороны – стороны, которую мы обычно называем будущим, – по отношению к их целым, неразбившимся двойникам.

Вообще, большинство из всех отмеченных примеров таково, что наш разум кажется имеющим доступ к собранию событий, которые мы называем прошлым – нашей памятью, – но никто из нас не кажется способным вспомнить собрание событий, которое мы называем будущим. Так что кажется очевидным, что имеется большая разница между прошлым и будущим. Кажется, что есть явная ориентация того, как гигантское разнообразие вещей разворачивается во времени. Кажется, что есть явное различие между вещами, которые мы можем вспомнить (прошлое), и вещами, которые мы вспомнить не можем (будущее). Это и есть то, что мы подразумеваем под наличием у времени ориентации, направления или стрелы.

Физика и, более общо, наука ищет закономерности. Ученые изучают природу, ищут модели и выражают эти модели в законах природы. Следовательно, вы можете подумать, что огромный избыток закономерностей приводит нас к ощущению, что очевидная стрела времени будет подтверждена фундаментальным законом физики. Глупый способ формулирования такого закона будет заключаться во введении Закона Разливающегося Молока, устанавливающего, что чашки молока разливаются, но не "сливаются" назад, или Закона Разбрызгивающихся Яиц, устанавливающего, что яйца разбиваются и разбрызгиваются, но никогда не собираются воедино и не восстанавливаются. Но этот вид законов нам ничего не дает: это просто описание, оно не предлагает никакого объяснения вне простого наблюдения за тем, что происходит. Мы же ожидаем, что где-нибудь в глубинах физики должен быть менее глупый закон, описывающий движение и свойства частиц, который увязывает пиццу, молоко, яйца, кофе, людей и звезды – фундаментальные составляющие всего – и который показывает, почему вещи развиваются в определенном порядке этапов, но никогда в обратном. Такой закон даст фундаментальное объяснение наблюдаемой стреле времени.

Сбивающей с толку вещью является то, что никто не открыл ни одного такого закона. И более того, законы физики, которые были четко сформулированы от Ньютона, через Маквелла и Эйнштейна и до сегодняшних дней, показывают полную симметрию между прошлым и будущим.* Нигде в любом из этих законов мы не найдем оговорки, что они применимы в одном направлении во времени, но не в другом. Нигде нет никакого различия между тем, как законы выглядят или ведут себя, когда они применяются к тому или иному направлению времени. Законы рассматривают то, что мы называем прошлым и будущим, на полностью одинаковом основании. Даже если ощущения снова и снова выявляют, что имеется направление-стрелка, в котором события разворачиваются во времени, эта стрелка, кажется, не находится в фундаментальных законах физики.

 (*)"Имеется исключение из этого утверждения, связанное с определенным классом экзотических частиц. В той степени, в какой это относится к обсуждаемым в этой главе вопросам, я рассматриваю это как, скорее всего, мало значимое и не хочу обращать внимания на эту оговорку в дальнейшем. Если вы интересуетесь, вопрос коротко обсужден в комментарии [2] ."

Прошлое, будущее и фундаментальные законы физики

Как это может быть? Законы физики не обеспечивают подведение фундамента под различение прошлого от будущего? Как может не быть закона физики, объясняющего, что события разворачиваются в этом порядке, но никогда в обратном?

Ситуация даже более загадочная. Известные законы физики на самом деле декларируют, – в отличие от наших ощущений в ходе жизни, – что некрепкий кофе может быть разделен на черный кофе и белые сливки; расплескавшийся желток и кучка перемешанных кусочков скорлупы могут собраться вместе и сформировать совершенно гладкое неразбитое яйцо; растаявший лед в стакане воды при комнатной температуре может сплавиться воедино назад в кубик льда; газ, выделившийся, когда вы открыли вашу газировку, может втянуться назад в бутылку. Все физические законы, которыми мы бережно владеем, полностью поддерживают то, что известно как симметрия по отношению к обращению времени. Это означает, что если некоторая последовательность событий может разворачиваться в одном темпоральном порядке (сливки и кофе смешиваются, яйца разбиваются, газ улетучивается), то эти события могут также разворачиваться и в обратном порядке (сливки и кофе разделяются, яйца восстанавливаются, газ втягивается назад). Я скоро это конкретизирую, но обобщение в одну фразу таково, что известные законы не только не способны сказать нам, почему мы видим события развивающимися только в одном порядке, они также говорят нам, что в теории события могут разворачиваться в обратном порядке.*

(*)"Отметим, что симметрия по отношению к обращению времени не означает, что само время разворачивается или "бежит" назад. Вместо этого, как мы описывали, указанная симметрия заключается в том, могут ли события, которые происходят во времени в одном отдельном темпоральном порядке происходить также и в обратном порядке. Более подходящим выражением может быть симметрия по отношению к обращению событий или обращению процессов или обращению порядка событий, но мы будем придерживаться общеупотребительного термина."

Животрепещущий вопрос таков: Почему мы никогда не видим таких вещей? Я думаю, можно смело заключать пари, что никто никогда на самом деле не был свидетелем восстановления разбитого яйца.Но законы физики позволяют это, и если, более того, эти законы рассматривают разбивание и восстановление эквивалентным образом, то почему одно никогда не происходит, в то время как другое имеет место?

Симметрия по отношению к обращению времени

В качестве первого шага к решению этой головоломки нам надо понять в более конкретных терминах, что означает для известных законов физики быть симметричными по отношению к обращению времени. С этой целью представьте, что идет двадцать пятый век и вы играете в теннис в новой межпланетной лиге с вашим партнером по имени "Крутой удар" Вильямс. Немного не привыкший к уменьшенной гравитации Венеры, "Крутой удар" делает сильнейший удар слева, который запускает мяч в глубокую уединенную темноту пространства. Пересекающий пространство шаттл производит киносъемку мяча, когда тот пролетает рядом, и посылает ленту в CNN (Celestial News Network – небесная сеть новостей) для телепередачи. Теперь вопрос: если техники CNN сделали ошибку и запустили пленку о теннисном мяче в обратном направлении, может ли быть какой-нибудь способ это отличить? Ну, если вы знали направление и ориентацию камеры во время съемок, то вы будете в состоянии распознать эту ошибку. Но если вы смогли ознакомиться с сюжетом исключительно путем просмотра самой пленки, без дополнительной информации? Ответ – нет. Если в правильном направлении времени (вперед) пленка показывает мяч летящим слева направо, то в обратном направлении он будет показан летящим справа налево. И определенно, законы классической физики позволяют теннисным мячам двигаться как налево, так и направо. Так что движение, которое вы видите, когда пленка прокручивается как в прямом направлении времени, так и в обратном, превосходно согласуется с законами физики.

Поскольку мы представляли, что на теннисный мяч не действовали никакие силы, то он движется с постоянной скоростью. Рассмотрим теперь более общую ситуацию, включив силы. Согласно Ньютону влияние силы заключается в изменении скорости объекта: силы придают ускорения. Тогда представим, что после некоторого времени плавания в пространстве мяч захватывается гравитационным притяжением Юпитера, что заставляет его двигаться с возрастающей скоростью по нисходящей дуге, развернутой направо к поверхности Юпитера, как показано на Рис.6.1а и 6.1b. Если вы проигрываете пленку с этим движением в обратном направлении, теннисный мяч покажет движение по дуге, которая развернута вверх и налево от Юпитера, как на Рис. 6.1с. Здесь возникает новый вопрос: является ли движение, демонстрируемое пленкой, которая проигрывается в обратном направлении, – движение, обращенное во времени по отношению к движению, в действительности заснятому на пленку, – допустимым по классическим законам физики? Является ли это движение таким, которое может произойти в реальном мире? Во-первых, ответ "да" кажется очевидным: теннисные мячи могут двигаться по нисходящим дугам направо или по восходящим дугам налево или, коли на то пошло, по бесконечному количеству других траекторий. Тогда в чем трудность? Хотя ответ, несомненно, "да", наши рассуждения слишком поверхностны и упускают реальную суть вопроса.

Рис 6.1 (а) Теннисный мяч, летящий от Венеры к Юпитеру, вместе с (b) окончанием полета. (с) Движение теннисного мяча, если его скорость обращена прямо перед его ударом о Юпитер.

 Когда вы пускаете пленку в обратном направлении, вы видите теннисный мяч отскочившим от поверхности Юпитера, двигаясь вверх и налево в точности с той же скоростью (но в точности в противоположном направлении), с которой он падал на планету. Эта начальная часть пленки определенно согласуется с законами физики: мы можем представить, например, кого-то, кто запустил теннисный мяч с поверхности Юпитера с точно такой же скоростью. Существенный вопрос, будет ли и оставшаяся часть обратного движения также согласовываться с законами физики. Будет ли мяч, запущенный с этой начальной скоростью – и подвергающийся воздействию притягивающей вниз гравитации Юпитера – действительно двигаться вдоль траектории, изображенной на остатке прокручиваемой в обратном направлении пленки? Будет ли он в точности очерчивать его оригинальную нисходящую траекторию, но в обратном направлении?

Ответ на этот более усовершенствованный вопрос – "да". Чтобы избежать любой путаницы, расшифруем его детально. На Рис. 6.1а перед тем, как гравитация Юпитера оказала любое существенное влияние, мяч был направлен исключительно направо. Далее, на Рис. 6.1b мощная гравитационная сила захватила мяч и притянула его к центру планеты – притяжение, которое в большей степени направлено вниз, но, как вы можете видеть на рисунке, также, частично, и направо. Это значит, что когда мяч приблизился к поверхности Юпитера, его ориентированная направо скорость увеличилась слегка, но его ориентированная вниз скорость увеличилась сильно. Следовательно, в прокручиваемой назад пленке взлет мяча от поверхности Юпитера будет происходить в направлении слегка налево и, преимущественно, вверх, как показано на Рис. 6.1с. При этой стартовой скорости гравитация Юпитера будет оказывать ее максимальное влияние на скорость мяча, направленную вверх, делая ее все меньше и меньше, тогда как направленная налево скорость мяча тоже будет уменьшаться, но в меньшей степени. И с быстро уменьшающейся скоростью мяча, направленной вверх, его движение будет становиться преимущественно таким, при котором преобладает скорость, направленная налево, что вынудит мяч следовать по выгнутой наверх траектории по направлению налево. Вблизи окончания этой дуги гравитация истощит все направленное вверх движение, также как и добавочную направленную направо скорость, которую гравитация Юпитера добавила мячу во время его пути вниз, оставив движение мяча чисто в направлении налево в точности с той же скоростью, которую он имел в его первоначальном подходе.

Все это можно проделать количественно, но главное в том, что эта траектория в точности совпадает с обращенным начальным движением мяча. Просто изменив на противоположную скорость мяча, как на Рис. 6.1с, – отправив его в путь с той же скоростью, но в противоположном направлении, – можно заставить его пройти полностью свою исходную траекторию, но назад. Возвращая пленку назад в обсуждение, мы видим, что выгнутая вверх траектория, направленная налево, – траектория, которую мы просто сконструировали, основываясь на ньютоновских законах движения, – в точности совпадает с тем, что мы видели при прокручивании пленки назад. Так что движение мяча с обращением времени, как изображено на прокручиваемой назад пленке, согласуется с законами физики так же надежно, как и его движение в прямом времени. Движение, которое мы видели, прокручивая пленку в обратном направлении, есть движение, которое на самом деле может происходить в реальном мире.

Хотя тут имеется несколько тонкостей, которые я отношу к заключительным комментариям, это заключение является общим. Все известные и признанные законы, относящиеся к движению, – от уже обсужденной ньютоновской механики к электромагнитной теории Максвелла и к СТО и ОТО Эйнштейна (вспомним, что мы исключили квантовую механику до следующей главы) – заключают в себе симметрию по отношению к обращению времени: движение, которое может происходить в обычном направлении, соответствующем прямому ходу во времени, может так же прекрасно происходить и в обратном направлении. Поскольку терминология чуть-чуть запутанная, позвольте еще раз подчеркнуть, что мы не обращаем само время. Время действует так же, как и всегда. Вместо этого, наши выводы таковы, что мы можем направить объект очерчивать его траекторию в обратном направлении путем простой процедуры обращения его скорости в любой точке вдоль его пути. Эквивалентно, та же процедура – обращение скорости объекта в некоторой точке вдоль его пути заставит объект совершить движение, которое мы видели на прокручиваемой назад пленке.

Теннисные мячи и разбивающиеся яйца

Наблюдение за теннисным мячом, запущенным между Венерой и Юпитером – в том или другом направлении – не является особенно интересным. Но поскольку заключение, которого мы достигли, широко применимо, отправимся теперь в некоторое более интересное место: на вашу кухню. Положите яйцо на ваш кухонный стол, катните его в направлении края и позвольте ему упасть на пол и разбиться. Несомненно, имеется много движений в этой последовательности событий. Яйцо падает. Скорлупа растрескивается. Желток расплескивается тут и там. Доски пола сотрясаются. Формируются вихри в окружающем воздухе. Трение вызывает нагревание, влияющее на атомы и молекулы яйца, пола и воздуха, заставляя их дрожать немного более быстро. Но точно так же, как законы физики показывают нам, как мы можем отправить теннисный мяч очерчивать его собственный точный путь в обратном направлении, те же самые законы показывают, как мы можем заставить каждый кусочек яичной скорлупы, каждую каплю желтка, каждую секцию настила пола и каждый пузырек воздуха также проделать в точности его движение в обратном направлении. "Все", что нам необходимо сделать, это поменять направление скорости всех и каждой из составляющих процесса разбивания на обратное. Более точно, рассуждения, использованные в примере с теннисным мячом, означают, что если, гипотетически, мы были бы в состоянии одновременно поменять на обратную скорость каждого атома и молекулы, вовлеченных прямо или косвенно в процесс разбивания яйца, все движения при разбивании яйца будут происходить в обратном направлении.

Еще раз, точно как с теннисным мячом, если мы преуспеем в обращении всех этих скоростей, то, что мы увидим, будет похоже на прокручиваемую в обратном направлении пленку. Но, в отличие от теннисного мяча, обращение движения разбивающегося яйца будет чрезвычайно впечатляющим. Волна колеблющихся молекул воздуха и мельчайшие сотрясения пола соберутся в месте падения со всех частей кухни, заставив каждый кусочек скорлупы и каплю желтка направиться обратно к месту удара. Каждый ингредиент будет двигаться в точности с той же скоростью, которую он имел в исходном процессе разбивания яйца, но каждый будет теперь двигаться в противоположном направлении. Капли желтка будут лететь назад в шарик, точно так же как зубцы маленьких кусочков скорлупы, достигнувших окраины шарика, будут полностью выстроены для соединения вместе в гладкий яйцевидный контейнер. Колебания пола и воздуха будут точно состыкованы с движениями мириад соединяющихся капель желтка и кусочков скорлупы, чтобы дать заново сформированное яйцо, которое одним толчком подпрыгнет с пола в виде одного куска, взлетит на кухонный стол, мягко приземлится на его край с достаточным вращательным движением, чтобы откатиться на несколько дюймов и элегантно вернуться к началу. Это все будет происходить, если мы решим задачу тотального и точного обращения скоростей всего, что было задействовано. Так что, является ли событие простым, вроде полета по дуге теннисного мяча, или чем-то более сложным, вроде разбивания яйца, законы физики показывают, что то, что происходит в одном направлении времени, может, по крайней мере, в принципе, также происходить и в обратном направлении.

Принципы и практика

Истории о теннисном мяче и яйце дают более чем иллюстрацию симметрии по отношению к обращению времени в законах природы. Они также наводят на мысль, почему в действительном мире случая мы видим многие вещи происходящими одним способом и никогда не происходящими обратным способом. Отправить теннисный мяч повторить свой путь назад было не тяжело. Мы хватали его и неоднократно направляли его с той же самой скоростью, но в обратном направлении. Это так. Но заставить все хаотические остатки яйца воспроизвести их пути назад будет куда более тяжело. Мы должны захватить каждый кусочек разбитого яйца и одновременно направить каждый с той же скоростью, но в противоположном направлении. Ясно, что это находится за пределами того, что мы (или вся королевская конница и вся королевская рать) реально можем сделать.

Нашли ли мы ответ, который искали? Является ли причина того, почему яйца разбиваются, но не собираются воедино, даже если оба действия допускаются законами физики, вопросом того, что является, а что не является осуществимым на практике? Нет ли решения просто в том, что легко сделать яйцо разбитым – катнуть его по столу, – но экстраординарно сложно сделать его снова неразбитым?

Ну, если бы это был ответ, поверьте мне, я не стал бы возводить его в такую великую проблему. Спор простоты против сложности является существенной частью ответа, но полная история, в рамках которой все происходит, намного более тонкая и удивительная. Мы получим ее должным образом, но сначала мы должны сделать обсуждение этой секции чуть более точным. Это приводит нас к концепции энтропии.

Энтропия

На могильном камне на Центральном кладбище в Вене рядом с могилами Бетховена, Брамса, Шуберта и Штрауса выгравировано простое уравнение S = k log W, которое выражает математическую формулировку мощной концепции, известной как энтропия. Могильный камень несет на себе имя Людвига Больцмана, одного из наиболее проницательных физиков, работавших в течение последнего столетия. В 1906, с подорванным здоровьем и страдая от депрессии, Больцман совершил самоубийство во время отдыха со своей женой и дочерью с Италии. По иронии судьбы как раз несколькими месяцами позже эксперименты, начатые для подтверждения того, что идеи Больцмана, пылко отстаивая которые, он истощил свою жизнь, оказались успешными.

Понятие энтропии впервые было разработано во время промышленной революции учеными, интересовавшимися работой печей и паровых двигателей, что помогло разработать область термодинамики. После многих лет исследований основные идеи были резко пересмотрены, получив высшее воплощение в подходе Больцмана. Его версия энтропии, лаконично выраженная в уравнении на его надгробии, использует статистические обоснования для обеспечения связи между гигантским числом индивидуальных частей, составляющих физическую систему, и общими свойствами, которые система имеет.

Чтобы почувствовать эти идеи, представим себе копию Войны и мира, разделенную на 693 двусторонних отдельных листа, которые подброшены высоко в воздух, а затем их свободное скопление собрано в аккуратную стопку. Когда вы проверите итоговый пакет страниц, в гигантской степени более вероятно, что страницы расположатся не по порядку, чем по порядку. Причина очевидна. Имеется много вариантов, в которых порядок страниц может быть перепутан, но только один вариант, при котором порядок правильный. Конечно, надлежащим образом страницы должны быть расположены в точности как 1,2; 3,4; 5,6; и так далее вплоть до 1385,1386. Любое другое расположение будет не по порядку. Простое, но существенное наблюдение заключается в том, что чем большим числом способов, которые все равноправны, нечто может произойти, тем более вероятно, что оно произойдет. А если нечто может произойти огромным числом способов, вроде страниц, приземлившихся в неправильном числовом порядке, в огромной степени более вероятно, что оно произойдет. Мы все интуитивно это знаем. Если вы покупаете лотерейный билет, имеется только один случай, в котором вы можете выиграть. Если вы купите миллион билетов, каждый со своим номером, то будет миллион случаев, в которых вы можете выиграть, так что ваши шансы разом разбогатеть будут в миллион раз выше.

Энтропия представляет собой понятие, которое делает эту идею точной путем подсчета количества способов, согласующихся с законами физики, в которых любая данная физическая ситуация может быть реализована. Высокая энтропия означает, что имеется много способов; низкая энтропия означает, что имеется несколько способов. Если страницы Войны и мира скомпоновались в правильном числовом порядке, это низкоэнтропийная конфигурация, поскольку имеется одно и только одно расположение, удовлетворяющее этому критерию. Если страницы находятся не в числовом порядке, это высокоэнтропийная ситуация, поскольку небольшой расчет показывает, что имеется огромное число, для записи которого потребовалось бы более 30 строк настоящего текста, – примерно 101878 – различных неупорядоченных расположений. Если вы подбросили страницы в воздух, а затем собрали их в аккуратную стопку, всегда ясно, что они будут взбиты ветром беспорядочно, поскольку такие конфигурации имеют чудовищно более высокую энтропию – имеется намного больше способов получить неупорядоченный результат, – чем исключительное расположение, в котором страницы находятся в правильном числовом порядке.

В принципе, вы можете использовать законы классической физики, чтобы точно определить, где приземлится каждая страница после того, как целая пачка была подброшена в воздух. Так же, опять в принципе, мы можем точно предсказать итоговое расположение страниц и отсюда (в отличие от квантовой механики, которую мы игнорируем до следующей главы) будет казаться, что нет необходимости полагаться на вероятностные понятия, такие как какой результат является более или менее вероятным по сравнению с другим. Но статистические понятия являются как действенными, так и удобными. Если Война и мир была бы брошюрой, состоящей только из пары страниц, мы точно могли бы быть в состоянии успешно завершить необходимые вычисления, но это будет невозможно сделать для настоящей Войны и Мира. Следование за точным движением 693 гибких кусков бумаги, пока они подхватываются тихими воздушными потоками и соприкасаются, скользят и хлопают друг о друга, будет монументальной задачей, далеко лежащей за пределами возможностей даже самых мощных суперкомпьютеров.

Более того – и это является критически важным – получить точный ответ нельзя будет, даже если бы мы были способны. Когда вы исследуете окончательную стопку страниц, вы гораздо меньше интересуетесь точными деталями, какая страница где оказалась, чем главным вопросом, расположились ли страницы в правильном порядке. Если расположились, прекрасно. Вы сможете сесть и продолжить чтение про Анну Павловну и Николая Ильича Ростовых, как обычно. Но если вы обнаружили, что страницы не находятся в их правильном порядке, точные детали расположения страниц будут чем-то, что вас, вероятно, меньше всего будет заботить. Если вы увидели одно неупорядоченное расположение страниц, вы в большой степени видели их все. За исключением случаев, когда по некоторым странным причинам вы погрязли в мелочах, выясняя, каким страницам пришлось появиться здесь или там в стопке, вы едва ли заметите, если некоторое перемешанное впоследствии в неправильном порядке расположение страниц вы изначально задали. Начальная стопка будет выглядеть неупорядоченной и перемешанная впоследствии стопка будет также выглядеть неупорядоченной. Так что не только значительно легче провести статистическое обсуждение, но и ответ, который оно дает – упорядоченное против неупорядоченного, – более важен для нашего настоящего интереса, для вида вещей, на которые мы обычно обращаем внимание.

Этот сорт укрупненного подхода является центральным для статистической основы энтропийных рассуждений. Точно так же, как любой лотерейный билет имеет те же шансы на выигрыш, как и любой другой, после многих подбрасываний Войны и мира любое особое расположение страниц возникнет с точно той же вероятностью, что и любое другое. Что делает проведение статистических рассуждений эквивалентным нашему утверждению, что имеется два представляющих интерес класса конфигураций страниц: упорядоченные и неупорядоченные. Первый класс имеет одного члена (правильное расположение страниц 1,2; 3,4; и так далее), тогда как второй класс имеет гигантское число членов (любое другое возможное расположение страниц). Эти два класса представляют разумный набор для использования, поскольку, как сказано выше, они охватывают всеобъемлющую макроскопическую оценку, которую вы делаете, рассматривая любое данное расположение страниц.

Даже при этих условиях вы можете предложить сделать более тонкое различие между этими двумя классами, такое как расположения с несколькими выпадающими из правильного порядка страницами, расположения с неупорядоченными страницами только из первой главы и так далее. Фактически, иногда может быть полезным рассмотреть такие промежуточные классы. Однако, число возможных расположений страниц в каждом из этих новых подклассов все еще экстремально мало по сравнению с числом расположений в полном неупорядоченном классе. Например, полное число неупорядоченных расположений, включающих только страницы из первой части Войны и мира, составляет 10–178 от сотой доли полного числа неупорядоченных расположений, включающих все страницы. Так что, хотя при начальном подбрасывании не сшитой книги итоговое расположение страниц будет, вероятнее всего, частью одного из промежуточных, не полностью разупорядоченных классов, почти ясно, что если вы повторите процедуру подбрасывания много раз, порядок страниц в конечном счете будет проявлять не очевидный пример всего, чего угодно. Расположение страниц развивается в направлении к полностью неупорядоченному классу, поскольку имеется так много расположений страниц, которые удовлетворяют данному требованию.

Пример Войны и мира подчеркивает две существенные особенности энтропии. Первая, энтропия есть мера количества беспорядка в физической системе. Высокая энтропия означает, что много перестановок составляющих частей, мыслимых для системы, пройдут незамеченными, и это, с другой стороны, означает, что система сильно неупорядочена (когда страницы Войны и мира все перемешаны, любое дальнейшее их перепутывание будет едва ли заметно, поскольку просто оставляет страницы в перемешанном состоянии). Низкая энтропия означает, что только несколько перестановок пройдут незамеченными, и это, с другой стороны, означает, что система сильно упорядочена (когда страницы Войны и мира начинаются с их правильного расположения, вы легко можете отследить едва ли не любую перестановку). Вторая, в физических системах с многими составляющими частями (например, в книгах со многими страницами, подбрасываемых в воздух) имеется естественная эволюция по направлению к большему беспорядку, поскольку беспорядок может возникнуть в настолько большем количестве путей, чем порядок. На языке энтропии это указание на то, что физические системы имеют тенденцию развиваться по направлению к состояниям с более высокой энтропией.

Конечно, делая энтропию точной и универсальной, физическое определение не рассматривает подсчет числа перестановок страниц той или иной книги, которые оставляют ее выглядящей по-прежнему, или упорядоченной или неупорядоченной. Вместо этого физическое определение подсчитывает число перестановок фундаментальных составляющих – атомов, субатомных частиц и так далее – которое оставляет макроскопические, всеобъемлющие, крупномасштабные свойства данной физической системы неизменными. Как и в примере Войны и мира, низкая энтропия означает, что только несколько перестановок пройдут незамеченными, так что система высоко упорядочена, тогда как высокая энтропия означает, что много перестановок не будут замечены, что означает, что система сильно неупорядочена.*

Для хорошего физического примера, причем такого, который можно быстро проверить руками, подумаем о бутылке колы, упоминавшейся ранее. Когда газ, подобный углекислому газу, изначально заключенному в бутылке, в конечном счете распространяется по комнате, имеется много перестановок отдельных молекул, которые не будут иметь заметного эффекта. Например, если вы машете своими руками, молекулы углекислого газа будут двигаться туда и обратно, быстро изменяя свои положения и скорости. Но в целом не будет никакого качественного влияния на их расположение в целом. Молекулы были распределены однородно до того, как вы взмахнули руками, и они останутся распределенными однородно после того, как вы это сделали. Конфигурация однородно распределенного газа нечувствительна к гигантскому числу перестановок молекулярных составляющих, так что находится в состоянии с высокой энтропией. Напротив, если газ распределен в меньшем пространстве, как это было в бутылке, или удерживается барьером в углу комнаты, он будет иметь существенно более низкую энтропию. Причина проста. Точно так же, как более тонкая книга имеет меньше расположений страниц, меньшее пространство обеспечивает меньше мест, где молекулы могут размещаться, а следовательно, допускает меньше перестановок молекул.

Но когда вы откручиваете крышку бутылки или удаляете барьер, вы открываете целую новую вселенную для молекул газа, и через столкновения и соударения они быстро рассеиваются, чтобы эту вселенную "исследовать". Почему? По тем же самым статистическим причинам, как и в случае страниц Войны и мира. Нет сомнений, что некоторые из соударений будут приводить несколько молекул газа точно внутрь исходного пузыря газа или подтолкнут несколько молекул, которые вернулись назад в пузырь, в сторону облака газа исходной плотности.

(*)"Энтропия есть еще один пример, в котором терминология усложняет идеи. Не расстраивайтесь, если вы опять себе напомнили, что низкая энтропия означает высокий порядок, а высокая энтропия означает низкий порядок (эквивалентно, высокий беспорядок). Я много раз так делал." 

 Но, поскольку объем комнаты превышает объем исходного облака газа, имеется граздо больше перестановок, приемлемых для молекул, если они рассеиваются из облака, чем для молекул, если они остаются в облаке. Тогда в среднем молекулы газа будут расплываться из исходного облака и медленно достигнут состояния, когда они однородно распределены по комнате. Так что относительно низкоэнтропйная исходная конфигурация, в которой весь газ собран в кучу в малой области, естественным образом эволюционирует в направлении относительно высокоэнтропийной конфигурации, в которой газ однородно распространен в большем пространстве. И однажды достигнув такой однородности, газ будет иметь тенденцию поддерживать это состояние высокой энтропии: столкновения и соударения все еще заставляют молекулы двигаться туда и сюда, вызывая замену одной перестановки на другую, но подавляющим образом превалируют такие перестановки, которые не влияют на макроскопические, всеобъемлющие свойства газа. Это и означает иметь высокую энтропию.

В принципе, как и со страницами Войны и мира, мы можем использовать законы классической физики, чтобы точно определить, где в данный момент времени будет находиться каждая молекула углекислого газа. Но вследствие чудовищного числа молекул СО2 – около 1024 в бутылке колы – в действительности провести такие вычисления практически невозможно. И даже если каим-то образом мы были бы в состоянии сделать это, обладание списком из миллионов миллиардов миллиардов положений и скоростей частиц будет почти ничего не давать нам в смысле того, как молекулы распределены. Концентрация внимания на крупномасштабных статистических свойствах – рассеялся газ или собрался вместе, что означает, имеет он высокую или низкую энтропию – намного более информативна.

Энтропия, второй закон и стрела времени

Тенденция физической системы эволюционировать в направлении состояния с более высокой энтропией известна как второй закон термодинамики. (Первый закон есть привычный закон сохранения энергии). Как отмечено выше, основанием для закона является простое статистическое рассуждение: имеется больше способов для системы иметь более высокую энтропию, и "больше способов" означает, что более вероятным является то, что система будет эволюционировать в одну из этих высокоэнтропийных конфигураций. Хотя отметим, что это не есть закон в обычном смысле, поскольку, хотя такие случаи редки и маловероятны, нечто может уйти из состояния с высокой энтропией в состояние с низкой. Когда вы подбрасываете в воздух перепутанную пачку страниц, а затем собираете ее в аккуратную стопку, может произойти возврат в правильный числовой порядок. Вы не захотите заключить пари на большую сумму, что это произойдет, но это возможно. Возможно также, что столкновения и соударения просто приведут к тому,что весь рассеянный углекислый газ будет двигаться согласованно и втянется назад в вашу открытую бутылку колы. Не надо, затаив дыхание, ожидать и такого исхода тоже, но он может произойти.

Большое число страниц Войны и мира и большое число молекул газа в комнате является тем, что делает разницу энтропий между неупорядоченными и упорядоченными расположениями настолько огромной и что приводит к ужасно малой вероятности низкоэнтропийных исходов того или иного процесса. Если вы еще и еще раз подбрасываете в воздух только две двусторонние страницы, вы найдете, что они опустятся в правильном порядке примерно в 12,5 процентов случаев. С тремя страницами эта величина упадет примерно до 2 процентов, с четырьмя страницами примерно до 0,3 процента, с пятью страницами примерно до 0,03 процента, с шестью страницами примерно до 0,002 процента, с десятью страницами до 0,000000027 процента, а с 693 страницами процент подбрасываний, которые будут приводить к правильному порядку, настолько мал, – он содержит так много нулей после десятичной точки, – что я убедил издателя не использовать полстраницы, чтобы записать его явно. Аналогично, если вы выпустили только две молекулы газа бок о бок в пустую бутылку из-под колы, вы найдете, что при комнатной температуре их хаотическое движение будет приводить их обеих назад друг к другу (на расстояние миллиметра друг от друга), в среднем, грубо каждые несколько секунд. Для группы из трех молекул вы будете ждать день, для четырех молекул вы будете ждать год, а для исходного плотного пузыря из миллиона миллиардов миллиардов молекул потребуется время, намного превышающее текущий возраст вселенной, чтобы их хаотическое, рассеивающее движение привело их назад вместе в маленький упорядоченный сгусток. С большей уверенностью, чем в смерти и налогах, мы можем считать, что системы с большим числом составляющих эволюционируют к беспорядку.

Хотя это может и не быть очевидным немедленно, мы здесь подошли к интригующему моменту. Второй закон термодинамики, кажется, дал нам стрелу времени, одну из вещей, которые появляются, когда физические системы имеют большое число составляющих. Если вы посмотрите пленку о двух молекулах углекислого газа, которые разместились вместе в малом объеме (с подсветкой траекторий, показывающей движения каждой из них), вам будет тяжело сказать, прокручивалась ли пленка в прямом или в обратном направлении. Две молекулы будут летать тем и другим путем, временами собираясь вместе, временами удаляясь, но они не будут представлять макроскопическое, всеобъемлющее поведение, различающее одно направление во времени от обратного. Однако, если вы увидите пленку, на которой 1024 молекул углекислого газа собрались вместе в малом объеме (в виде, скажем, маленького плотного облака молекул), вы легко определите, показывалась ли пленка в прямом или обратном направлении: подавляюще более вероятным является, что прямое направление времени то, в котором молекулы газа становятся более и более однородно распределенными, достигая все большей и большей энтропии. Если вместо этого пленка показывает однородный рассеянный газ молекул, стягивающихся вместе в тесную группу, вы немедленно осознаете, что смотрите пленку в обратном направлении.

Те же рассуждения годятся, по-существу, для всех вещей, с которыми мы сталкиваемся в повседневной жизни – для вещей, которые имеют большое число составляющих: стрела прямой ориентации во времени указывает в направлении роста энтропии. Если вы смотрите пленку о стакане воды со льдом, поставленном на стойку, вы можете определить, какое направление является прямым во времени, отметив, что лед тает, – его молекулы Н2О распределяются по стакану, следовательно, достигая более высокой энтропии. Если вы смотрите пленку о разбивающемся яйце, вы можете определить, какое направление является прямым во времени, отметив, что составляющие яйца становятся все более и более разупорядоченными, – что яйцо разбивается скорее, чем собирается воедино, следовательно, также достигая более высокой энтропии.

Как вы можете видеть, концепция энтропии обеспечивает точную версию заключения "простота против сложности", которую мы нашли раньше. Для страниц Войны и мира легко выпасть из порядка, так как имеется так много неупорядоченных расположений. Для страниц тяжело попасть в совершенный порядок, поскольку сотни страниц должны будут двигаться точно правильным путем, чтобы упасть в уникальной последовательности, спланированной Толстым. Для яйца легко разбиться, так как имеется так много способов разбиться. Для яйца тяжело собраться воедино, поскольку огромное число разбрызгавшихся составляющих должно будет двигаться в совершенной координации, чтобы воспроизвести отдельный уникальный результат в виде неповрежденного яйца, покоящегося на столе. Для вещей с большим числом составляющих идти от низкой энтропии к высокой – от порядка к беспорядку – легко, так что это и происходит всегда. Двигаться от высокой энтропии к низкой – от беспорядка к порядку – тяжелее, так что это происходит, в лучшем случае, редко.

Отметим также, что эта энтропийная стрела не является полностью жесткой; здесь не заявляется, что это определение направления времени на 100 процентов "защищено от дурака". Напротив, подход достаточно гибкий, чтобы позволить тем или иным процессам случаться также и в обратном направлении. Поскольку второй закон провозглашает, что рост энтропии является только статистически вероятным, а не нерушимым фактом природы, он позволяет как редкую возможность, что страницы могут выпасть в совершенном числовом порядке, что молекулы газа могут собраться и влезть в бутылку, а яйца могут самовосстанавливаться. Используя математику энтропии, второй закон выражает в точности, как статистически невероятны такие события (вспомните гигантское число, втречавшееся шестью страницами раньше, – 101878 – показывающее, насколько более вероятно, что страницы Войны и мира лягут в беспорядке), но он подтверждает, что они могут происходить.

Это кажется похожим на убедительную историю. Статистические и вероятностные рассуждения дают нам второй закон термодинамики. В свою очередь, второй закон обеспечивает нас интуитивным различием между тем, что мы называем прошлым и тем, что мы называем будущим. Он дает нам практическое объяснение, почему вещи в повседневной жизни, вещи, которые обычно состоят из огромного числа составляющих, начинаются подобно этому, а заканчиваются подобно тому, в то время как мы никогда не видим их, начинающимися подобно тому, а заканчивающимися подобно этому. Но по прошествии многих лет – и благодаря важным вкладам физиков, подобных лорду Кельвину, Джозефу Лошмидту, Анри Пуанкаре, С.Х. Берберу, Эрнсту Цермело и Вильяму Гиббсу, – Людвиг Больцман пришел к пониманию, что полная история стрелы времени более удивительна. Больцман осознал, что хотя энтропия проясняет важные аспекты головоломки, она не отвечает на вопрос, почему прошлое и будущее кажутся такими различными. Вместо этого, энтропия переопределила вопрос важным образом, одним из тех, что приводят к неожиданным заключениям.

Энтропия: прошлое и будущее

Ранее мы ввели дилемму прошлого и будущего путем сравнения наших повседневных наблюдений со свойствами ньютоновских законов классической физики. Мы подчеркнули, что мы постоянно ощущаем очевидную направленность пути, по которому вещи развиваются во времени, но сами законы трактуют то, что мы называем прямым и обратным направлением во времени, на совершенно одинаковых основаниях. Так как в рамках законов физики нет стрелы, которая обозначает направление во времени, нет указания, требующего: "Используйте этот закон в данной темпоральной ориентации, но не в обратной", мы приходим к вопросу: Если законы, лежащие в основе опыта, трактуют обе темпоральные ориентации симметрично, почему сам опыт (ощущения) так односторонен во времени, всегда происходя в одном направлении, но никогда в обратном? Откуда возникает наблюдаемая и ощущаемая направленность времени?

В последней секции нам показалось, что был сделан прогресс через второй закон термодинамики, который явно выделяет будущее как направление, в котором энтропия возрастает. Но после дальнейших размышлений это оказывается не так просто. Отметим, что в нашем обсуждении энтропии и второго закона мы не преобразовывали никоим образом законы классической физики. Вместо этого, все, что мы сделали, это использовали законы в "крупномасштабных" статистических рамках: мы проигнорировали тонкие детали (точный порядок несоединенных страниц Войны и мира, точные положения и скорости составляющих яйца, точные положения и скорости молекул СО2 в бутылке колы), а, напротив, сконцентрировали наше внимание на макроскопических, всеобъемлющих свойствах (страницы упорядочены или нет, яйцо разбито или восстановлено, молекулы газа рассеяны или не рассеяны). Мы нашли, что когда физические системы существенно сложны (книги с большим числом страниц, хрупкие объекты, которые могут разбиться на много фрагментов, газ с большим числом молекул), имеется огромное отличие в энтропии между их упорядоченными и неупорядоченными конфигурациями. А это значит, что имеется огромная вероятность, что системы будут эволюционировать от более низкой к более высокой энтропи, что и является грубо утверждением второго закона термодинамики. Но ключевым фактом, на который надо обратить внимание, является то, что второй закон производен: он просто является следствием вероятностных рассуждений, примененных к ньютоновским законам движения.

Это приводит нас к простому, но поразительному выводу: поскольку ньютоновские законы физики не имеют встроенной темпоральной ориентации, все рассуждения, которые мы использовали для обоснования, что системы будут развиваться от более низкой к более высокой энтропии в направлении в будущее, работают одинаково хорошо, если их применить в направлении прошлого. Еще раз, так как лежащие в основе законы физики имеют симметрию по отношению к обращению времени, для них нет способа даже провести различие между тем, что мы называем прошлым, и тем, тем мы называем будущим. Точно так же, как нет указательного столба в глубокой темноте пустого пространства, который объявляет это направление вверх, а это направление вниз, нет ничего в законах классической физики, что называло бы это направление во времени будущим, а это направление во времени прошлым. Законы не предлагают темпоральной ориентации; это отличие, к которому они полностью нечувствительны. А поскольку законы движения несут ответственность за то, как изменяются вещи, – как в направлении, которое мы называем будущим, так и в направлении, которое мы называем прошлым, – статистические/вероятностные рассуждения, стоящие за вторым законом термодинамики, применимы в равной степени к обоим темпоральным направлениям. Следовательно, имеется не только подавляющая вероятность того, что энтропия физической системы будет больше в том направлении, что мы называем будущим, но имеется такая же подавляющая вероятность, что она будет больше в направлении, которое мы называем прошлым. Мы показали это на Рис. 6.2.

Это ключевой момент для всего, что последует дальше, но это также обманчиво просто. Общее противоречие в том, что если в соответствии со вторым законом термодинамики энтропия возрастает по направлению в будущее, тогда энтропия с необходимостью уменьшается по направлению в прошлое. Но тут и появляется тонкость. Второй закон действительно говорит, что если в любой данный момент, которым мы интересуемся, физическая система еще не достигла максимально возможной энтропии, экстраординарно вероятно, что физическая система будет впоследствии получать и раньше получала больше энтропии. Это содержание Рис. 6.2b. С законами, которые закрывают глаза на различие прошлого от будущего, такая симметрия времени неизбежна.

(а) (b)

Рис 6.2 (а) Как это обычно описывается, второй закон термодинамики подразумевает, что энтропия возрастает по направлению в будущее от любого заданного момента. (b) Поскольку известные законы природы рассматривают направления вперед и назад во времени идентично, второй закон в действительности подразумевает, что энтропия возрастает как в направлении будущего, так и в направлении прошлого от любого заданного момента. <Горизонтальные оси – время, вертикальные оси – энтропия; отмечен момент настоящего и направления налево (прошлое) и направо (будущее)>. Это существенный урок. Он говорит нам, что энтропийная стрела времени оказывается направленной в две стороны. От любого заданного момента стрела энтропии демонстрирует рост в направлении будущего и в направлении прошлого. А это делает явно затруднительным предлагать энтропию в качестве объяснения однонаправленной стрелы ощущаемого времени.

Подумаем о том, что двунаправленная энтропийная стрела подразумевает в конкретных случаях. Если сегодня теплый день и вы видите частично растаявший кубик льда в стакане воды, вы полностью уверены, что на полчаса позже кубик будет еще более растаявшим, поскольку чем больше он растаял, тем большей энтропией он обладает. Но вы будете иметь точно такую же уверенность, что на полчаса раньше он был также более растаявший, поскольку точно такие же статистические рассуждения подразумевают, что энтропия должна возрастать по направлению в прошлое. И такое же заключение применимо к бесчисленному множеству других примеров, с которыми мы сталкиваемся каждый день. Ваше убеждение, что энтропия возрастает по направлению в будущее – от того, что частично рассеявшийся газ молекул рассеивается дальше, к тому, что частично перепутанный порядок страниц будет перепутываться еще больше, – должно соответствовать точно такой же уверенности, что энтропия была также выше и в прошлом.

Неприятная мысль в том, что половина из этих заключений кажется абсолютно ложной. Энтропийные рассуждения дают точные и осмысленные заключения, когда они применены в одном направлении времени, а именно в направлении того, что мы называем будущим, но дают очевидно ошибочные и кажущиеся нелепыми заключения, когда они применены в направлении того, что мы называем прошлым. Стаканы воды с частично растаявшими кубиками льда обычно не начинают изменяться как стаканы воды без кубиков льда, в которых молекулы воды собираются и смерзаются в кусочки льда, чтобы еще раз начать таять. Несвязанные страницы Войны и мира обычно не начинают перегруппировываться от полного числового беспорядка, чтобы через последовательность подбрасываний стать менее перепутанными и лишь затем начать снова перепутываться больше. И, возвращаясь на кухню, яйца, как правило, не начинают изменяться из разбитого состояния, затем собираясь в неповрежденное целое яйцо, чтобы разбиться несколько позже.

Или они это делают?

Вслед за математикой

Сотни лет научных исследований показали, что математика обеспечивает мощный и острый язык для анализа вселенной. В самом деле, история современной науки насыщена примерами, в которых математика делала предсказания, которые казались противоречащими как интуиции, так и ощущениям (что вселенная содержит черные дыры, что вселенная имеет антиматерию, что удаленные частицы могут быть запутанными и так далее), но которые в конце концов эксперименты и наблюдения смогли подтвердить. Такие разработки сами по себе оставили глубокий след в культуре теоретической физики. Физики пришли к осознанию, что математика, когда она используется обоснованным образом, является проверенной дорогой к истине.

Итак, когда математический анализ законов природы показал, что энтропия должна возрастать как по направлению в будущее, так и по направлению в прошлое от любого данного момента, физики не выбросили ее из головы. Вместо этого нечто, похожее на физическую клятву Гиппократа, побудило исследователей сохранить глубокий и здоровый скептицизм относительно обманчивой истинности человеческого опыта и с тем же скептическим отношением старательно проследовать за математикой и посмотреть, куда она приведет. Только тогда мы можем правильно оценить и интерпретировать любое остающееся рассогласование между физическими законами и здравым смыслом.

С этой целью представим, что сейчас 10:30 вечера и последние полчаса вы уставились на стакан воды со льдом (в баре тихая ночь), наблюдая, как кубики медленно тают, превращаясь в маленькие бесформенные комки. Вы абсолютно не сомневаетесь, что полчаса назад бармен положил в стакан полностью правильные кубики льда; вы не сомневаетесь, потому что вы доверяете своей памяти. И если в силу каких-то обстоятельств ваше убеждение относительно того, что произошло за последние полчаса будет поколеблено, вы можете спросить парня напротив, который также наблюдал, как тают кубики льда (в баре на самом деле тихая ночь), или вообще исследовать запись, взятую из обзорной видеокамеры бара, оба эти источника подтвердят, что ваша память в порядке. Если вы тогда спросите себя, что, как вы ожидаете, произойдет с кубиками льда в течение следующей половины часа, вы, вероятно, придете к заключению, что они будут продолжать таять. А если вы достигли достаточно хорошего знакомства с концепцией энтропии, вы объясните ваше предсказание, обратившись к подавляющей вероятности того, что энтропия будет возрастать от того, что вы видите прямо сейчас, в 10:30 вечера, по направлению в будущее. Все это вполне осмысленно и совпадает с нашей интуицией и ощущениями.

Но, как мы видели, такие энтропийные рассуждения – рассуждения, что, проще говоря, вещи более вероятно будут разупорядочиваться, поскольку имеется больше способов для разупорядочивания, рассуждения, которые проверяемо сильны для объяснений, как вещи разворачиваются по направлению к будущему, – объявляют, что энтропия точно так же вероятно будет больше и в прошлом. Это должно означать, что частично растаявшие кубики льда, которые вы видите в 10:30 вечера, были на самом деле еще более растаявшими в более ранние времена; это должно означать, что в 10:00 вечера они не начали с твердых кубиков льда, а, напротив, медленно собрались из воды с комнатной температурой на пути к 10:30 вечера, и так же верно они медленно растают до воды комнатной температуры на их пути к 11:00 вечера.

Нет сомнений, это заявление таинственно – или вообще вы назовете его сумасшедшим. Чтобы оно было правильным, не только молекулы Н2О в стакане воды при комнатной температуре должны спонтанно собраться в частично сформированные кубики льда, но и цифровым сигналам в камере наблюдения, а также нейронам в вашем мозге и в мозге парня напротив, всем им надо будет спонтанно выстроиться к 10:30, чтобы подтвердить, что имелось собрание полностью сформированных кубиков льда, которые растаяли, даже если этого никогда не было. И еще, это причудливо звучащее заключение появилось там, где добросовестное применение энтропийных рассуждений – тех же рассуждений, которые вы принимали без колебаний для объяснения, почему частично растаявший лед, который вы видели в 10:30 вечера продолжит таять до 11:00 вечера, – проведено симметричным во времени образом, требуемым законами физики. Эта неприятность с имеющимися фундаментальными законами движения, которые не имеют встроенного различия между прошлым и будущим, с законами, чья математика трактует будущее и прошлое от любого данного момента в точности одним и тем же способом.

Остается надеяться, что мы скоро найдем выход из того странного положения, в которое нас завело равноправное использовение энтропийных рассуждений; я не пытаюсь убедить вас, что ваша память и записи содержат прошлое, которого никогда не было (оправдание для фанатов "Матрицы"). Но мы найдем его очень успешным для высокоточного разделения интуиции и математических законов. Итак, не отстаем от поезда.

Затруднительное положение

Ваша интуиция отказывает прошлому в высокой энтропии, поскольку, когда видно разворачивание событий в обычном прямом направлении во времени, может потребоваться спонтанное возрастание порядка: молекулы воды спонтанно замерзают до 0 градусов Цельсия и переходят в лед, рассудок спонтанно обзаводится воспоминаниями о вещах, которые не происходили, видеокамеры спонтанно производят образы вещей, которых никогда не было, и так далее, все это кажется экстраординарно маловероятным – предполагаемое объяснение прошлого, в котором даже Оливер Стоун* будет осмеян. На этом этапе физические законы и математика энтропии полностью согласуются с вашей интуицией. Такая последовательность событий, которая была бы видна в прямом направлении времени с 10:00 вечера до 10:30 вечера, шла бы против сути второго закона термодинамики, – что привело бы к уменьшению энтропии, – а это, хотя и не невозможно, но очень маловероятно.

(*)"Оливер Стоун (р. 1946) – известный американский режиссер, сценарист и продюсер. Использует средства жанрового голливудского кинематографа для выражения авторской, личностной оценки современной истории ("Взвод", "Уолл-Стрит", "Убить президента", "Прирожденные убийцы"). Один из немногих кинодеятелей современности, который свои политические взгляды ставит во главу творчества. Результат получается одновременно очень политичный, откровенный и всегда скандальный. – (прим. перев.)"

Напротив, ваша интуиция и ощущения говорят вам, что намного более вероятна такая последовательность событий, в которой кубики льда, которые были полностью сформированы в 10:00 вечера, частично растаяли в то, что вы видите в своем стакане прямо сейчас в 10:30 вечера. Но на этом этапе физические законы и математика энтропии только отчасти согласуются с вашими ожиданиями. Математика и интуиция сходятся в том, что если на самом деле в 10:00 вечера полностью сформировались кубики льда, тогда наиболее вероятная последовательность событий будет для них растаять до частей кубиков, которые вы видите в 10:30 вечера: результирующий рост энтропии лежит в русле как второго закона термодинамики, так и ощущений. Но где математика и интуиция расходятся, так это в том, что наша интуиция, в отличие от математики, не может дать или дает недостаточную оценку вероятности действительного полного формирования кубиков льда в 10:00 вечера, задаваемого одним наблюдением, которое мы принимаем как неоспоримое, как полностью надежное: что прямо сейчас в 10:30 вечера вы видите частично растаявшие кубики.

Это основной момент, так что позвольте мне объяснить. Главный урок второго закона термодинамики в том, что физические системы имеют подавляющую тенденцию находится в конфигурациях с высокой энтропией, поскольку имеется так много способов, которыми такие состояния могут реализоваться. И раз попав в такие высокоэнтропийные состояния, физические системы имеют подавляющую тенденцию оставаться в них. Высокая энтропия является естественным состоянием для пребывания в нем системы. Вы никогда не будете удивляться или чувствовать необходимость объяснения, почему любая физическая система находится в высокоэнтропийном состоянии. Такие состояния являются нормой. Наоборот, что нуждается в объяснении, так это почему любая данная физическая система находится в состоянии порядка, состоянии с низкой энтропией.

 Такие состояния ненормальны. Но они определенно могут случаться. Но с точки зрения энтропии такие упорядоченные состояния являются редкими отклонениями, которые взывают к объяснению. Так что один факт в нашем эпизоде, который мы принимаем как неоспоримо правильный, – ваше наблюдение в 10:30 вечера низкоэнтропийных частично сформированных кубиков льда, – фактически нуждается в объяснении.

С точки зрения вероятности абсурдно объяснять это низкоэнтропийное состояние призывая еще менее энтропийное состояние, еще менее вероятное состояние, при котором в 10:00 вечера все было еще более упорядочено, более полно сформированы кубики льда, что наблюдалось в более раннем, более упорядоченном окружении. Вместо этого подавляюще более вероятно, что вещи начинаются с обыкновенного, полностью нормального высокоэнтропийного состояния: стакан однородной жидкой воды абсолютно без какого бы то ни было льда. Тогда через маловероятную, но всегда-так-часто-ожидаемую статистическую флуктуацию стакан воды движется вопреки требованиям второго закона термодинамики и эволюционирует в состояние низкой энтропии, в котором появляются частично сформированные кубики льда. Эта эволюция, хотя и требует редких и необычных процессов, полностью избегает еще меньшей энтропии, еще менее вероятного, еще более редкого состояния, в котором кубики льда полностью сформированы. В любой момент между 10:00 вечера и 10:30 вечера эта странно выглядящая эволюция имеет более высокую энтропию, чем нормальный сценарий таяния льда, как вы можете видеть на Рис. 6.3, так что она реализует признанное наблюдение в 10:30 вечера способом, который более вероятен – намного более вероятен – чем сценарий, в котором тают полностью сформированные кубики льда. В этом заключается затруднение.*

(*)"Вспомним, что двенадцатью страницами ранее мы показали гигантское различие между числом упорядоченных и разупорядоченных конфигураций для всего лишь 693 двусторонних листков бумаги. Теперь мы обсуждаем поведение грубо около 10 24 молекул Н 2 О, так что различие между числом упорядоченных и разупорядоченных конфигураций будет настолько грандиозным, что захватывает дух. Более того, те же самые рассуждения остаются для всех других атомов и молекул внутри вас и внутри окружения (мозги, оханные камеры, молекулы воздуха и так далее). То есть в стандартном объяснении, в котором вы можете верить своей памяти, не только частично растаявшие кубики льда были в 10:00 вечера в более упорядоченном – менее вероятном – состоянии, но и все остальное: когда видеокамера записывает последовательность событий, это проявляется в общем росте энтропии (из-за нагревания и сопутствующих процессу записи помех); аналогично, когда мозг записывает память, хотя мы и слабо понимаем микроскопческие детали этого процесса, имеется итоговый рост энтропии (мозг может увеличивать порядок, но, как и с любыми производящими порядок процессами, если мы примем во внимание выделение тепла, будет итоговый рост энтропии). Так что если мы сравниваем полную энтропию бара между 10:00 вечера и 10:30 вечера в двух сценариях – один, в котором вы верите своей памяти, а другой, в котором вещи спонтанно упорядочиваются из начального неупорядоченного состояния, достигая соответствия с тем, что вы видите сейчас, в 10:30 вечера, – то получим чудовищную разницу энтропий. Последний сценарий на каждом его этапе имеет подавляющее большую энтропию, чем первый сценарий, так что с точки зрения вероятности последний сценарий в гигантской степени более вероятен."

Рис 6.3 Сравнение двух планов того, как кубики льда приходят к их частично растаявшему состоянию прямо сейчас в 10:30 вечера.

 План 1 (нижняя кривая) следует вашей памяти о тающем льде, но требует относительно низкой энтропии в начальной точке в 10:00 вечера. План 2 (верхняя кривая) бросает вызов вашей памяти, описывая частично растаявший лед, который вы видите в 10:30 вечера, как собравшийся из стакана воды, но стартует из состояния высокой энтропии, из высоко вероятной конфигурации разупорядочения в 10:00 вечера. Каждый этап пути по направлению к 10:30 вечера согласно плану 2 включает состояния, которые более вероятны, чем аналогичные состояния плана 1, – поскольку, как вы можете видеть на графике, они имеют более высокую энтропию, – так что план 2 статистически более предпочтителен. Для Больцмана оставался маленький шаг, чтобы осознать, что целая вселенная может быть подвергнута такому же анализу. Когда вы прямо сейчас обозреваете вселенную, то, что вы видите, отражает великое дело биологической организации, химической структуры и физического упорядочения. Хотя вселенная должна быть полностью неупорядоченной смесью, этого нет. Почему так? Откуда происходит порядок? Ну, точно как с кубиком льда, с точки зрения вероятности экстремально маловероятно, что вселенная, которую мы видим, эволюционирует из еще более упорядоченного – еще менее вероятного – состояния в далеком прошлом, которое медленно развернулось до его текущей формы. Скорее, поскольку космос имеет так много составляющих, масштабы упорядоченного против неупорядоченного интенсивно увеличиваются. Итак, что правильно в баре, с лихвой правильно и для целой вселенной: намного более вероятно – настолько более, что захватывает дух, – что целая вселенная, которую мы видим, появилась как статистически редкая флуктуация из нормальной, обыкновенной, высокоэнтропийной, полностью неупорядоченной конфигурации.

Подумаем об этом таким образом: если вы подбрасываете горсть монет еще и еще раз, рано или поздно они все лягут орлом. Если вы обладаете почти бесконечным терпением, необходимым для подбрасывания снова и снова перепутанных страниц Войны и мира в воздух, рано или поздно они лягут в точном числовом порядке. Если вы ждете с вашей открытой бутылкой колы, рано или поздно хаотические столкновения молекул углекислого газа заставят их залезть назад в бутылку. И, для удовольствия Больцмана, если вселенная ожидает достаточно долго – вообще, близко к бесконечности, – ее обычное, высокоэнтропийное, высоковероятное, полностью разупорядоченное состояние будет через ее собственные столкновения, соударения и хаотические течения частиц и радиации рано или поздно просто собираться в конфигурацию, которую мы наблюдаем прямо сейчас. Наши тела и мозги должны были появиться полностью сформированными из хаоса – с запасом памяти, знаний и умений – даже если прошлое, которое все это отражает, никогда в действительности не наступало. Все, что мы знаем, все, что мы ценим, будет итогом ничего более, как редкой, но всегда-так-часто-ожидаемой статистической флуктуации, на мгновение возмутившей почти бесконечный беспорядок. Это схематически показано на Рис. 6.4.

Рис 6.4 Схематический график полной энтропии вселенной от времени.

График показывает вселенную, проводящую большую часть своего времени в состоянии полного разупорядочения – состоянии высокой энтропии, – и еще так редко ощущаемые флуктуации до состояний с различной степенью порядка, различных состояний с низкой энтропией. Чем больше энтропийный провал, тем менее вероятна флуктуация. Существенные провалы в энтропии, вроде той упорядоченности, которую мы видим в сегодняшней вселенной, экстремально маловероятны и будут случаться крайне редко.

Делая шаг назад

Когда я впервые столкнулся с этой идеей много лет назад, это был небольшой шок. Вплоть до этого момента я думал, что я довольно хорошо понимаю концепцию энтропии, но дело в том, что, следуя подходам учебников, которые я изучал, я всегда рассматривал следствия энтропии только для будущего. А, как мы только что видели, в то время как энтропия, примененная в направлении будущего, подкрепляет нашу интуицию и ощущения, энтропия, примененная в направлении прошлого, совершенно точно противоречит им. Это не было уж настолько плохо, как если бы вы внезапно узнали, что вас предал старый друг, но для меня это было весьма похоже.

Тем не менее, иногда хорошо не проводить судебное разбирательство слишком быстро, и очевидная неспособность энтропии соответствовать ожиданиям представляет как раз тот самый случай. Как вы, вероятно, думаете, идея, что все, с чем мы хорошо знакомы, внезапно возникает в существовании, настолько же соблазнительна, насколько и тяжело принять ее на веру. И это не "только" потому, что это объяснение вселенной оспоривает достоверность всего, что мы считаем реальным и важным. Оно также оставляет без ответа критические вопросы. Например, чем более упорядоченной вселенная является сегодня – чем больше впадина на Рис. 6.4 – тем более удивительным и невероятным является статистическое отклонение, которое требуется, чтобы привести ее к существованию. Так что, если вселенная могла бы срезать углы, делая сразу так, чтобы вещи более или менее выглядели похожими на то, что мы видим прямо сейчас, одновременно экономя на реальном количестве порядка, то вероятностные рассуждения приводили бы нас к уверенности, что она так и делает. Но когда мы исследуем вселенную, то кажется, что имеется большое количество потерянных альтернатив, поскольку имеется много вещей, которые более упорядочены, чем они должны были бы быть. Если Майкл Джексон никогда не записал бы Триллер, а миллионы копий этого альбома, сейчас распространенного по всему миру, все были бы частью аномальной флуктуации в направлении более низкой энтропии, отклонение было бы намного менее экстремальным, если бы были сформированы только миллион, или полмиллиона или только несколько альбомов. Если эволюция никогда не происходила и мы, люди, возникли здесь через аномальный прыжок в направлении более низкой энтропии, отклонение было бы намного менее экстремальным, если бы не существовало такой последовательной и эволюционно упорядоченной серии исторических свидетельств. Если Большой взрыв никогда не происходил и более чем 100 миллиардов галактик, которых мы видим сегодня, возникли как аномальный прыжок в сторону более низкой энтропии, отклонение было бы менее экстремальным, если бы было 50 миллиардов, или 5 000, или только несколько или только одна галактика. Итак, если идея, что наша вселенная является статистической флуктуацией – счастливой случайностью, – имеет хотя бы некоторую обоснованность, необходимо обратиться к вопросу, как и почему вселенная зашла так далеко и достигла состояния такой низкой энтропии.

Даже еще более остро, если вы в самом деле не можете доверять памяти и записям, тогда вы также не можете доверять и законам физики. Их применимость основывается на многочисленных экспериментах, чьи положительные результаты проверяются только теми же самыми памятью и записями. Так что все рассуждения, основанные на симметрии принятых законов физики относительно обращения времени должны быть полностью поставлены под вопрос, при этом подрывая наше понимание энтропии и оснований настоящей дискуссии в целом. Принимая заключение, что вселенная, которую мы знаем, есть редкая, но всеми-так-часто-ожидаемая статистическая флуктуация из конфигурации полного беспорядка, мы быстро попадем в затруднительное положение, в котором мы теряем всякое понимание, включая эту самую цепочку рассуждений, которая, в первую очередь, и привела нас к рассмотрению такого эксцентричного объяснения.*

Итак, прекращая недоверие и усердно следуя законам физики и математики энтропии – концепциям, которые в совокупности говорят нам, что подавляюще более вероятно беспорядок будет возрастать как в будущее, так и в прошлое от любого заданного момента, – мы по шею погружаемся в зыбучий песок. И хотя это не может казаться приятным, по двум причинам это очень хорошая вещь. Во-первых, это показывает точно, почему недоверие к памяти и записям – нечто, над чем мы интуитивно насмехаемся, – не имеет смысла. Во-вторых, достигнув точки, где все наши аналитические построения оказались на грани коллапса, мы убедительно осознали, что мы должны были оставить нечто важное за пределами наших рассуждений.

Следовательно, чтобы избежать пучины объяснений, мы спросим себя: какие новые идеи или концепции помимо энтропии и симметрии законов природы относительно обращения времени нам нужны, чтобы вернуться к доверию к нашей памяти и нашим записям, – нашим ощущениям, что кубик льда при комнатной температуре тает, но не кристаллизуется, что сливки и кофе смешиваются, но не разделяются, что яйца разбиваются, но не восстанавливаются? Короче говоря, куда нас заведет, если мы пытаемся объяснить асимметричное разворачивание событий в пространстве-времени с энтропией, которая выше по направлению в наше будущее, но с энтропией, которая ниже по направлению в наше прошлое? Возможно ли это? Возможно. Но только если вещи имели весьма специфическое прошлое.

(*)"Тесно связанный с этим момент заключается в том, что если мы должны убедиться, что мир, который мы видим прямо сейчас, только что образовался из полного беспорядка, то точно такие же рассуждения, – привлекаемые когда-нибудь позже, – потребуют от нас отказаться от наших текущих убеждений и, напротив, объяснить упорядоченный мир еще более ранней флуктуацией. Так что, на этом пути размышлений каждый следующим момент сводит на нет убеждения, содержащиеся в каждом предыдущем моменте, – очевидно невнятный способ объяснения космоса."

Яйцо, курица и Большой взрыв

Чтобы увидеть, что это означает, выберем в качестве примера изначальное низкоэнтропйное полностью сформированное яйцо. Как такая низкоэнтропийная физическая система возникла? Ну, возвратив назад доверие к нашей памяти и записям, мы все знаем ответ. Что яйцо возникает из курицы. И что курица появляется из яйца, которое появляется из курицы, которая появляется из яйца, и так далее. Но, как наиболее явно было подчеркнуто английским математиком Роджером Пенроузом, эта история куриц и яиц на самом деле учит нас кое-чему глубокому и приводит к чему-то ясному.

Курица или, в этом смысле, любой живой организм есть физическая система с поразительно высокой упорядоченностью. Откуда возникла эта организация и как она поддерживается? Курица остается живой и, в особенности, остается живой достаточно долго, чтобы произвести яйца, питаясь и дыша. Пища и кислород обеспечивают ряд материалов, из которых живой организм извлекает требуемую ему энергию. Но имеется критическое свойство этой энергии, которое необходимо подчеркнуть, если вы в самом деле понимаете, что происходит. По ходу своей жизни курица, которая остается здоровой, принимает как раз примерно столько энергии в форме пищи, сколько она возвращает в окружающую среду, главным образом, в форме тепла и других отходов, генерируемых ее метаболическими процессами и ежедневной деятельностью. Если бы не было такого баланса между приходящей и уходящей энергией, курица становилась бы все более тяжелой.

Существенный момент, однако, в том, что все формы энергии не эквивалентны. Энергия, которую курица выдает наружу в окружающую среду в форме тепла в высшей степени неупорядочена – она чаще приводит к тому, что некоторые молекулы воздуха, тут и там толкущиеся вокруг, сталкиваются более интенсивно, чем в противном случае. Такая энергия содержит высокую энтропию – она распылена и перемешана с окружающей средой – и поэтому не может быть легко приспособлена для каких-либо полезных целей. Напротив, энергия, которую курица получает из ее пищи, имеет низкую энтропию и готова к использованию для важной деятельности по поддержанию жизни. Так курица, а фактически, всякая форма жизни является каналом для сбора низкоэнтропийной энергии и выдачи наружу высокоэнтропийной энергии.

Это осмысление сдвигает вопрос о том, откуда возникла низкая энтропия яйца, дальше на один шаг назад. Как получается, что источник энергии для курицы, пища, имеет столь низкую энтропию? Как мы объясним этот аномальный источник порядка? Если пища животного происхождения, мы приходим назад к исходному вопросу, как животные имеют такую низкую энтропию. Но если мы проследуем по пищевой цепочке, мы, в конечном счете, придем к животным (вроде меня), которые едят только растения. Как растения и производимые ими плоды и овощи поддерживают низкую энтропию? Через фотосинтез растения используют солнечный свет, чтобы разделить внешний углекислый газ на кислород, который возвращается назад в окружающую среду, и углерод, который растения используют для роста и цветения. Так мы можем проследить низкоэнтропийные источники энергии неживотного происхождения до Солнца.

Это передвигает вопрос объяснения низкой энтропии еще дальше на шаг назад: откуда взялось наше высокоупорядоченное Солнце? Солнце сформировалось около 5 миллиардов лет назад из первичного рассеянного облака газа, которое начало вращаться и сгущаться под воздействием взаимного гравитационного притяжения всех его составляющих частей. По мере того, как газовое облако становилось плотнее, гравитационное притяжение одной части к другой становилось сильнее, приводя облако в дальнейшем к схлопыванию в себя. И по мере того, как гравитация сильнее стискивала облако, оно разогревалось. В конечном счете, оно разогрелось достаточно, чтобы инициировались ядерные процессы, что сгенерировало достаточную уходящую вовне радиацию, чтобы помешать дальнейшему гравитационному сжатию газа. Родилась горячая, стабильная, ярко сияющая звезда.

Тогда откуда возникло рассеянное облако газа? Оно, вероятно, сформировалось из остатков старых звезд, которые достигли конца своей жизни, став сверхновыми, и исторгли свое содержимое в пространство. Откуда взялся рассеянный газ, отвечающий за появление этих ранних звезд? Мы верим, что газ сформировался как последствие Большого взрыва. Наши самые усовершенствованные теории возникновения вселенной – наши самые лучшие космологические теории – говорят нам, что в момент, когда вселенная была в возрасте пары минут, она была заполнена почти однородным горячим газом, состоящим грубо на 75 процентов из водорода, на 23 процента из гелия и из небольших количеств дейтерия и лития. Существенным моментом является то, что этот газ, заполняя вселенную, имел экстраординарно низкую энтропию. Большой взрыв дал старт вселенной в состоянии низкой энтропии, и это состояние явилось источником упорядоченности, которую мы видим в настоящее время. Иными словами, текущий порядок является космологическим реликтом. Теперь обсудим это важное объяснение немного более детально.

Энтропия и гравитация

Поскольку теория и наблюдения показывают, что в течение нескольких минут после Большого взрыва изначальный газ был однородно распределен по юной вселенной, вы можете подумать, обратившись к нашей ранней дискуссии о бутылке колы и ее молекулах углекислого газа, что изначальный газ был в высокоэнтропийном, неупорядоченном состоянии. Но это оказывается не верно. Наша ранняя дискуссия об энтропии, полностью игнорирующая гравитацию, делала здравую вещь, поскольку гравитация почти не играет роли в поведении минимальных количеств газа, выходящего из бутылки колы. И при этом предположении мы нашли, что однородно распределенный газ имеет высокую энтропию. Но когда имеет значение гравитация, история существенно отличается. Гравитация есть универсальная притягивающая сила; поэтому, если вы имеете достаточно большую массу газа, каждая область газа будет подталкиваться к каждой другой, и это заставит газ распасться на сгущения, что в некоторой степени подобно фрагментации воды на капельки на листе вощеной бумаги, вызванной поверхностным натяжением. Когда гравитация имеет значение, как это было в высокоплотной ранней вселенной, сваливание в кучу – а не однородность – является нормой; это и есть состояние, в направлении которого газ будет стремиться эволюционировать, как показано на Рис.6.5.

Даже если сгущения возникают более упорядоченными, чем исходный рассеянный газ – почти как игровая комната с игрушками, которые аккуратно разложены в сундуки и ящики, более упорядочена, чем комната, в которой игрушки однородно разбросаны по полу, – в расчете энтропии вам надо подсчитать вклады от всех источников. Для игровой комнаты уменьшение энтропии в процессе движения от дико разбросанных игрушек к игрушкам, которые все "упакованы" в сундуки и ящики, более чем компенсируется ростом энтропии от распадающегося жира и выделяемого тепла от родителей, которые потратили часы, чтобы все вычистить и привести в порядок. Аналогично, в первичном рассеянном газовом облаке вы найдете, что уменьшение энтропии при формировании упорядоченных сгущений более чем компенсируется за счет выделения тепла при сжатии газа и, в конце концов, за счет огромного количества тепла и света, высвобождающегося, когда начинают иметь место ядерные процессы.

Рис 6.5 Для гигантских объемов газа, когда гравитация имеет значение, атомы и молекулы эволюционируют из однородной равномерно распределенной конфигурации в конфигурацию, включающую все большие и все более плотные сгущения.

Это важный момент, который временами упускается из вида. Подавляющее стремление в направлении беспорядка не означает, что не могут формироваться организованные структуры вроде звезд и планет или организованные формы жизни вроде растений и животных. Могут. И, очевидно, формируются. Что определяет второй закон термодинамики, так это то, что при формировании порядка в целом происходит более чем компенсирующее генерирование беспорядка. Итог таблицы энтропийного баланса все еще находится в пассиве, даже если определенные составляющие становятся более упорядоченными. И из фундаментальных сил природы гравитация единственная, которая использует это свойство энтропии во всей полноте. Поскольку гравитация действует через громадные расстояния и является универсально притягивающей силой, она подстегивает формирование упорядоченных сгущений – звезд – которые испускают свет, который мы видим на чистом ночном небе, в полном согласии с итоговым балансом в пользу роста энтропии.

Чем более сжаты, плотны и массивны сгущения газа, тем больше общая энтропия. Черные дыры, наиболее экстремальная форма гравитационного сгущения и сжатия во вселенной, доводят это до предела. Гравитационное притяжение черной дыры настолько сильно, что ничто, даже свет, не может вырваться, что объясняет, почему черные дыры являются черными. Итак, в отличие от обычных звезд, черные дыры непреклонно удерживают всю энтропию, которую они произвели: ничто не может спастись от мощнейшего гравитационного захвата черной дыры. Фактически, как мы будем обсуждать в Главе 16, ничто во вселенной не содержит больше беспорядка – больше энтропии – чем черная дыра.* Этому можно придать хороший интуитивный смысл: высокая энтропия означает, что огромное количество перестановок составляющих объекта проходят незамеченными. Поскольку мы не можем видеть внутренность черной дыры, для нас невозможно отследить любую перегруппировку ее составляющих, – какими бы ни были эти составляющие, – и отсюда черная дыра имеет максимальную энтропию. Когда гравитация доводит свою силу до предела, она становится самым эффективным генератором энтропии в известной вселенной.

(*)"Это значит, что черная дыра заданного размера содержит больше энтропии, чем все что угодно другое того же размера."

Теперь мы подошли к месту, где рулетка окончательно остановилась. Исходным источником порядка, низкой энтропии должен быть сам Большой взрыв. В ее самые ранние моменты, вместо того, чтобы быть заполненной чудовищными контейнерами энтропии вроде черных дыр, как мы ожидали из вероятностного рассмотрения, по некоторым причинам рождающаяся вселенная была заполнена горячей, однородной, газовой смесью водорода и гелия. Хотя эта конфигурация имеет высокую энтропию, когда плотность настолько низка, что мы можем игнорировать гравитацию, ситуация иная, когда гравитация не может быть проигнорирована; тогда такой однородный газ имеет экстремально низкую энтропию. По сравнению с черными дырами, рассеянный почти однородный газ был в состоянии с экстраординарно низкой энтропией. С тех пор всегда, в соответствии со вторым законом термодинамики, общая энтропия вселенной постепенно становится выше и выше; общее итоговое количество беспорядка постепенно возрастает. После примерно миллиарда лет или около того гравитация заставила изначальный газ сгуститься, и сгущения в конце концов сформировали звезды, галактики и некоторые более легкие сгущения, которые стали планетами. По меньшей мере одна такая планета имеет рядом звезду, которая обеспечивает относительно низкоэнтропийный источник энергии, который позволяет низкоэнтропийным формам жизни развиваться, и среди таких форм жизни со временем возникла курица, которая отложила яйцо, которое нашло свой путь к вашему кухонному столу и, к вашему огорчению, это яйцо продолжило неотвратимую траекторию к состоянию с более высокой энтропией, скатившись со стола и разбившись об пол. Яйцо разбивается скорее, чем восстанавливается, поскольку это продолжение стремления вперед к более высокой энтропии, которое было инициировано состоянием с экстраординарно низкой энтропией, с которого началась вселенная. Потрясяющий порядок в начале – это то, с чего все стартовало, и мы с тех пор живем всегда через последовательное разворачивание в направлении более высокого беспорядка.

В этом ошеломляющая связь, которую мы выводили на протяжении целой главы. Разбивающееся яйцо говорит нам нечто глубокое о Большом взрыве. Оно говорит нам, что Большой взрыв дал начало экстраординарно упорядоченному нарождающемуся космосу.

Та же идея применима ко всем другим примерам. Причина, по которой подбрасываемые заново в воздух нескрепленные страницы Войны и мира приходят в состояние высшей энтропии, в том, что они исходно начинали в такой высоко упорядоченной низкоэнтропийной форме. Их начальная упорядоченная форма подготовила их к росту энтропии. И напротив, если страницы изначально были полностью вне числового порядка, подбрасывание их в воздух вряд ли внесет разницу, влияющую на энтропию. Так что еще раз возникает вопрос: как они становятся такими упорядоченными. Ну, Толстой написал их и представил в таком порядке, а печатник и переплетчик следовали его инструкциям. А высоко упорядоченные тело и ум Толстого и издателей книги, которые позволили им по очереди создать том такого высокого порядка, могут быть объяснены путем следования той же цепочке рассуждений, которую мы уже прошли для яйца, что еще раз приведет нас назад к Большому взрыву. Как насчет частично растаявших кубиков льда, которые вы видели в 10:30 вечера? Теперь, раз уж мы доверяем памяти и записям, вы вспомните, что еще перед 10:00 вечера бармен кинул сформированные кубики льда в ваш стакан. Он взял кубики льда из морозильника, который был разработан умелым инженером и изготовлен талантливым механиком, которые способны создавать нечто такого высокого порядка потому, что они сами являются высоко организованными формами жизни. И опять мы последовательно приводим их высокую организацию к высоко упорядоченному началу вселенной.

Необходимое добавление

Откровение, к которому мы пришли, заключается в том, что мы можем доверять нашей памяти о прошлом с более низкой, а не более высокой энтропией, только если Большой взрыв – процесс, событие или явление, которое привело вселенную к существованию, – дал старт вселенной в экстраординарно специфическом, высоко упорядоченном состоянии с низкой энтропией. Без этого важного добавления наши ранние рассуждения, что энтропия должна расти как в будущее, так и в прошлое от любого заданного момента, приводят нас к заключению, что весь порядок, который мы видим, возник из случайной флуктуации из обыкновенного неупорядоченного состояния высокой энтропии, к заключению, которое, как мы видели, подрывает сами рассуждения, на которых оно основано. Но включая в наш анализ маловероятную низкоэнтропийную начальную точку вселенной, мы теперь видим, что корректное заключение таково, что энтропия растет по направлению в будущее, поскольку вероятностные рассуждения полностью работают и не имеют противоречий в данном направлении; но энтропия не растет в прошлое, поскольку это использует возможность, входящую в конфликт с нашим новым условием, что вселенная начиналась в состоянии с низкой, а не высокой, энтропией. Так что условия рождения вселенной оказываются решающими для направления стрелы времени. Будущее в самом деле есть направление роста энтропии. Стрела времени – факт, что вещи начинаются подобно этому и заканчиваются подобно тому, но никогда не начинаются подобно тому и не заканчиваются подобно этому, – начинает свой полет в высоко упорядоченном, низкоэнтропийном состоянии вселенной при ее зарождении.

Остающаяся загадка

То, что ранняя вселенная задает направление стреле времени, является чудесным и вызывающим удовлетворение заключением, но мы не все сделали. Остается огромная загадка. Как так получилось, что вселенная началась в такой высокоупорядоченной конфигурации, организовав вещи так, чтобы на протяжении миллиардов лет следовать порядку, когда все может медленно эволюционировать через равномерно менее упорядоченные конфигурации по направлению ко все более и более высокой энтропии? Не надо упускать из вида, насколько это поразительно. Как мы отмечали, с точки зрения вероятности намного более естественным было бы то, что частично растаявшие кубики льда, которые вы видели в 10:30 вечера, стали такими в результате статистической флуктуации, возникшей в стакане жидкой воды, чем что они начались с еще менее вероятного состояния полностью сформированных кубиков льда. А что верно для кубиков льда, то в несметное количество раз более верно для целой вселенной. Говоря на языке вероятности, в захватывающей дух степени более вероятно, что все, что мы сейчас видим во вселенной возникло из редкого, но всеми-так-часто-ожидаемого статистического отклонения от полного беспорядка, а не медленно эволюционировало из еще более маловероятной, неправдоподобно более упорядоченной, поразительно низкоэнтропийной стартовой точки, которую требует Большой взрыв.

И еще, когда мы разбирались со случайностями и представляли, что все скачком стало существовать за счет статистической флуктуации, мы оказались в затруднительном положении: что, грубо говоря, тогда означают сами законы физики? Так мы склонились к сопротивлению случаю и пришли к низкоэнтропийному Большому взрыву как к объяснению стрелы времени. Теперь загадка в том, чтобы объяснить, как началась вселенная в такой маловероятной, высоко упорядоченной конфигурации. Это и есть вопрос, к которому привела стрела времени. Все это сводится к космологии.

Мы будем заниматься детальным обсуждением космологии в Главах с 8 по 11, но сначала отметим, что наше обсуждение времени страдает серьезным дефектом: все, что мы говорили, основывалось исключительно на классической физике. Теперь рассмотрим, как квантовая механика влияет на понимание времени и наши поиски его стрелы.

 

7 Время и кванты

ПРОНИКНОВЕНИЕ В ПРИРОДУ ВРЕМЕНИ ИЗ КВАНТОВОЙ ОБЛАСТИ

Когда мы думаем о чем-то, подобном времени, о чем-то, внутри чего мы находимся, о чем-то, что полностью включено в наше повседневное существование, о чем-то настолько всепроникающем, то невозможно отключиться – даже на мгновение – от общепринятого языка, наши рассуждения формируются под определяющим влиянием наших ощущений. Эти повседневные ощущения являются классическими; с высокой степенью точности они соответствуют законам физики, установленными Ньютоном более чем три столетия назад. Но из всех открытий в физике за последние сто лет квантовая механика идет дальше и глубже самых потрясающих, поскольку она подрывает всю концептуальную схему классической физики.

Так что стоит расширить наши классические ощущения путем рассмотрения некоторых экспериментов, которые обнаруживают удивительные особенности того, как квантовые процессы разворачиваются во времени. В этом широком смысле мы продолжим далее обсуждение предыдущей главы и поинтересуемся, есть ли стрела времени в квантовомеханическом описании природы. Мы получим ответ, но такой, который все еще дискуссионен даже среди физиков. И он еще раз приведет нас назад, к истокам вселенной.

Прошлое в соответствии с квантовым подходом

Вероятность играла центральную роль в последней главе, но я пару раз акцентировал внимание на том, что она возникает только вследствие ее практического удобства и полезности информации, которую она предоставляет. Отслеживание точного движения 1024 молекул Н2О в стакане воды находится далеко за пределами наших вычислительных возможностей, и, даже если бы это было возможно, что мы стали бы делать с итоговой горой данных? Определить из списка, содержащего 1024 положений и скоростей, были ли кубики льда в стакане, будет геркулесовой задачей. Так что вместо этого мы обращаемся к вероятностным рассуждениям, которые вычислительно доступны и, более того, имеют дело с макроскопическими свойствами – порядок против беспорядка; например, лед против воды, – которыми мы обычно и интересуемся. Но в памяти держим, что при этом не подразумевается, что вероятность фундаментально вшита в ткань классической физики. В принципе, если бы мы точно знали, как вещи ведут себя в настоящий момент, – знали бы положения и скорости каждой отдельной частицы, составляющей вселенную, – классическая физика говорит, что мы могли бы использовать эту информацию для предсказания, как вещи будут себя вести в любой заданный момент в будущем или как они себя вели в любой заданный момент в прошлом. Будете вы на самом деле следовать за их развитием момент за моментом или нет, в соответствии с классической физикой вы можете говорить о прошлом и будущем, в принципе, с уверенностью, которая определяется деталями и точностью ваших наблюдений настоящего момента.

Вероятность в настоящей главе также будет играть центральную роль. Но, поскольку вероятность является неизбежным элементом квантовой механики, это фундаментально изменяет наше представление о прошлом и будущем. Мы уже видели, что квантовая неопределенность не допускает одновременного знания точных положений и точных скоростей. Соответственно, мы также видели, что квантовая физика предсказывает только вероятности, что то или иное будущее будет реализовано. Мы уверены в этих вероятностях, нет сомнений, но, поскольку это все же вероятности, мы понимаем, что имеется неизбежный элемент случая, когда приходится предсказывать будущее.

Когда приходится описывать прошлое, также имеется критическое отличие между классической и квантовой физиками. В классической физике в связи с ее равноправным рассмотрением всех моментов времени события, приводящие к чему-нибудь, что мы наблюдаем, описываются с использованием в точности того же языка, с применением в точности тех же характерных свойств, которые мы используем для описания самого наблюдения. Если мы видим огненный метеор в ночном небе, мы говорим о его положении и его скорости; если мы реконструируем, как он там возник, мы также говорим об однозначной последовательности положений и скоростей, когда метеор несся через пространство к Земле. Хотя в квантовой физике, раз уж мы нечто наблюдаем, мы вводим особую область, в которой мы знаем что-нибудь со 100 процентной определенностью (игнорируя проблемы, связанные с точностью нашего оборудования, и подобные им). Но прошлое – под которым мы специально понимаем "ненаблюдаемое" прошлое, время перед тем, как мы, или кто-нибудь, или что-нибудь проводит данное наблюдение, – остается в обычной области квантовой неопределенности, в области вероятностей. Даже если мы измеряем положение электрона прямо здесь прямо сейчас, то моментом раньше все, что он имел, это вероятности быть здесь, или там или вообще вон там.

И, как мы видели, это не значит, что электрон (или, в том же смысле, любая частица) на самом деле находился только в одном из этих возможных положений, но мы просто не знаем, в каком. Скорее, есть основания полагать, что электрон был во всех положениях, поскольку каждая из вероятностей – каждая из возможных историй – вносит вклад в то, что мы в настоящий момент наблюдаем. Вспомним, мы, очевидно, видели это в эксперименте, описанном в Главе 4, в котором электроны принуждались пролетать через две щели. Классическая физика, которая полагается на всеми поддерживаемое убеждение, что события имеют однозначные обычные истории, будет утверждать, что каждый электрон, попавший на экран детектора, прошел либо через левую щель, либо через правую щель. Но этот вид прошлого собьет нас с пути: он предсказывает результаты, показанные на Рис. 4.3а, которые не согласуются с тем, что происходит на самом деле, как показано на Рис. 4.3b. Наблюдаемый интерференционный узор может быть объяснен только путем включения перекрывания между чем-то, что проходит через обе щели.

Квантовая физика обеспечивает именно такое объяснение, но при этом радикально меняет наши взгляды на прошлое – наши описания того, как отдельная вещь, которую мы наблюдаем, стала такой. В соответствии с квантовой механикой вероятностная волна каждого электрона проходит через обе щели, и, поскольку части волны, выходящие из каждой щели, смешиваются, итоговое распределение вероятности проявляется в интерференционной картине, и следовательно, положения падения электрона на экран распределяются так же.

По сравнению с повседневным опытом, это описание прошлого электрона в терминах пересекающихся волн вероятности совершенно необычно. Но, отбросив на ветер осторожность, вы можете предложить рассмотреть это квантовомеханическое описание на один шаг дальше, что приводит к еще более причудливо звучащей возможности. Возможно, что каждый индивидуальный электрон сам в действительности путешествует через обе щели на своем пути к экрану, и итоговые данные возникают из интерференции между этими двумя классами историй. Есть соблазн думать о волнах, выходящих из двух щелей, как о представляющих две возможные истории для индивидуального электрона, – проходящего через левую щель или проходящего через правую щель, – и, поскольку обе волны вносят вклад в то, что мы наблюдаем на экране, квантовая механика, возможно, говорит нам, что обе потенциальные истории электрона также вносят вклад.

Удивительно, эта странная и чудесная идея – дитя разума нобелевского лауреата Ричарда Фейнмана, одного из самых оригинальных физиков двадцатого века, – обеспечивает совершенно жизнеспособный путь рассуждений о квантовой механике. Согласно Фейнману, если имеются альтернативные пути, по которым может быть достигнут заданный результат, – например, электрон попадает в точку на экране детектора, пролетев через левую щель, или попадает в ту же точку, но пролетев через правую щель, – тогда, в некотором смысле, все альтернативные истории происходят и происходят одновременно. Фейнман показал, что каждая такая история будет давать вклад в вероятность того, что их общий результат будет реализован, и, если эти вклады аккуратно сложить друг с другом, результат будет совпадать с полной вероятностью, предсказываемой квантовой механикой.

Фейнман назвал этот подход к квантовой механике суммированием по историям (или суммированием по путям); он показал, что вероятностная волна объединяет все возможные варианты прошлого, которые могли предшествовать данному наблюдению, и хорошо проиллюстрировал, что, чтобы преуспеть там, где классическая физика пасует, квантовая механика рассматривает значительно более широкие рамки истории.

В страну Оз

Имеется вариация эксперимента с двумя щелями, в которой интерференция между альтернативными историями делается еще более явной, поскольку два пути к экрану детектора разделены более сильно. Немного проще описать эксперимент, используя фотоны вместо электронов, так что мы начинаем с фотонного источника – лазера – и стреляем им в направлении так называемого лучевого разветвителя. Этот прибор сделан из наполовину посеребренного зеркала, похожего на те, что используются для наблюдения (подглядывания), которое отражает половину падающего на него света, позволяя другой половине проходить насквозь. Начальный одиночный луч света, таким образом, разветвляется на два, левый луч и правый луч, аналогично тому, что происходит с лучом света, который сталкивается с двумя щелями в двухщелевом опыте. Используя подходящим образом расположенные полностью отражающие зеркала, как показано на Рис. 7.1, два луча возвращаются назад друг к другу и далее вниз к местоположению детектора. Рассматривая свет как волну, как в описании Максвелла, мы ожидаем – и, несомненно, находим – интерференционную картину на экране. Длина перемещения для всех путей, за исключением центральной точки на экране, немного отличается для левого и правого пути, так что пока левый луч может достичь гребня в заданной точке экрана детектора, правый луч может достичь гребня, впадины или некоторого промежуточного состояния. Детектор записывает объединенную интенсивность двух волн, и отсюда мы получаем характерную интерференционную картину.

(а) (b)

Рис 7.1 (а) В эксперименте с лучевым разветвителем лазерный свет разделяется на два луча, которые путешествуют двумя отдельными путями к экрану детектора; (b) Интенсивность излучения лазера может быть снижена, так что он выстреливает индивидуальные фотоны; фотоны воздействуют на местоположения на экране, со временем выстраивая интерференционную картину.

Отличие классики и квантов становится очевидным, если мы радикально понизим интенсивность лазера, так что он будет испускать отдельные фотоны, скажем, один фотон в несколько секунд. Когда отдельный фотон попадает в лучевой разветвитель, классическая интуиция говорит, что он либо пройдет насквозь, либо будет отражен. Классические рассуждения не позволяют даже намека на любой вид интерференции, поскольку тут нечему интерферировать: все, что мы имеем, это отдельные, индивидуальные, особые фотоны, проходящие от источника к детектору, один за одним, некоторые по левому пути, некоторые по правому. Но когда проводится экспримент, индивидуальные фотоны со временем рисуют почти как на Рис. 4.4, давая интерференционную картину, как на Рис. 7.1b. В соответствии с квантовой физикой причина в том, что каждый зарегистрированный детектором фотон может дойти до детектора или двигаясь по левому пути, или двигаясь по правому пути. Так что мы обязаны объединить эти две возможные истории при определении вероятности, что фотон попадет на экран в той или в другой выделенной точке. Когда левая и правая вероятностные волны для каждого индивидуального фотона сливаются таким образом, они дают волнистую вероятностную картину волновой интерференции. Так что, в отличие от Дороти (Элли), которая была сбита с толку, когда Пугало (Страшила) указал сразу налево и направо, показывая ей направление в страну Оз, данные могут быть объяснены полностью через представление, что каждый фотон двигается в направлении детектора сразу и левым и правым путями.

Предварительный выбор

Хотя мы описали смешивание возможных историй в ситуации только пары отдельных примеров, этот способ мышления о квантовой механике является общим. В то время как классическая физика описывает настоящее как имеющее единственное прошлое, вероятностные волны квантовой механики увеличивают арену истории: в формулировке Фейнмана наблюдаемое настоящее представляет смесь – особый вид усреднения – всех возможных прошлых, совместимых с тем, что мы сейчас наблюдаем.

В случае экспериментов с двумя щелями и с лучевым разветвителем для электрона или фотона имеются два пути, чтобы дойти от источника до экрана детектора, – идти налево или идти направо, – и только при комбинировании возможных историй мы приходим к объяснению того, что мы наблюдаем. Если барьер имеет три щели, мы должны принять во внимание три вида историй; с 300 щелями нам необходимо включить вклады целого множества результирующих возможных историй. Если мы представим, доведя это до предела, что прорезано гигантское количество щелей, – так много, что, фактически, барьер эффективно исчезает, – квантовая физика говорит, что каждый электрон тогда будет двигаться по любой возможной траектории на своем пути до выделенной точки на экране, и только объединяя вероятности, связанные с каждой такой историей, мы можем объяснить итоговые данные. Это может звучать странно. (Это и есть странно). Но такое причудливое рассмотрение прошедших времен объясняет данные на Рис. 4.4, на Рис. 7.1b и любой другой эксперимент, проводимый с микромиром.

Вы можете поинтересоваться, насколько буквально вы должны принимать описание через сумму по историям. Электрон, который попадает на экран детектора, действительно делает это путем прохождения вдоль всех возможных путей, или рецепт Фейнмана есть просто хитрая математическая выдумка, которая дает правильный ответ? Этот вопрос относится к ключевым вопросам для оценки правильной природы квантовой реальности, так что я хотел бы дать вам определенный ответ. Но я не могу. Физики часто находят эту картину предельно полезной для представления огромного скопления объединяемых историй; я использую эту картину в моих собственных исследованиях настолько часто, что она определенно ощущается реальной. Но это не то же самое, что сказать, что она реальна. Суть в том, что квантовые вычисления недвусмысленно называют нам вероятность, что электрон упадет в ту или иную точку экрана, и эти предсказания согласуются с данными опыта, пятнами на экране. Раз уж проверка теории и ee предсказательная полезность взаимосвязаны, история, о которой мы говорим, как именно электрон достигает данной точки на экране, мало уместна.

Но конечно, вы продолжаете настаивать, мы можем решить проблему, что же на самом деле происходит, путем изменения экспериментальных условий так, что мы можем теперь наблюдать также и предполагаемую размытую смесь возможных прошлых, вливающихся в наблюдаемое настоящее. Это хорошее предложение, но уже известно, что тут имеется препятствие. В Главе 4 мы изучили, что вероятностные волны непосредственно не наблюдаемы; а поскольку объединяющиеся истории Фейнмана есть ничто иное, как особый способ размышлений о вероятностных волнах, они тоже должны ускользать от прямых наблюдений. И они ускользают. Наблюдения не могут зацепить отдельные индивидуальные истории; скорее наблюдения отражают средние по всем возможным историям. Так что, если вы измените условия опыта, чтобы наблюдать электроны в полете, вы увидите, что каждый электрон проходит через ваш дополнительный детектор в том или ином месте; вы никогда не увидите размытые множественные истории. Когда вы используете квантовую механику, чтобы объяснить, почему вы видели электрон в том или ином месте, ответ будет включать усреднение по всем возможным историям, которые могут привести к этому промежуточному наблюдению. Но само наблюдение имеет доступ долько к историям, которые уже соединены. Наблюдая за электроном в полете, вы просто сдвигаете назад обозначение того, что вы считаете историей. Квантовая механика жестко рациональна: она объясняет, что вы видите, но не позволяет вам видеть объяснение.

Вы можете далее спросить: почему тогда классическая физика, – физика здравого смысла, – которая описывает движение в терминах единственных историй и траекторий, в целом применима ко вселенной? Почему она так хорошо работает в объяснениях и предсказаниях движения чего угодно, от бейсбольного мяча до планет и комет? Как тогда приходит неочевидность в каждодневной жизни странного пути, по которому прошлое, по-видимому, разворачивается в настоящее? Причина, коротко обсужденная в Главе 4 и которую мы вскоре подробно изучим с высокой точностью, в том, что бейсбольные мячи, планеты и кометы относительно велики, как минимум, по сравнению с частицами вроде электрона. А в квантовой механике чем больше что-то есть, тем более несимметричным становится усреднение: все возможные траектории дают вклад в движение бейсбольного мяча в полете, но обычный путь – один единственный путь, предсказываемый законами Ньютона, – дает вклад намного больше, чем все остальные пути вместе. Для больших объектов оказывается, что классические пути дают в гигантской степени доминирующий вклад в усредненный процесс, так что они и являются единственными, к которым мы привыкли. Но когда объекты малы, вроде электронов, кварков и фотонов, многие различные истории дают вклад ориентировочно одного порядка, и отсюда все они играют важную роль в усредненном процессе.

Наконец, вы можете спросить: Что такого особенного в акте наблюдения или измерения, что он может вынудить все возможные истории проявиться, соединиться вместе и дать отдельный результат? Как наш акт наблюдения как-то говорит частице, что пора подвести итог историям, усреднить их и зафиксировать определенный результат? Почему мы, люди, и сделанное нами обрудование имеем такую особую силу? Особая ли она? Или возможно, что акт человеческого наблюдения приспосабливается к более широким рамкам влияния внешней среды, что показывает, выражаясь квантовомеханическим языком, что мы в конце концов не такие уж особые? Мы будем обсуждать эти приводящие в тупик и спорные проблемы во второй половине этой главы, поскольку они не только являются стержнем для понимания природы квантовой реальности, но они обеспечивают важный каркас для размышлений о квантовой механике и стреле времени.

Вычисление квантовомеханических средних требует существенной технической подготовки. И полное понимание того, как, когда и где средние реализуются, требует концепций, над формулировками которых физики все еще тяжело работают. Но один ключевой урок может быть просто установлен: квантовая механика представляет собой первичную арену предварительного выбора: каждый возможный "выбор" чего-либо, который может быть сделан при прохождении объекта из этого места в то, включается в квантовомеханическую вероятность, связанную с тем или иным возможным итоговым результатом.

Классическая и квантовая физики трактуют прошлое весьма различным образом.

Отсеченная история

Это полностью противоречит нашему классическому воспитанию, представить один неделимый объект – один электрон или один фотон, – одновременно двигающийся вдоль более чем одного пути. Даже те из нас, кто имеет величайший самоконтроль, должны были долгое время сопротивляться соблазну бросить украдкой такой взгляд: когда электрон или фотон проходят через экран с двойной щелью или лучевой разветвитель, почему не бросить быстрый взгляд, чтобы увидеть, по какой траектории он на самом деле следует на своем пути к детектору? Почему не установить маленькие детекторы перед каждой щелью в эксперименте с двумя щелями, чтобы сказать вам, пролетает электрон через одно отверстие, через другое или через оба (в то же время оставляя электрону возможность проследовать в направлении главного детектора)? В эксперименте с лучевым разветвителем почему не поставить на каждом пути, ведущем от разветвителя, маленький детектор, который скажет, если фотон выбрал левый путь, правый путь или оба пути (опять таки, одновременно позволяя фотону сохранить движение к детектору)?

Ответ такой, что вы можете ввести эти дополнительные детекторы, но если вы это сделаете, вы найдете две вещи. Первое, каждый электрон и каждый фотон всегда будут найдены проходящими через один и только один из детекторов; так что вы можете определить, по какому пути каждый электрон или фотон следует, и вы найдете, что он всегда двигается по одному или другому пути и никогда по обоим. Второе, вы также найдете, что итоговые результаты, записанные главным детектором, изменились. Вместо того, чтобы получить интерференционную картину, как на Рис. 4.3b и 7.1b, вы получите результаты, ожидавшиеся из классической физики, как на Рис. 4.3а.

Путем введения новых элементов – новых детекторов – вы непредумышленно изменили эксперименты. И изменения таковы, что парадокс, который вы только что обнаружили, – что вы теперь знаете, какой путь выбрала каждая частица, так как тут может быть какая-либо интерференция с другим путем, который частица демонстративно не выбрала? – предотвращен. Причина следует немедленно из результатов последней секции. Ваше новое наблюдение выделило те истории, которые могли предшествовать всему, что бы ваше новое наблюдение ни обнаружило. И поскольку это наблюдение определило, какой путь выбрал фотон, мы рассматриваем только те истории, которые выходят на этот путь, что приводит к уничтожению возможности интерференции.

Нильс Бор предпочел обобщить такие вещи, используя свой принцип дополнительности. Каждый электрон, каждый фотон, все, что угодно, фактически, имеет как частицеподобные, так и волноподобные стороны. Это дополняющие друг друга свойства. Размышление только в рамках обычной частицы, – в которых частица движется вдоль одной единственной траектории, – неполно, поскольку оно отбрасывает волноподобные свойства, демонстрирующиеся интерференционными картинами.* Размышление только в волновых рамках неполно, поскольку оно отбрасывает частицеподобные стороны, демонстрирующиеся измерениями, в которых обнаруживаются локализованные частицы, что может быть, например, записано в виде отдельной точки на экране. (См. Рис. 4.4). Полная картина требует, чтобы обе взаимодополняющие стороны были приняты во внимание. В любой данной ситуации вы можете вынудить одно свойство быть более заметным в силу вашего выбора взаимодействия. Если вы позволяете электронам проходить от источника к экрану ненаблюдаемыми, могут проявится их волноподобные качества, давая интерференцию. Но если вы наблюдаете электрон по дороге, вы знаете, какой путь он выбрал, тогда вы будете не в состоянии объяснить интерференцию. Реальность приходит на помощь. Ваше наблюдение удаляет ветви квантовой истории. Оно заставляет электрон вести себя подобно частице; поскольку частицы двигаются тем или иным путем, не формируется интерференционная картина, так что нечего и объяснять.

(*)"Даже если может показаться, что подход сумм по историям Фейнмана делает акцент на частицеподобной стороне, это просто специальная интерпретация вероятностной волны (поскольку она включает много историй отдельных частиц, каждая делает свой собственный вероятностный вклад), так что она подключает волноподобную сторону как дополняющую. Когда мы говорим о чем-то, ведущем себя как частица, мы всегда имеем в виду обычную частицу, которая движется вдоль одной и только одной траектории."

Природа таинственная вещь. Она живет на краю. Но она старательно лавирует и уклоняется от фатальных ударов логических парадоксов. 

Случайность истории

Эти эксперименты поразительны. Они обеспечивают простое, но мощное доказательство того, что наш мир управляется квантовыми законами, найденными физиками в двадцатом веке, а не классическими законами, найденными Ньютоном, Максвеллом и Эйнштейном, – законами, которые мы сегодня определяем как эффективные и успешные приближения для описания событий на достаточно больших масштабах. Мы уже видели, что квантовые законы бросают вызов обычным представлениям о том, что происходило в прошлом, – о ненаблюдаемых событиях, которые соответствуют тому, что мы видим в настоящее время. Некоторые простые вариации упомянутых экспериментов выводят этот вызов нашему интуитивному представлению о том, как вещи разворачиваются во времени, на еще больший, еще более удивительный уровень. Первая вариация называется экспериментом с отложенным выбором и была предложена в 1980 выдающимся физиком Джоном Уилером. Эксперимент неожиданно сталкивается со зловеще странно звучащим вопросом: Зависит ли прошлое от будущего? Отметим, что это не то же самое, как спросить, не можем ли мы вернуться назад и изменить прошлое (что мы обсудим в Главе 15). Напротив. Эксперимент Уилера, который был проведен и проанализирован в большом количестве деталей, вскрывает провокационную игру, взаимосвязь между событиями, которые мы представляем имевшими место в прошлом, даже в удаленном прошлом, и событиями, которые мы рассматриваем как происходящие прямо сейчас.

Чтобы почувствовать физику, представьте, что вы коллекционер произведений искусства и мистер Смитерс, руководитель нового Общества искусств и распространения красоты Спрингфилда, пришел взглянуть на различные произведения, которые вы выставили на продажу. Вы знаете, однако, что на самом деле его интерес заключается в Дородном Монти, картине в вашей коллекции, которую вы никогда не чувствовали вполне стоящей, но которая является одной из картин, что были завещаны вам вашим любимым дядюшкой Монти Бернсом, так что решение продать ее требует, в некоторой степени, эмоциональных усилий. После прихода мистера Смитерса, вы разговариваете о вашей коллекции, прошедших аукционах, текущем шоу в Метрополитен; на удивление, вы узнаете, что годы тому назад Смитерс был главным помощником вашего дядюшки. К концу разговора вы решаете, что вы хотите расстаться с Дородным Монти: имеется так много произведений, которые вы хотели бы иметь, и вы должны применить некоторое самоограничение, иначе ваша коллекция станет бесформенной. В мире коллекционирования произведений искусства вы всегда считали, что временами лучшее враг хорошего.

Когда вы размышляете об этом решении рестроспективно, кажется, что вы на самом деле уже решились на продажу до прихода мистера Смитерса. Хотя вы всегда имели определенную привязанность к Дородному Монти, вы долго осторожничали в собирании разрастающейся коллекции, а эротически-ядерный реализм позднего двадцатого века является устрашающей областью для любого даже самого закаленного коллекционера. Даже если вы помните, что перед приходом вашего посетителя вы думали, что вы не знаете, что делать, с вашей текущей точки зрения это кажется, как если бы вы на самом деле знали. Это не совсем то, что будущие события повлияли на прошлое, но ваша совместная встреча с мистером Смитерсом и ваше последующее выражение вашего желания продать картину иллюстрируют, освещают прошлое таким образом, который вызывает отдельные определенные мысли, кажущиеся со временем бесспорными. Это как если бы встреча и ваше выражение желания помогли вам согласиться с решением, которое уже было принято и только ожидало выведения на свет божий. Будущее помогло вам рассказать более полную историю о том, что произошло в прошлом.

Конечно, в этом примере будущие события влияют только на ваше восприятие или интерпретацию прошлого, так что события не являются ни головоломными, ни удивительными. Но эксперимент с отложенным выбором Уилера перемещает эту психологическую игру между будущим и прошлым в квантовую реальность, где указанная игра становится как определенной, так и поразительной. Мы начнем с эксперимента на Рис. 7.1а, модифицированного путем настройки лазера так, что он испускает отдельный фотон за один раз, как на Рис. 7.1b, а также путем присоединения нового детектора фотонов сразу за лучевым разветвителем. Если новый детектор выключен (см. Рис. 7.2b), мы возвращаемся к исходным настройкам эксперимента и фотоны создают интерференционную картину на фотографическом экране. Но если новый детектор включен (Рис. 7.2а), он указывает нам, каким путем движется каждый фотон: если он обнаруживает фотон, значит фотон выбрал этот путь, если он не обнаруживает фотон, значит фотон выбрал другой путь. Такая информация о "выборе пути", как уже говорилось, вынуждает фотон вести себя как частица, так что волноподобная интерференционная картина больше не создается.

(а) (b)

Рис 7.2 (а) Включая детектор "выбора пути", мы портим интерференционную картину; (b) Когда новый детектор выключен, мы возвращаемся к ситуации Рис. 7.1 и интерференционная картина снова выстраивается.

Теперь, следуя Уилеру, изменим ситуацию, переместив новый детектор фотонов далеко от разветвителя вдоль одного из двух путей. В принципе, путь может быть настолько длинным, насколько вы хотите, так что новый детектор может быть существенно удален от лучевого разветвителя. Еще раз, если этот новый детектор фотонов выключен, мы находимся в обычной ситуации и фотоны заполняют интерференционную картину на экране. Если он включен, он обеспечивает информацию "выбора пути" и поэтому предотвращает существование интерференционной картины.

Новые странности возникают из того факта, что измерение "выбора пути" может быть произведено намного позже того, как фотон "решил" в лучевом разветвителе, будет ли он вести себя как волна и двигаться по обоим путям или он будет вести себя как частица и двигаться только по одному пути. Когда фотон проходит через лучевой разветвитель, он не может "знать", включен новый детектор или нет – в действительности эксперимент может быть так построен, что выключатель детектора может быть установлен в то или иное положение после того, как фотон прошел через разветвитель. Чтобы быть готовой к возможности, что детектор выключен, квантовая волна фотона, скорее всего, разделилась и движется по обоим путям, так что амальгама на втором рисунке может воспроизвести наблюдаемую интерференционную картину. Но если новый детектор был включен – или если он включается после того, как фотон полностью покинул разветвитель, – то кажется, что имеет место кризис идентичности фотона: пройдя через разветвитель, он уже зафиксировал свою волновую природу, двигаясь по обоим путям, но теперь, временами после осуществления этого выбора, он "осознает", что ему надо лицом к лицу подойти к необходимости стать частицей, которая путешествует по одному и только по одному пути.

Однако, каким-то образом фотон всегда делает это правильно. Когда бы детектор ни был включен – еще раз, даже если решение включить его отложено надолго после того, как данный фотон прошел через лучевой разветвитель, – фотон ведет себя полностью как частица. Он находится на одном и только на одном маршруте к экрану (если вы вставили детекторы фотонов на оба маршрута, каждый эмитированный лазером фотон будет обнаружен одним и только одним детектором, но никогда обоими); итоговые данные не показывают интерференционной картины. Когда бы детектор ни был выключен – еще раз, даже если это решение сделано после того, как каждый фотон прошел через разветвитель, – фотоны ведут себя полностью как волны, создавая замечательную интерференционную картину, показывая, что они путешествовали по обоим путям. Это похоже на то, как если бы фотоны приспосабливали свое поведение в прошлом в соответствии с будущим выбором того, включен ли новый детектор; это похоже на то, как если бы фотоны имели "предчувствие" экспериментальной ситуации, с которой они столкнутся дальше по пути, и вели себя соответственно. Это похоже на то, как если бы существующая и определенная история становилась бы явной и полностью установленной только после будущего, к которому она ведет.

Это подобно вашим ощущениям от решения о продаже Дородного Монти. Перед встречей с мистером Смитерсом вы были в двусмысленном, нерешительном, размытом, смешанном состоянии, желая и продавать и не продавать картину. Но совместные разговоры о мире искусства и получение информации о влиянии Смитерса на вашего дядюшку сделали для вас более комфортной идею о продаже. Разговор привел к твердому решению, которое рестроспективно позволило истории решения выкристаллизоваться из первоначальной неопределенности. Ретроспективно чувствуется, как если бы решение на самом деле было принято всегда. Но если бы вы не пообщались так хорошо с мистером Смитерсом, если бы он не придал вам уверенности, что Дородный Монти будет в надежных руках, вы могли бы очень даже принять решение не продавать. А история прошлого, которую вы могли бы рассказать в этой ситуации, несомненно, могла бы содержать признание, что вы на самом деле очень давно решили не продавать картину, будучи глубоко уверенным, что вы всегда знали, что сентиментальные связи просто слишком сильны, чтобы пойти на это. Реальное прошлое, конечно, не изменилось ни на йоту. Однако отличающиеся ощущения теперь приводят вас к описанию отличающейся истории.

В области психологии переписывание или переинтерпретация прошлого является общим местом; наша история прошлого часто лишь информирует о наших переживаниях в настоящем. Но в области физики – на той арене, которую мы обычно рассматриваем как объективную и высеченную в камне, – будущая случайность истории несколько переворачивает мозги. Чтобы проделать переворачивание еще более тщательно, Уилер представил космическую версию эксперимента с отложенным выбором, в которой источником света является не лабораторный лазер, а мощный квазар в глубине пространства. Лучевой разветвитель представляет собой не лабораторный прибор, а находящуюся на пути света галактику, чье гравитационное притяжение может действовать подобно линзе, которая фокусирует проходящие фотоны и направляет их к Земле, как на Рис. 7.3. Хотя никто на данный момент не проделал указанный эксперимент, в принципе, если собрать достаточно фотонов от квазара, они должны заполнить интерференционную картину на долго экспонирующейся фотографической пластине, точно так же, как и в эксперименте с лабораторным лучевым разветвителем. Но если мы введем другой детектор фотонов прямо рядом с окончанием одного или другого маршрута, он обеспечит информацию "выбора пути" для фотонов, таким образом разрушая интерференционную картину.

Что поражает в этой версии, так это то, что с нашей точки зрения фотоны могли путешествовать многие миллиарды лет. Их решение двигаться одним путем вокруг галактики, как частица, или обоими путями, как волна, кажется, было принято задолго до того, как возник детектор, любой из нас или даже сама Земля. Однако, миллиарды лет спустя детектор был построен, установлен на одном из путей фотонов, достигающих Земли, и включен. И это недавнее действие каким-то образом обеспечивает, что рассматриваемые фотоны ведут себя как частицы. Это действует так, как если бы они путешествовали вдоль в точности одного или другого пути в их долгом рейсе к Земле. Но если, спустя несколько минут, мы выключим детектор, фотоны, которые впоследствии достигают фотографической пластинки, начинают выстраивать интерференционную картину, свидетельствуя о том, что миллиарды лет назад они путешествовали следом за своими призрачными партнерами, выбирая одновременно противоположные пути вокруг галактики.

Рис 7.3 Свет от удаленного квазара, рассеянный и сфокусированный промежуточной галактикой, в принципе, будет давать интерференционную картину. Если добавочный детектор, который позволяет для каждого фотона провести определение его пути, включен, достигающие Земли фотоны не будут больше заполнять интерференционную картину.

Так что же, наше включение или выключение детектора в двадцать первом столетии влияет на движение фотонов несколько миллиардов лет назад? Определенно нет. Квантовая механика не отрицает, что прошлое произошло и произошло окончательно. Недоразумение возникает просто потому, что концепция прошлого в соответствии с квантовой механикой отличается от концепции прошлого в соответствии с классической интуицией. Наше классическое воспитание долго заставляло нас говорить, что данный фотон это вот этот или вон тот. Но в квантовом мире, в нашем мире, это утверждение, примененное к реальным фотонам, оказывается слишком ограниченным. Как мы видели, в квантовой механике нормой является неопределенная, размытая, смешанная реальность, состоящая из многих нитей, которые кристаллизуются в более обычную, определенную реальность, только когда проведено подходящее наблюдение. Это не то, что фотон миллиарды лет назад решил пойти по одному пути вокруг галактики, или по другому пути или по обоим путям. Вместо этого на протяжении миллиардов лет он находился в квантовых стандартах – в смеси, гибриде возможностей.

Акт наблюдения связывает эту необычную квантовую реальность с повседневным классическим опытом. Наблюдения, которые мы проводим сегодня, вынуждают одну из нитей квантовой истории выделиться в нашем изложении прошлого. В этом смысле, хотя квантовая эволюция от прошлого к настоящему не подвергается влиянию чего-либо, что мы делаем сегодня, история, которую мы называем прошлым, может нести на себе следы сегодняшних действий. Если мы вставляем детекторы фотонов вдоль двух путей, по которым свет следует к экрану, тогда наш рассказ о прошлом будет включать описание того, какой путь выбрал каждый фотон; вставляя детекторы фотонов, мы обеспечиваем, что информация выбора пути является существенной и определенной частью нашей истории. Но если мы не вставляем детекторы фотонов, наше описание прошлого будет неизбежно другим. Без детекторов фотонов мы не можем сказать что-либо о том, каким путем следует фотон; без детекторов фотонов нюансы выбора пути фундаментально недоступны. Обе истории правомерны. Обе истории интересны. Они просто описывают разные ситуации.

Сегодняшние наблюдения могут, следовательно, помочь завершить историю, которую мы рассказываем о процессе, который начался вчера, или день назад или вообще миллиард лет назад. Сегодняшние наблюдения могут обрисовать разновидности деталей, которые мы можем и должны включить в сегодняшнее описание прошлого.

Разрушая прошлое

Важно отметить, что в этих экспериментах прошлое никоим образом не изменяется сегодняшними действиями и что никакая хитрая модификация экспериментов не достигнет этой скользкой цели. Тогда возникает вопрос: Если вы не можете изменить нечто, что уже произошло, можете ли вы сделать следующую лучшую вещь и разрушить его влияние на настоящее? В той или иной степени временами эта фантазия может быть реализована. Игрок в бейсбол, который, имея два аута в конце девятой подачи, не ловит рутинно летящий мяч, позволяет команде противника завершиться в один пробег, может удалить влияние этой ошибки впечатляющим ныряющим захватом подачи мяча при следующем ударе. И конечно, такой пример ни в малейшей степени не загадочен. Только когда событие в прошлом, кажется, определенно устраняется наступлением другого события в будущем (как пропущенный летящий мяч определенно устраняет прошлую безупречную игру), мы будем думать, что здесь что-то прорезалось, если мы все время говорили, что устраненное событие на самом деле произошло. Квантовый ластик (стиратель), впервые предложенный в 1982 Марианом Скалли и Каем Дриилом, намекает на этот вид странностей в квантовой механике.

Простейшая версия эксперимента с квантовым ластиком делается с использованием двухщелевой конфигурации, модифицированной следующим образом. Маркирующий прибор располагается фронтально перед каждой щелью; он отмечает каждый проходящий фотон так, что когда фотон исследуется позже, вы можете сказать, через какую щель он прошел. Вопрос о том, как вы можете обеспечить маркировку фотона – как вы можете сделать эквивалент нананесения "L" на фотон, который проходит через левую щель и "R" на фотон, который проходит через правую щель, – хороший вопрос, но детали не особенно важны. Грубо, процесс осуществляется с использованием прибора, который позволяет фотону свободно пройти через щель, но заставляет его спиновую ось выстроиться в определенном направлении. Если приборы перед левой и правой щелями управляют спинами фотонов особым, но определенным образом, то более утонченный детекторный экран, который не только регистрирует точку в месте падения фотона, но также и содержит запись об ориентации спина фотона, будет показывать, через какую щель пролетел данный фотон на своем пути к детектору.

Когда проводится этот двухщелевой эксперимент с маркировкой, фотоны не выстраивают интерференционную картину, как на Рис. 7.4а. Теперь уже объяснение должно быть привычным: новый маркирующий прибор позволяет собрать информацию выбора пути, а информация выбора пути отбирает ту или иную историю; результаты показывают, что любой данный фотон проходит или через левую щель или через правую щель. А без комбинации левощелевых и правощелевых траекторий нет перекрытия вероятностных волн, так что не создается интерференционная картина.

Теперь идея Скалли и Дриила. Что если сразу после падения фотона на детекторный экран вы уничтожите возможность определения, через какую щель он прошел, путем разрушения отметки, зафиксированной маркирующим прибором? Без возможности, даже в принципе, выделить информацию выбора пути из детектируемого фотона, оба класса историй опять возвращаются в игру, заставляя снова появляться интерференционную картину. Отметим, что этот вид "отмены" прошлого в дальнейшем попадает в шокирующую категорию куда дальше, чем ныряющий захват бейсболиста в девятой подаче. Когда маркирующий прибор включен, мы представляем, что фотон послушно ведет себя как частица, проходя через левую щель или через правую щель. Если как-нибудь сразу после его падения на экран мы разрушим метку выбора пути, отмечающую его движение, то кажется слишком поздно позволять формироваться интерференционной картине. Для интерференции нам надо, чтобы фотон вел себя как волна. Он должен проходить через обе щели, так что он может перемешаться сам с собой на пути к детекторному экрану. Но наша исходная маркировка фотона, кажется, гарантирует, что он ведет себя как частица и путешествует через левую или через правую щель, предотвращая появление интерференционной картины.

(а) (b)

Рис 7.4 В эксперименте квантового ластика оборудование располагается фронтально перед двумя щелями, маркируя фотоны, так что последующее измерение может выявить, через какую щель прошел каждый фотон. В (а) мы видим, что эта информация выбора пути портит интерференционную картину. В (b) сразу фронтально перед детекторным экраном вводится прибор, который разрушает маркировку фотонов. Поскольку информация выбора пути уничтожается, снова возникает интерференционная картина.

В эксперименте, проведенном Раймондом Чиао, Полом Квиатом и Эфраимом Стейнбергом, конфигурация была такой, как схематично показано на Рис. 7.4, с новым стирающим прибором, вставленным сразу во фронт перед детекторным экраном. Еще раз, детали не существенны, но коротко уточним, что стиратель работает, обеспечивая, что независимо от того, влетел ли фотон через левую или через правую щель, его спин оказывается выстроенным в одном и том же фиксированном направлении. Последующее изучение его спина, следовательно, не дает информации о том, через какую щель он прошел, так что метка выбора пути разрушена. Замечательно, что фотоны, обнаруженные на экране после этого разрушения, производят интерференционную картину. Когда ластик вставлен прямо во фронт детекторного экрана, он отменяет – он стирает влияние маркировки пути фотонов сзади, когда они достигали щелей. Как и в эксперименте с отложенным выбором, в принципе, такой вид разрушения мог появиться через миллиарды лет после влияния, которое он расстроил, фактически отменив прошлое, даже отменив древнее прошлое.

Как мы можем придать этому смысл? Ну, держим в уме, что результаты полностью согласуются с теоретическими предсказаниями квантовой механики. Скалли и Дриил предложили этот эксперимент, потому что их квантовомеханические вычисления убедили их, что он будет работать. И это произошло. Итак, как обычно с квантовой механикой, головоломка не противопоставляет теорию и эксперимент. Она противопоставляет теорию, согласующуюся с экспериментом, нашим интуитивным ощущениям времени и реальности. Чтобы удалить напряжение, отметим, что если вы поставили детекторы фотонов во фронт к каждой щели, показания детекторов будут восстанавливать с определенностью, прошел ли фотон через левую щель или через правую щель, и тогда не будет способа стереть такую определяющую информацию – тогда не будет способа получить обратно интерференционную картину. Но маркирующие приборы отличаются от этого, поскольку они обеспечивают только потенциальную возможность определения информации выбора пути – а потенциальные возможности являются просто разновидностями вещей, которые могут быть разрушены. Маркирующий прибор преобразует прохождение фотона таким образом, грубо говоря, что он все еще путешествует обоими путями, но левая часть его вероятностной волны размыта относительно правой, или правая часть его вероятностной волны размыта относительно левой. С другой стороны, упорядоченная последовательность пиков и впадин, которая обычно появляется от каждой щели – как на Рис. 4.2b – также размывается, так что интерференционная картина на детекторном экране не формируется. Хотя решающим явлением будет то, что обе волны, и левая и правая, все еще существуют. Стиратель действует, поскольку он расфокусирует волны. Подобно паре зеркал он компенсирует размытие, приводя обе волны назад в резкий фокус и позволяя им снова сложить интерференционную картину. Это так, как если бы после маркирующих приборов, выполнивших свою задачу, интерференционная картина исчезла из-под наблюдения, но терпеливо находилась бы в ожидании, пока кто-нибудь или что-нибудь не воскресил ее.

Это объяснение может сделать квантовый ластик немного менее поразительным, но тут имеется финал – ошеломляющая вариация эксперимента с квантовым ластиком, который еще больше бросает вызов привычным представлениям о пространстве и времени.

Формируя прошлое*

Этот эксперимент, квантовый ластик с отложенным выбором, также был предложен Скалли и Дриилом. Он начинается с эксперимента с лучевым разветвителем, показанным на Рис. 7.1, модифицированным путем введения двух так называемых понижающих преобразователей, по одному на каждый лучевой путь. Понижающий преобразователь это прибор, который получает один фотон на входе и производит два фотона на выходе, каждый с половиной энергии ("понижающее преобразование") от исходного. Один из двух фотонов (так называемый сигнальный фотон) направляется вдоль пути, по которому исходный фотон следовал кдетекторному экрану.

 (*)"Если вы найдете эту секцию трудной, вы можете спокойно двигаться к следующей секции без потери последовательности изложения. Но я призываю вас попытаться пройти через нее, так как результаты в полном смысле слова изумительны."

 Другой фотон, произведенный понижающим преобразователем (именуемый вспомогательным фотоном), посылается в совершенно другом направлении, как показано на Рис. 7.5а. В зависимости от того, на каком фотоне проводится эксперимент, мы можем определить, какой путь выбрал сигнальный фотон к экрану, путем наблюдения, какой понижающий преобразователь испустил вспомогательный фотон-партнер. И еще раз, возможность собрать информацию выбора пути о сигнальном фотоне – даже если она полностью косвенная, поскольку мы совсем не взаимодействуем ни с одним сигнальным фотоном – вызывает предотвращение появления интерференционной картины.

Теперь о самой причудливой части. Что если мы преобразуем эксперимент так, что сделаем невозможным определить, из какого понижающего преобразователя был испущен вспомогательный фотон? Что если, таким образом, мы разрушим информацию выбора пути, воплощенную во вспомогательном фотоне? Ну, кое-что поразительное произойдет: даже если мы ничего не делаем непосредственно с сигнальным фотоном, путем разрушения информации выбора пути, переносимой его вспомогательными партнерами, мы можем восстановить интерференционную картину из сигнальных фотонов. Позвольте мне показать вам, как это происходит, поскольку это на самом деле поразительно.

Посмотрим на Рис. 7.5b, который объединяет все существенные идеи. Но не пугайтесь. Он проще, чем кажется, и мы теперь пройдем через него поэтапно под руководством. Конфигурация на Рис. 7.5b отличается от конфигурации на Рис. 7.5а в отношении того, как мы детектируем вспомогательные фотоны после того, как они были эмитированы. На Рис. 7.5а мы детектировали их непосредственно, так что мы немедленно смогли определить, из какого понижающего преобразователя каждый произошел, – это значит, какой путь выбрал сигнальный фотон. В новом эксперименте каждый вспомогательный фотон был послан через лабиринт, чем поколебал нашу способность получить такую определенность. Например, представим, что вспомогательный фотон эмитирован из понижающего преобразователя, отмеченного "L". Вместо того, чтобы немедленно попасть в детектор (как на Рис. 7.5а), этот фотон послан на лучевой разветвитель (отмеченный "а"), так что имеет 50 процентов шансов быть направленным вдоль пути, отмеченного "А", и 50 процентов шансов быть направленным вдоль пути, отмеченнного "B". Если он направлен вдоль пути А, он влетит в детектор фотонов (отмеченный "1"), и его прибытие будет должным образом записано. Но если вспомогательный фотон направлен вдоль пути В, он вдобавок будет подвержен следующим штукам. Он будет направлен на другой лучевой разветвитель (отмеченный "с"), так что будет имееть 50 процентов шансов быть направленным вдоль пути Е к детектору, отмеченному "2", и 50 процентов шансов быть направленным вдоль пути "F" к детектору, отмеченному "3". Теперь – следите со мной, так как тут суть всего изложения – те же самые рассуждения, примененные к вспомогательному фотону, эмитированному из другого понижающего преобразователя, отмеченного "R", говорят нам, что если вспомогательный фотон направлен вдоль пути D, он будет записан детектором 4, но если он направлен вдоль пути С, он обнаружен или детектором 3, или детектором 2, в зависимости от пути, по которому он следовал после прохождения через лучевой разветвитель b.

(а) (b)

Рис 7.5 (а) Эксперимент с лучевым разветвителем, дополненный понижающими преобразователями, не дает интерференционной картины, поскольку вспомогательные фотоны обеспечивают информацию выбора пути. (b) Если вспомогательные фотоны не детектируются непосредственно, а вместо этого посылаются через изображенный лабиринт, тогда интерференционная картина может быть выделена из результатов эксперимента.

Вспомогательные фотоны, которые определяются детекторами 2 или 3, не дают информации выбора пути и, следовательно, их сигнальные фотоны заполняют интерференционную картину. <Расположение обозначений вверху: детектор 3, путь F, лучевой разветвитель c, путь E, детектор 2; слева: детектор 4, путь D, лучевой разветвитель b, путь C; справа: путь B, лучевой разветвитель a, путь A, детектор 1; в середине: понижающий преобразователь R, понижающий преобразователь L>.

Теперь рассмотрим, зачем мы добавили все эти усложнения. Отметим, что если вспомогательный фотон обнаружен детектором 1, мы знаем, что соответствующий сигнальный фотон выбрал левый путь, поскольку для вспомогательного фотона, который был эмитирован из понижающего преобразователя R, нет способа найти путь к этому детектору. Аналогично, если вспомогательный фотон обнаружен детектором 4, мы знаем, что его сигнальный фотон-партнер выбрал правый путь. Но если вспомогательный фотон увлечен в детектор 2, мы не имеем идей о том, какой путь выбрал его сигнальный фотон-партнер, поскольку тут равные шансы, что он эмитирован понижающим преобразователем L и следует пути В-Е или что он эмитирован понижающим преобразователем R и следует пути С-Е. Сходным образом, если вспомогательный фотон обнаружен детектором 3, он может быть эмитирован понижающим преобразователем L и путешествовать по пути В-F или понижающим преобразователем R и путешествовать по пути C-F. Так что для сигнального фотона, чьи вспомогательные партнеры обнаружены детектором 1 или 4, мы имеем информацию выбора пути, но для тех, чьи вспомогательные партнеры обнаружены детектором 2 или 3, информация выбора пути разрушена.

Означает ли стирание некоторой информации выбора пути – даже если мы ничего не делаем с сигнальными фотонами непосредственно – что интерференционные эффекты восстанавливаются? Это на самом деле происходит – но только для тех сигнальных фотонов, чьи вспомогательные партнеры попали в детектор 2 или детектор 3. То есть общая совокупность положений падения сигнальных фотонов на экран будет выглядеть подобно данным на Рис. 7.5а, не показывая даже самого слабого намека на интерференционную картину, что является характеристикой фотонов, которые путешествовали или одним, или другим путем. Но если мы сосредоточимся на подмножестве результирующих точек – например, от тех сигнальных фотонов, чьи вспомогательные фотоны влетели в детектор 2, – тогда это подмножество точек будет заполнять интерференционную картину! Эти сигнальные фотоны – чьи вспомогательные партнеры, так уж случилось, не обеспечили никакой информации выбора пути, – ведут себя, как если бы они путешествовали обоими путями! Если мы подключим оборудование так, что экран покажет красную точку для положения каждого сигнального фотона, чей вспомогательный фотон был обнаружен детектором 2, и зеленую точку для всех остальных, некоторые, у кого нарушено цветовосприятие, не будут видеть интерференционную картину, но остальные, тем не менее, будут видеть, что красные точки упорядочены в виде ярких и темных полос – интерференционной картины. То же самое останется правильным с детектором 3 на месте детектора 2. Но не будет такой интерференционной картины, если мы выделим сигнальные фотоны, чьи вспомогательные фотоны обнаружены детектором 1 или детектором 4, поскольку эти вспомогательные фотоны дают информацию выбора пути относительно своих партнеров.

Эти результаты – которые были подтверждены экспериментом – великолепны: через присоединение понижающих преобразователей, которые потенциально могут обеспечить информацию выбора пути, мы теряем интерференционную картину, как на Рис. 7.5а. А без интерференции мы, естественно, заключали, что каждый фотон летел или вдоль одного пути или вдоль другого. Но теперь мы узнали, что это было опрометчивое заключение. Путем аккуратного удаления потенциальной информации выбора пути, переносимой некоторыми вспомогательными фотонами, мы можем добиться выделения из данных интерференционной картины, что свидетельствует, что некоторые фотоны на самом деле двигаются обоими путями.

Отметим также, возможно, самый яркий результат среди всех: три дополнительных лучевых разветвителя и четыре детектора вспомогательных фотонов могут располагаться на другой стороне лаборатории или даже на другой стороне вселенной, поскольку ничто в нашем обсуждении совершенно не зависело от того, будет ли получен данный вспомогательный фотон до или после того, как его сигнальный партнер попадет на экран. Тогда представим, что все эти приборы удалены на большое расстояние, скажем, на десять световых лет для определенности, и подумаем, что это за собой повлечет. Вы проводите эксперимент Рис. 7.5b сегодня, записывая – одно за другим – места падения гигантского числа сигнальных фотонов, и вы наблюдаете, что они не показывают и признаков интерференции. Если кто-нибудь попросит вас объяснить данные, у вас может возникнуть соблазн сказать, что из-за вспомогательных фотонов информация выбора пути имеет место, а значит каждый сигнальный фотон определенно летел вдоль левого или вдоль правого пути, уничтожая любую возможность интерференции. Но, как было видно выше, это будет опрометчивое заключение о происходящем; это будет совершенно необдуманное описание прошлого.

Вы видите десятью годами позднее, что четыре детектора фотонов получат – один за другим – вспомогательные фотоны. Если вы затем получаете информацию о том, какие вспомогательные фотоны попали, скажем, в детектор 2 (например, первый, седьмой, девятый, двенадцатый ... вспомогательные фотоны прибыли), и если вы тогда вернетесь к данным, которые вы собрали годами ранее и выделите соответствующие положения сигнальных фотонов на экране (например, первого, седьмого, девятого, двенадцатого ... сигнальных фотонов, которые прибыли), вы найдете, что выделенные данные заполняют интерференционную картину, что выявляет, что эти сигнальные фотоны должны описываться как проходившие через оба пути. В качестве альтернативы, если спустя 9 лет и 364 дня после того, как вы собрали данные по сигнальным фотонам, техник саботирует эксперимент путем удаления разветвителей а и b – гарантируя, что когда вспомогательные фотоны прибудут на следующий день, они все пойдут в детектор 1 или детектор 4, что сохранит всю информацию выбора пути, – тогда, когда вы получите эту информацию, вы сделаете заключение, что каждый сигнальный фотон двигался вдоль левого пути или вдоль правого пути, и интерференционная картина не может быть извлечена из данных по сигнальным фотонам. Так что, как убедительно проясняет это обсуждение, история, которую вы рассказываете, чтобы объяснить данные по сигнальным фотонам, существенно зависит от измерений, проведенных на десять лет позже, чем эти данные были собраны.

Позвольте мне еще раз подчеркнуть, что будущие измерения совершенно не изменяют чего-либо из вещей, которые имели место в вашем сегодняшнем эксперименте; будущие измерения никоим образом не изменяют данные, которые вы собрали сегодня. Но будущие измерения влияют на виды деталей, которые вы можете привлечь, когда в дальнейшем будете описывать то, что произошло сегодня. Перед тем, как вы получите результаты измерений вспомогательных фотонов, вы на самом деле совсем не можете сказать чего-либо об истории выбора пути любого данного сигнального фотона. Однако, раз уж вы получили результаты, вы заключаете, что сигнальные фотоны, чьи вспомогательные партнеры успешно использованы для определения информации выбора пути, могут быть описаны как путешествовавшие – годы назад – либо слева либо справа. Вы также придете к заключению, что сигнальные фотоны, чьи вспомогательные партнеры разрушили их информацию выбора пути, не могут быть описаны как определенно проходившие – годы назад – по одному или по другому пути (заключение, которое вы можете убедительно подтвердить с использованием вновь полученных данных по вспомогательным фотонам, чтобы выявить ранее скрытую интерференционную картину среди этого более позднего класса сигнальных фотонов). Мы, таким образом, видим, что будущее помогает сформировать историю, которую вы рассказываете о прошлом.

Эти эксперименты впечатляюще конфликтуют с нашими обычными представлениями о пространстве и времени. Нечто, что имеет место намного позже и очень далеко от чего-то другого, тем не менее существенно для нашего описания этого чего-то другого. По классическому счету – здравому смыслу – это просто сумасшествие. Конечно, тут важно, что классические оценки являются ложным видом оценок для использования в квантовой вселенной. Мы узнали из обсуждения Эйнштейна-Подольского-Розена, что квантовая физика нелокальна в пространстве. Если вы полностью усвоили этот урок – выдержав его, чтобы согласиться с его внутренней правильностью, – эти эксперименты, которые включают в себя разновидности запутывания через пространство и через время, могут не показаться совсем уж неземными. Но по стандартам повседневного опыта они таковыми определенно являются.

Квантовая механика и опыт

В течение нескольких дней после того, как я впервые узнал об этих экспериментах, я помню свое воодушевление. Я чувствовал, что мне дали мельком увидеть скрытую сторону реальности. Здравый смысл – земная, обыкновенная, повседневная деятельность – внезапно оказался частью классической шарады, скрывающей истинную природу нашего квантового мира. Мир повседневности внезапно оказался ничем иным, как вывернутым наизнанку магическим действием, внушившим своим зрителям веру в обычные, привычные концепции пространства и времени, в то время как удивительная истина квантовой реальности лежит, ускользая от взгляда, тщательно защищенная природой.

В последние годы физики потратили много усилий в попытках объяснить правила природы, – чтобы точно постичь, как фундаментальные законы квантовой физики преобразуются в классические законы, которые столь успешны при объяснении общепринятого опыта, – в сущности, чтобы постичь, как атомное и субатомное сбрасывает свою магическую причудливость, когда оно объединяется, чтобы сформировать макроскопические объекты. Исследования продолжаются, но многое уже изучено. Посмотрим на некоторые аспекты, особенно уместные в связи с вопросом о стреле времени, но теперь с точки зрения квантовой механики.

Классическая механика основывается на уравнениях, которые Ньютон открыл в поздние 1600е годы. Электромагнетизм основывается на уравнениях, которые Максвелл открыл в поздние 1800е годы. СТО основывается на уравнениях, которые открыл Эйнштейн в 1905, а ОТО основывается на уравнениях, которые он открыл в 1915. Что все эти уравнения имеют общего, и что является центральным в дилемме стрелы времени (как объясняется в предыдущей главе), так это их полностью симметричное рассмотрение прошлого и будущего. Нигде в любом из этих уравнений нет чего-либо, что различает время, направленное "вперед", от времени, направленного "назад". Прошлое и будущее рассматриваются на одинаковых основаниях.

Квантовая механика основывается на уравнении, которое Эрвин Шредингер открыл в 1926. Вам не нужно знать чего-либо об этом уравнении, кроме того факта, что оно принимает в качестве входных данных форму квантовомеханической вероятностной волны в один момент времени, как на Рис. 4.5, и позволяет определить, как вероятностная волна будет выглядеть в любой другой момент времени, более ранний или более поздний. Если вероятностная волна ассоциируется с частицей, такой как электрон, вы можете использовать ее для предсказания вероятности того, что в любое выделенное время эксперимент найдет электрон в любом выделенном месте. Подобно классическим законам Ньютона, Максвелла и Эйнштейна квантовый закон Шредингера включает в себя равноправное рассмотрение времени-будущего и времени-прошлого. "Фильм", показывающий вероятностную волну стартующей в таком виде и заканчивающей в этаком виде, может быть запущен в обратном направлении, – показывая вероятностную волну, стартующую в этаком виде, а заканчивающую в таком виде, – и нет способа сказать, что одна эволюция правильна, а другая ложна. Обе одинаково являются решениями уравнения Шредингера. Обе одинаково представляют осмысленные пути, по которым вещи могут эволюционировать.

Конечно, "фильм", о котором идет речь полностью отличается от аналогов, использованных при анализе движения теннисного мяча или разбивающегося яйца в последней главе. Вероятностные волны не есть вещи, которые мы можем видеть непосредственно; не существует камеры, которая могла бы зафиксировать вероятностные волны на пленку. Вместо этого, мы можем описать вероятностные волны с использованием математических уравнений, и перед нашим мысленным взором мы можем представить простейшие из них, имеющие форму как на Рис. 4.5 и 4.6. Но единственный доступ, который мы имеем к самим вероятностным волнам, является косвенным, через процесс измерения. Это есть, как было обрисовано в Главе 4 и неоднократно было видно в рассмотренных выше экспериментах, стандартная формулировка квантовой механики, описывающая разворачивание явлений с использованием двух совершенно отличных этапов. На первом этапе вероятностная волна – или, на более точном полевом языке, волновая функция – объекта, такого как электрон, эволюционирует в соответствии с уравнением, открытым Шредингером. Это уравнение гаранирует, что форма волновой функции изменяется гладко и постепенно, почти как водяная волна изменяет свою форму, когда путешествует от одного берега озера к другому.* В стандартном описании второго этапа мы осуществляем контакт с наблюдаемой реальностью путем измерения положения электрона, и когда мы так делаем, форма его волновой функции резко и прерывисто изменяется. Волновая функция электрона больше не похожа на более привычные примеры вроде водяных волн или волн звука: когда мы измеряем положение электрона, его волновая функция вздымается пиком или, как показано на Рис. 4.7, схлопывается, падая до величины 0 везде, где частица не найдена, и возрастая до 100 процентов вероятности в единственном положении, где частица найдена измерением.

Первый этап – эволюция волновой функции в соответствии с уравнением Шредингера – математически строгий, полностью недвусмысленный и полностью принятый физическим сообществом. Второй этап – коллапс волновой функции при измерении – наоборот, является чем-то, что на протяжении последних восьми десятков лет, в лучшем случае, держит физиков в тихом смущении, а в худшем провоцирует проблемы, загадки и потенциальные парадоксы, которые разрушают карьеры. Сложность, как отмечалось в Главе 4, в том, что в соответствии с уравнением Шреднигера волновые функции не коллапсируют. Коллапс волновой функции представляет собой добавление. Оно было введено после открытия Шреднгером своего уравнения в попытке оценить, что же экспериментаторы на самом деле видят. Хотя сырая, несколлапсированная волновая функция воплощает странную идею, что частица находится и тут и там, экспериментаторы никогда не видят этого. Они всегда находят частицу определенно в том или ином положении; они никогда не видят ее частично тут, а частично там; игла в их измерительных приборах никогда не зависает в нерешительности в некоторой призрачной смеси, отмечая и эту величину и также ту величину.

То же самое происходит, конечно, при наших собственных бессистемных наблюдениях окружающего нас мира. Мы никогда не наблюдаем, чтобы кресло было и тут, и там; мы никогда не наблюдаем Луну одновременно в одной части ночного неба, а также и в другой; мы никогда не видим кота, который одновременно и жив, и мертв. Понятие коллапса волновой функции присоединяется к нашему опыту путем постулирования, что акт измерения заставляет волновую функцию отказаться от квантовой неопределенности и ввести одну из множества потенциальных возможностей (частица здесь или частица там) в реальность.

(*)"Квантовая механика справедливо имеет репутацию чего-то гладкого и постепенного; однако, как мы явно увидим в последних главах, она обнаруживает турбулентный и дрожащий микрокосмос. Причиной этого дрожания является вероятностная природа волновой функции – даже если вещи могут существовать одним способом в один момент, имеется вероятность, что они будут существенно отличаться моментом позже, – а не всегда присутствующие дрожания, характеризующие саму волновую функцию."

Загадка квантового измерения

Но как проведение измерения экспериментатором принуждает волновую функцию к коллапсу? Фактически, когда реально происходит коллапс волновой функции, и если он происходит, что реально происходит на микроскопическом уровне? Вызывают ли коллапс любое и всякое измерения? Когда происходит коллапс и как долго это длится? Поскольку в соответствии с уравнением Шредингера волновая функция не коллапсирует, какое уравнение описывает второй этап квантовой эволюции и как новое уравнение свергает шредингеровское, узурпируя его обычную нерушимую власть над квантовыми процессами? И, что важно для нашего текущего отношения со стрелой времени, в то время, как уравнение Шредингера, уравнение, которое управляет первым этапом, не делает различий между прямым и обратным направлением во времени, вводит ли уравнение для второго этапа фундаментальную асимметрию между временем до и временем после того, как измерение произведено? То есть вводит ли квантовая механика, включая ее сопряжение с повседневным миром через измерения и наблюдения, стрелу времени в основные законы физики? Как никак, мы обсудили ранее, как квантовая трактовка прошлого отличается от трактовки прошлого в классической физике и что мы подразумевали под прошлым перед тем, как отдельные измерения и наблюдения имели место. Так, делая измерения, воплощенные во втором этапе коллапса волновой функции, устанавливаем ли мы асимметрию между прошлым и будущим, между до и после того, как измерение проведено?

Эти вопросы упорно сопротивляются полному решению и они остаются спорными. Тем не менее, после десятилетий, предсказательную мощь квантовой теории тяжело скомпроментировать. Формулировка квантовой теории в виде этапа один/этапа два, даже если этап два остается таинственным, предсказывает вероятности измерений одного результата за другим. И эти предсказания подтверждены повторением заданных экспериментов снова и снова и проверкой частоты, с которой тот или иной результат найден. Фантастический экспериментальный успех этого подхода намного перевешивает дискомфорт от отсутствия точного описания того, что на самом деле происходит на втором этапе.

Но дискомфорт всегда рядом. И он означает не просто, что некоторые детали коллапса волновой функции не вполне выяснены. Проблема квантового измерения, как она называется, является предметом спора, что говорит о пределах и универсальности квантовой механики. Это просто увидеть. Подход с этапом один/этапом два вводит раскол между тем, что наблюдается (электрон, или протон или атом, например) и экспериментатором, который наблюдает. Перед тем, как экспериментатор появляется на сцене, волновая функция счастливо и плавно эволюционирует в соответствии с уравнением Шредингера. Но тогда, когда экспериментатор вмешивается с вещами для проведения измерения, правила игры неожиданно меняются. Уравнение Шредингера отбрасывается в сторону и наступает коллапс из второго этапа. И еще, раз уж нет разницы между атомами, протонами и электронами, которые составляют экспериментатора и оборудование, которое он или она использует, и атомами, протонами и электронами, которые он или она изучает, так почему же имеется разрыв в том, как квантовая механика трактует их? Если квантовая механика является универсальной теорией, которая применима без ограничений к чему угодно, наблюдаемое и наблюдатель должны рассматриваться в точности одинаковым образом.

Нильс Бор был не согласен. Он утверждал, что экспериментаторы и их оборудование отличаются от элементарных частиц. Даже если они сделаны из одинаковых частиц, они являются "большими" собраниями элементарных частиц и, следовательно, управляются законами классической физики. Где-то между мельчайшим миром индивидуальных атомов и субатомных частиц и привычным миром людей и их оборудования правила меняются, поскольку меняются размеры. Мотивировка объявления этого разделения ясна: малые частицы в соответствии с квантовой механикой могут быть локализованы в размытой смеси тут и там, тогда как мы не видим подобного поведения в большом, повседневном мире. Но где точно находится граница? И, что жизненно важно, как два набора правил согласуются, когда большой повседневный мир сталкивается с очень маленьким миром атомов, как в случае измерения? Бор настойчиво декларировал, что эти вопросы находятся за теми пределами, для которых они предназначены, вернее говоря, что они находятся вне границ, в которых он или кто-либо еще может дать ответ. И поскольку даже без обращения к ним теория дает поразительно точные предсказания, долгое время такие проблемы выпадали из списка важнейших вопросов, которые физики продвигали к решению.

Но, чтобы понять квантовую механику полностью, чтобы полностью определить, что она говорит о реальности, и чтобы установить, какую роль она может играть в установлении направления стрелы времени, мы должны прийти к пониманию проблемы квантового измерения.

В следующих двух секциях мы опишем некоторые из наиболее заметных и многообещающих попыток сделать это. Результат, к которому вы можете в любой момент перепрыгнуть вперед к последней секции, фокусируясь на квантовой механике и стреле времени, таков, что более хитроумная работа с проблемой квантового измерения дает существенный прогресс, но общепризнанное решение все еще оказывается вне нашей досягаемости. Многие рассматривают это как один из наиболее важных пробелов в нашей формулировке квантовых законов.

Реальность и проблема квантового измерения

На протяжении лет было много предложений для решения проблемы квантового измерения. Ирония заключается в том, что, хотя они влекли за собой отличающиеся концепции реальности, – некоторые радикально отличающиеся, – когда они подходили к предсказаниям того, что исследователь будет измерять почти в любом эксперименте, все они сходились во взглядах и каждое работало подобно заклинанию. Каждое предложение принимало вид одного и того же шоу, даже если, когда вы бросите взгляд за сцену, вы увидите, что их способы действия существенно отличаются.

Когда дело доходит до развлечений, вы обычно не хотите знать, что происходит за кулисами; вы полностью довольствуетесь тем, что обращаете все внимание исключительно на результат. Но когда речь идет о понимании вселенной, имеется ненасытное побуждение отдернуть все занавески, открыть все двери и полностью выявить глубинные внутренние механизмы реальности. Бор рассматривал это побуждение как безосновательное и вводящее в заблуждение. Для него реальность была представлением. Подобно монологу Сполдинга Грея* неприукрашенные измерения экспериментатора являются целым шоу. Они не являются ничем другим. Согласно Бору там нет понятия "за сценой". Пытаться проанализировать, как, когда и почему квантовая волновая функция отбрасывает все возможности, кроме одной, и производит отдельное определенное число на измерительном приборе, ошибочная цель. Измеренное число само является всем, что заслуживает внимания.

Этот взгляд держался у власти в течение десятилетий. Однако, хотя его успокаивающее воздействие на ум боролось с квантовой теорией, он не смог помочь почувствовать, что фантастическая предсказательная сила квантовой механики означает, что имеется ответвление в скрытую реальность, которая лежит в основе механизмов вселенной. Он не смог помочь желанию идти дальше и понять, как квантовая механика связана со здравым смыслом – как она перекрывает пропасть между волновой функцией и наблюдением, и что за скрытая реальность лежит в основе наблюдений. Через годы многие исследователи приняли этот вызов; ниже приводятся некоторые предложения, которые они разработали.

(*)"Сполдинг Грей (р. 1941) – американский актер и сценарист, знаменитый своими моноспектаклями, считающимися образцом острого и едкого юмора". – (прим. перев.)"

Один подход с историческими корнями, восходящими к Гейзенбергу, заключается в отказе от взгляда, что волновые функции есть объективные особенности квантовой реальности, и, вместо этого, в рассмотрении их только как воплощений того, чего мы знаем о реальности. Перед тем, как мы проводим эксперимент, мы не знаем, где находится электрон и, как предполагает этот взгляд, наше неведение относительно его расположения отражается электронной волновой функцией, описывая его как, возможно, находящегося в ряде различных положений. Однако, в момент, когда мы измеряем его положение, наше знание о его местоположении внезапно изменяется: теперь мы знаем его положение, в принципе, с абсолютной точностью. (По принципу неопределенности, если мы знаем его положение, мы неизбежно будем полностью в неведении относительно его скорости, но это не является предметом текущего обсуждения). Это резкое изменение наших знаний, в соответствии с данными взглядами, отражается в резком изменении в электронной волновой функции: она внезапно коллапсирует и принимает форму пика, как на Рис. 4.7, фиксируя наше точное знание положения электрона. В таком подходе, следовательно, резкий коллапс волновой функции совершенно не удивителен: он есть ничто иное, как резкое изменение в знании, которое мы все ощущаем, когда мы изучаем что-либо новое.

Второй подход, инициированный в 1957 году студентом Уилера Хью Эвереттом, отрицает, что волновая функция когда-либо коллапсирует. Вместо этого любой и каждый потенциальный результат, воплощенный в волновой функции, видит свет дня; однако, свет дня, который каждый видит, распространяется через его собственную отдельную вселенную. В этом подходе, многомировой интерпретации, понятие "вселенная" расширяется, чтобы включить бесчисленные "параллельные вселенные" – бесчисленные версии нашей вселенной, – так что все, что может произойти по предсказаниям квантовой механики, даже если его вероятность ничтожна, происходит, по меньшей мере, в одной копии. Если волновая функция говорит, что электрон может быть здесь, там и чересчур далеко, тогда в одной вселенной ваша копия найдет его здесь; в другой вселенной другая ваша копия найдет его там; а в третьей вселенной еще один вы найдет электрон чересчур далеко. Последовательность наблюдений, которую мы каждый делаем от одной секунды к следующей, таким образом отражает реальность, имеющую место только в одной части этой чудовищной, бесконечной сети вселенных, каждая из которых населена копиями вас и меня и любого другого, кто еще живет во вселенной, в которой определенное наблюдение дало определенный результат. В одной такой вселенной вы сейчас читаете эти слова, в другой вы прервались, чтобы полазить по Интернету, еще в другой вы с большим волнением дожидаетесь, когда поднимется занавес перед вашим дебютом на Бродвее. Это похоже на то, как если бы был не единственный блок пространства-времени, изображенный на Рис. 5.1, а бесконечное количество, среди которых каждый реализует один возможный путь сбытий. В многомировой интерпретации, следовательно, ни один потенциальный результат просто не остается потенциальным. Волновые функции не коллапсируют. Каждый потенциальный результат проявляется в одной из параллельных вселенных.*

 (*)"Стоит отметить, что при всей его экстравагантности результат Эверетта является следствием аккуратного решения уравнения Шредингера для объединенной системы, включающей как измеряемый микрообъект, так и экспериментатора с его приборами и памятью, причем без вводимого руками коллапса волновой функции. Решение никто не опроверг с момента его появления в 1957, но при этом многомировая интерпретация многими была воспринята как нечто, о чем не принято говорить в приличном физическом обществе. (Что, кстати, вынудило Эверетта оставить науку). Так Бор незадолго до своей смерти отказался обсуждать с Эвереттом его скандальный результат. Нобелевский лауреат В.Л. Гинзбург на вопрос о подходе Эверетта сухо заметил: "Я в это не верю". – (прим. перев.)"

Третье предложение, разработанное в 1950е Дэвидом Бомом, – тем самым физиком, с которым мы сталкивались в Главе 4, когда обсуждали парадокс Эйнштейна-Подольского-Розена, – принимает совершенно другой подход. Бом утверждал, что частицы, такие как электроны, обладают определенными положениями и определенными скоростями, точно как в классической физике, и точно так, как на это надеялся Эйнштейн. Но, в соответствии с принципом неопределенности, эти свойства скрыты от рассмотрения; они являются примерами скрытых переменных, отмеченных в Главе 4. Вы не можете определить обе переменные одновременно. По Бому такая неопределенность представляет предел того, что мы можем знать, но ничего не предполагает о действительных атрибутах самих частиц. Его подход не разрушается от столкновения с результатом Белла, поскольку, как мы обсуждали выше в конце Главы 4, обладание определенными свойствами, запрещенными принципом неопределенности, не исключено; исключена только локальность, а подход Бома нелокален. Напротив, Бом представил, что волновая функция частицы является другим, отдельным элементом реальности, таким, который существует в дополнение к самой частице. Нет частиц или волн, как полагала философия дополнительности Бора; в соответствии с Бомом, есть частицы и волны. Более того, Бом постулировал, что волновая функция частицы взаимодействует с самой частицей – она "направлят" частицу или "помыкает" ей – таким образом, что определяет ее последовательное движение. В то время, как этот подход полностью согласуется с успешными предсказаниями стандартной квантовой механики, Бом нашел, что изменения волновой функции в одном месте могут немедленно подтолкнуть частицу в удаленном месте, что явно обнаруживает нелокальность его подхода. В эксперименте с двумя щелями, например, каждая частица двигается через одну щель или через другую, тогда как их волновые функции двигаются через обе щели и допускают интерференцию. Поскольку волновая функция управляет движением частицы, не будет уж очень удивительным, что уравнения показывают, что частица охотнее приземляется там, где величина волновой функции велика, и она неохотно приземляется там, где последняя мала, что объясняет данные на Рис. 4.4. В подходе Бома нет отдельного этапа коллапса волновой функции, поскольку, если вы измеряете положение частицы и находите ее здесь, это в самом деле место, возле которого она была моментом раньше, чем измерение имело место.

Четвертый подход, разработанный итальянскими физиками Джанкарло Жирарди, Альберто Римини и Туллио Вебером, предпринял смелые действия по модификации уравнения Шредингера неким хитрым способом, что приводит в почти любом эффекте к "обычной" эволюции волновой функции индивидуальной частицы, но имеет драматическое влияние на квантовую эволюцию, когда это применяется к "большим" повседневным объектам. Предложенная модификация полагает, что волновые функции в своей основе нестабильны; даже без вмешательства, которое предпринимает исследователь, рано или поздно каждая волновая функция коллапсирует по своему собственному желанию к пикообразной форме. Для индивидуальной частицы Жирарди, Римини и Вебер постулировали, что коллапс волновой функции происходит спонтанно и хаотично, возникая, в среднем, только раз за каждый миллиард лет или около того. Это настолько редко, что это вносит только очень слабое изменение в обычное квантовомеханическое описание индивидуальной частицы, и это хорошо, поскольку квантовая механика описывает микромир с беспрецедентной точностью. Но для больших объектов, таких как экспериментатор и его оборудование, которые имеют миллиарды и миллиарды частиц, частота будет настолько выше, что в мельчайшую долю любой заданной секунды постулированный спонтанный коллапс произойдет, по меньшей мере, с одной отдельной частицей, заставив ее волновую функцию схлопнуться. И, как утверждали Жирарди, Римини, Вебер и другие, запутанная природа всех индивидуальных волновых функций в большом объекте обеспечивает, что этот коллапс инициирует разновидность квантового эффекта домино, при котором волновые функции всех составляющих частиц тоже коллапсируют. Так как это происходит в короткую долю секунды, предлагаемая модификация обеспечивает, что большие объекты, по существу, всегда находятся в одной определенной конфигурации: показания измерительного оборудования всегда указывают на одну определенную величину; Луна всегда находится в одном определенном положении в небе; эксперименты внутри мозга всегда дают одно определенное ощущение; коты всегда или мертвы или живы.

Каждый из этих подходов, равно как и ряд других, которые мы не хотим обсуждать, имеет своих сторонников и противников. Подход "волновой функции как знания" ловко обходит проблему коллапса волновой функции путем отрицания какой-либо реальности волновых функций, сводя их вместо этого всего лишь к способам описания того, что мы знаем. Но почему, спросит противник, фундаментальная физика должна быть так тесно связана с человеческой осведомленностью? Если мы здесь не наблюдаем мир, волновые функции никогда не будут коллапсировать или вообще сама концепция волновой функции не будет существовать? Разве вселенная была совершенно другим местом до того, как на планете Земля развилось человеческое сознание? Что если вместо человеческих экспериментаторов наблюдателями являются только мыши, или муравьи, или амебы или компьютеры? Будет ли изменение в их "знании" адекватно ассоциироваться с коллапсом волновой функции?

Напротив, многомировая интерпретация избегает самого понятия коллапса волновой функции, поскольку в этом подходе волновые функции не схлопываются. Но ценой за это является чудовищное разрастание вселенных, это многие противники находят нетерпимо непомерным. Подход Бома также избегает коллапса волновой функции; но, утверждают его противники, допуская независимую реальность как частиц, так и волн, теория испытывает недостаток экономичности. Более того, справедливо утверждают противники, в формулировке Бома волновые функции могут оказывать влияние быстрее-чем-свет на частицы, которые они подталкивают. Сторонники замечают, что недовольство создателем в лучшем случае субъективно, и последнее согласуется с нелокальностью Белла, оказывающейся неизбежной, так что критика также не убедительна. Тем не менее, вообще то неоправданно, подход Бома никогда не становился модным. Подход Жирарди-Римини-Вебера работает с коллапсом волновой функции непосредственно через изменения уравнений для включения нового спонтанного механизма схлопывания. Но, отмечают противники, тут все еще нет и намека на экспериментальное подтверждение, поддерживающее предложенную модификацию уравнения Шредингера.

Исследовательский поиск твердой и полностью прозрачной связи между формализмом квантовой механики и опытом повседневной жизни будет, несомненно, продолжаться в течение некоторого времени до готовности, и тяжело сказать, если это вообще будет иметь место, который из известных подходов в конечном счете добьется согласия большинства. Если бы физики сегодня проголосовали, я не думаю, что нашелся бы несомненный фаворит. К несчастью, экспериментальные данные могут оказать ограниченную помощь. Хотя предложение Жирарди-Римини-Вебера делает предсказания, которые могут в определенных ситуациях отличаться от стандартной квантовой механики с ее этапом один/этапом два, отклонения слишком малы, чтобы их можно было зафиксировать современной технологией. Ситуация с другими тремя предложениями еще хуже, поскольку они еще более решительно препятствуют экспериментальной верификации. Они полностью согласуются со стандартным подходом, так что каждое дает одинаковые предсказания для вещей, которые могут быть подвергнуты наблюдению и измерены. Они отличаются только в отношении того, что происходит за кулисами, если происходит. Что означает, они отличаются только в отношении того, что квантовая механика содержит в себе как лежащую в основе природу реальности.

Даже если проблема квантовых измерений остается нерешенной, на протяжении последних нескольких десятилетий в разработке находилась система взглядов, которая, хотя все еще неполная, имеет широко распространенную поддержку как перспективная составляющая любого жизнеспособного решения. Она называется декогерентность.

Декогерентность и квантовая реальность

Когда вы впервые сталкиваетесь с вероятностным аспектом квантовой механики, естественной реакцией является подумать, что это не более экзотично, чем вероятности, которые возникают при подбрасывании монетки или вращении рулетки. Но когда вы знакомитесь с квантовой интерференцией, вы осознете, что вероятность входит в квантовую механику намного более фундаментальным образом. В повседневных примерах различные результаты – орел против решки, красное против черного, один лотерейный номер против другого – объясняются вероятностями с пониманием, что тот или иной результат определенно произойдет и что каждый результат является конечным продуктом независимой, определенной истории. Когда монета подбрасывается, временами вращательное движение таково, что прямо с броска выходит орел, а временами таково, что прямо с броска выходит решка. Вероятностью 50 на 50 мы обозначаем, что каждый исход относится не просто к конечному результату – орел или решка – но также к истории, которая привела к каждому результату. Половина возможных способов, которыми вы можете подбросить монету, приведут к орлу, а половина к решке. Сами истории, однако, являются полностью разделенными, изолированными альтернативами. Нет смысла интересоваться, в каких различных движениях монеты альтернативы усиливают друг друга, а в каких гасят. Все они независимы.

Но в квантовой механике ситуация другая. Альтернативные пути, по которым электрон может следовать через две щели к детектору не есть отдельные, изолированные истории. Возможные истории смешиваются, чтобы произвести наблюдаемый результат. Некоторые пути усиливают друг друга, тогда как другие уничтожают друг друга. Такая квантовая интерференция между различными возможными историями отвечает за картину светлых и темных полос на детекторном экране. Так что вопиющее различие между квантовым и классическим представлением о вероятности заключается в том, что первое предрасполагает к интерференции, а последнее нет.

Декогерентность является широко распространенным явлением, которое формирует мост между квантовой физикой малого и классической физикой не столь уж малого через подавление квантовой интерференции – это значит, через резкое уменьшение основного различия между квантовыми и классическими вероятностями. Важность декогерентности была осознана давно, еще в ранние времена квантовой теории, но ее современное возрождение отсчитывается от плодотворной статьи немецкого физика Дитера Зея в 1970 году, и с тех пор разрабатывалось многими исследователями, включая Эрика Йоса, тоже из Германии, и Войцеха Цурека из Лос-Аламосской Национальной Лаборатории в Нью-Мексико.

Идея такова. Когда уравнение Шредингера применяется в простой ситуации, такой как отдельный изолированный фотон, проходящий через экран с двумя щелями, оно вызывает известную интерференционную картину. Но тут имеются две весьма специфических особенности лабораторного примера, которые не характеризуют события реального мира. Первая, вещи, с которым мы сталкиваемся в повседневной жизни, больше и более сложны, чем отдельный фотон. Вторая, вещи, с которыми мы сталкиваемся в повседневной жизни, не изолированы: они взаимодействуют с нами и с окружающей средой. Книга, находящаяся сейчас в ваших руках, подвергается контакту с человеком и, более общо, постоянно подергается ударам фотонов и молекул воздуха. Более того, поскольку сама книга сделана из многих молекул и атомов, эти постоянно дрожащие составляющие непрерывно отскакивают друг от друга. То же самое справедливо для стрелок измерительных приборов, для котов, для человеческих мозгов и просто для всего, с чем вы сталкиваетесь в повседневной жизни. На астрофизическом масштабе Земля, Луна, астероиды и другие планеты непрерывно бомбардируются фотонами от Солнца. Даже частичка пыли, плавающая в темноте внешнего пространства подвергается непрерывным толчкам от низкоэнергетических микроволновых фотонов, которые распространились по пространству через короткое время после Большого взрыва. Итак, чтобы понять, что квантовая механика говорит о событиях реального мира, – в противоположность чистым лабораторным экспериментам, – мы должны применить уравнение Шредингера к этим более сложным "грязным" ситуациям.

По существу, тем, что подчеркнул Зей и его работа вместе со многими другими, кто двигался следом, было показано нечто совершенно удивительное. Хотя фотоны и молекулы воздуха слишком малы, чтобы оказывать любой существенный эффект на движение большого объекта вроде книги или кота, они в состоянии сделать кое-что другое. Они непрерывно "подталкивают" волновую функцию большого объекта или, говоря на языке физики, они возмущают ее когерентность: они размазывают ее упорядоченную последовательность пиков, следующих за впадинами, следующими за пиками. Это критично, поскольку упорядоченность волновой функции является центральным свойством для генерирования интерференционных эффектов (см. Рис. 4.2). Итак, почти как добавление маркирующих приборов в эксперимент с двумя щелями размазывает результирующую волновую функцию и поэтому размывает интерференционные эффекты, постоянная бомбардировка объектов составляющими их окружающей среды также размывает возможность интерференционных явлений. С другой стороны, раз уж квантовая интерференция больше невозможна, вероятности, присущие квантовой механике, для всех практических целей точно подобны вероятностям, присущим подбрасываемой монете и вращающейся рулетке. Раз уж декогерентность окружающей среды размазывает волновую функцию, экзотическая природа квантовых вероятностей растворяется в более привычных вероятностях повседневной жизни. Это предполагает разрешение загадки квантового измерения, которое, если осуществится, будет поистине одной из лучших вещей, на которые мы можем надеяться. Я сначала опишу его в наиболее оптимистичном свете, а затем сделаю акцент на том, что все еще требует доработки.

Если волновая функция изолированного электрона показывает, что он имеет, скажем, 50 процентов шансов находиться здесь и 50 процентов шансов находиться там, мы должны интерпретировать эти вероятности, используя полностью отработанное предсказание квантовой механики. Поскольку обе альтернативы могут обнаружиться смешанными и генерировать интерференционную картину, мы должны думать и них как о реальных в равной степени. На неточном языке: имеется ощущение, что электрон находится в обоих положениях. Что случится теперь, если мы измерим положение электрона неизолированными лабораторными инструментами обычного размера? Ну, в соответствии с неопределенностью местонахождения электрона стрелка инструмента имеет 50 процентов шансов указать на эту величину и 50 процентов шансов указать на ту величину. Но вследствие декогерентности стрелка не будет находиться в призрачной смеси, указывая на обе величины; вследствие декогерентности мы можем интерпретировать эти вероятности в обычном, классическом, повседневном смысле. Точно как монета имеет 50 процентов шансов упасть орлом и 50 процентов шансов упасть решкой, но падает или орлом или решкой, стрелка прибора имеет 50 процентов шансов указать на эту величину и 50 процентов шансов указать на ту величину, но она определенно укажет на одну или на другую.

Сходные рассуждения применяются для всех других сложных неизолированных объектов. Если квантовые расчеты показывают, что кот, сидя в закрытом ящике, имеет 50 процентов шансов быть мертвым и 50 процентов шансов быть живым – поскольку имеется 50 процентов шансов, что электрон ударится в механизм мины-ловушки, который подвергнет кота действию ядовитого газа, – то декогерентность означает, что кот не будет пребывать в некотором абсурдном смешанном состоянии и жизни и смерти. Хотя десятилетия жарких дебатов обсуждали проблемы вроде: Что означает для кота быть одновременно мертвым и живым? Как акт открытия ящика и наблюдения кота заставит его выбрать определенное состояние, смерти или жизни? Декогерентность означает, что задолго до того, как вы откроете ящик, окружающая среда уже завершила милиарды наблюдений, что, почти совсем без затрат времени, заменило все мистические квантовые вероятности на их менее мистических классических двойников. Задолго до того, как вы посмотрели внутрь, окружающая среда заставила кота принять одно единственное, определенное состояние. Декогерентность побуждает многие странности квантовой механики "утечь" из больших объектов, поскольку, бит за битом, квантовые странности удаляются прочь многочисленными сталкивающимися частицами из окружающей среды.

Тяжело представить более удовлетворительное решение проблемы квантового измерения. Будучи более реалистичными и отказавшись от упрощающего предположения, которое игнорирует окружающую среду, – упрощение, которое было критически важно, чтобы осуществить прогресс во время ранних разработок теории поля, – мы найдем, что квантовая механика имеет встроенное решение. Человеческое сознание, человеческие экспериментаторы и человеческие наблюдения не играют больше специальной роли, поскольку они (мы!) будут просто элементами окружающей среды, подобными молекулам воздуха и фотонам, которые могут взаимодействовать с данной физической системой. Также больше не будет разрыва в виде этапа один/этапа два между эволюцией объектов и экспериментатором, который их измеряет. Все сущее – наблюдаемое и наблюдатель – находятся на одинаковом основании. Все сущее – наблюдаемое и наблюдатель – подчиняется в точности тем же самым квантовомеханическим законам, как установлено уравнением Шредингера. Акт измерения больше не является специальным; он просто является одним из особых примеров контакта с окружающей средой.

Это оно? Декогерентность разрешила проблему квантового измерения? Декогерентность несет ответственность за волновые функции, закрывая дверь всем, кроме одного, потенциальным исходам, к которым они могут привести? Некоторые так думают. Исследователи вроде Роберта Гриффитса из Карнеги Меллон, Роланда Омнеса из Орси, нобелевского лауреата Мюррея Гелл-Манна из института Санта-Фе, и Джима Хартли из Калифорнийского университета в Санта Барбаре сделали большой прогресс и утверждают, что они разработали декогерентность в полной системе (названной декогерентными историями), которая решает проблему измерения. Другие, вроде меня, заинтригованы, но еще полностью не убеждены. Вы видите, что сила декогерентности в том, что она успешно удаляет искусственный барьер, установленный Бором между большими и малыми физическими системами, делая все сущее подверженным одинаковым квантовомеханическим формулам. Это важный прогресс и, я думаю, Бор нашел бы его удовлетворительным. Хотя нерешенная проблема квантового измерения никогда не мешала способности физиков согласовывать теоретические расчеты с экспериментальными данными, она привела Бора и его коллег к озвучиванию квантовомеханической системы взглядов с некоторыми очевидно неуклюжими свойствами. Многие находят, что система взглядов, нуждающаяся в размытых словах о коллапсе волновой функции или нечетком определении "больших" систем, соответствующих области классической физики, лишена силы. В значительных пределах, приняв во внимание декогерентность, исследователи перевели эти смутные идеи в разряд необязательных.

Однако, ключевая проблема, которую я обошел в обсуждении выше, заключается в том, что даже если декогерентность подавляет квантовую интерференцию и отсюда убеждает причудливые квантовые вероятности быть похожими на их привычных классических двойников, каждый потенциальный результат, воплощенный в волновой функции, все еще соперничает за реализацию. Так что мы все еще остаемся в неведении, какой результат "победит" и куда "уйдут" другие возможности, когда это реально произойдет. Когда подбрасывается монета, классическая физика дает ответ на аналогичный вопрос. Она говорит, что если вы исследуете способ, которым монета отправлена вращаться, с адекватной точностью, вы можете, в принципе, предсказать, упадет она орлом или решкой. При тщательном изучении, таким образом, определяется в точности один результат из деталей, которые вы первоначально наблюдали. То же самое нельзя сказать о квантовой физике. Декогерентность позволяет квантовым вероятностям быть интерпретированными почти как классические, но не обеспечивает всех точных деталей, которые выбирают из множества возможных исходов один для реализации на самом деле. Почти в духе Бора некоторые физики верят, что поиски таких объяснений, как возникает отдельный определенный результат, вводят в заблуждение. Эти физики утверждают, что квантовая механика, дополненная, чтобы включить декогерентность, является жестко сформулированной теорией, чьи предсказания вычисляют поведение лабораторных измерительных приборов. И, в соответствии с этой точкой зрения, это и есть цель науки. Попытки отыскать объяснение, что реально происходит, попытки побороться за понимание, как возник отдельный исход опыта, попытки поохотиться за уровнем реальности вне показаний детектора и распечаток компьютера выдаются за неоправданную интеллектуальную жадность.

Многие другие, включая меня, имеют иной взгляд на вещи. Объяснение данных – это то, чем должна заниматься наука. Но многие физики верят, что наука также должна включать в себя теории, подтверждающие данные и, используя их, идти дальше к добыванию максимального проникновения в природу реальности. Я сильно подозреваю, что изложенный подход сделал большой шаг в направлении полного решения проблемы измерений.

Так что, хотя имеется широкое согласие, что индуцированная окружающей средой декогерентность является важнейшей частью структуры, перебрасывающей мост над пропастью между квантовым и классическим, и хотя многие надеются, что эти рассмотрения однажды приведут к полной и неоспоримой связи между этими двумя областями, далеко не каждый убежден, что мост уже полностью построен.

Квантовая механика и стрела времени

Так где же мы находимся с проблемой измерений и что она означает для стрелы времени? Грубо говоря, имеется два класса предложений для связи здравого смысла с квантовой реальностью. В первом классе (например, волновая функция как знание, многомирье, декогерентность) уравнение Шредингера является сутью и концом всей истории; предложения просто обеспечивают различные способы интерпретации того, что уравнение предлагает для физической реальности. Во втором классе (например, Бом, Жирарди-Римини-Вебер) уравнение Шредингера должно быть дополнено другими уравнениями (в случае Бома уравнением, которое показывает, как волновая функция подталкивает окружающие частицы) или должно быть модифицировано (в случае Жирарди-Римини-Вебера путем включения нового явного механизма коллапса). Ключевой вопрос для определения воздействия на стрелу времени заключается в том, вводят ли эти предложения фундаментальную асимметрию между одним и другим направлением во времени. Вспомним, что уравнение Шредингера, равно как и уравнения Ньютона, Максвелла и Эйнштейна, рассматривают прямое и обратное направления во времени на полностью одинаковых основаниях. Это не обеспечивает направления (стрелы) для темпоральной эволюции. Меняют ли этот факт какие-либо из изложенных предложений?

В первом классе предложений шредингеровская система взглядов совсем не модифицируется, так что темпоральная симметрия сохраняется. Во втором классе темпоральная симметрия может уцелеть, а может и не уцелеть в зависимости от деталей. Например, подход Бома, предложившего новое уравнение, трактует будущее время и прошлое время на равных основаниях, так что не вводит асимметрии. Однако предложение Жирарди-Римини-Вебера вводит механизм коллапса, который имеет выделенное направление во времени – "расколлапсирование" волновой функции, которая двигается из пикообразной формы к распределенной форме, не соответствует модифицированным уравнениям. Так что, в зависимости от предложения, квантовая механика вместе с разрешением загадки квантового измерения может или не может продолжать рассматривать каждое направление времени одинаково. Рассмотрим последствия каждой возможности.

Если симметрия времени сохраняется (как, я полагаю, и будет) все обоснования и все заключения последней главы могут быть проведены с минимальными изменениями и для квантовой области. Суть физики, которая инициировала наше обсуждение стрелы времени, заключалась в симметрии классической физики по отношению к обращению времени. В то время, как основной язык и система квантовой физики отличается от классической физики, – волновые функции вместо положений и скоростей; уравнение Шредингера вместо законов Ньютона, – симметрия по отношению к обращению времени всех квантовых уравнений обеспечивает, что трактовка стрелы времени будет неизменной. Энтропия в квантовом мире может быть определена почти также, как в классической физике при условии, что мы описываем частицы в терминах их волновых функций. И заключение, что энтропия должна всегда быть на подъеме, - возрастая как в направлении, которое мы называем будущим, так и в направлении, которое мы называем прошлым, – все еще будет держаться.

Так что мы приходим к той же головоломке, с которой мы столкнулись в Главе 6. Если мы принимаем наши наблюдения мира прямо сейчас как данные, как неопровержимые, и если энтропия должна возрастать как по направлению в будущее, так и по направлению в прошлое, как мы можем объяснить, что мир имеет вид, который он имеет, и как он будет последовательно разворачиваться во времени? И будут присутствовать те же две возможности: или все, что мы видим, неожиданно появилось в результате статистической флуктуации, наступление которой вы будете ожидать время от времени в вечной вселенной, которая растрачивает впустую подавляюще большую часть своего времени, будучи полностью разупорядоченной, или по некоторым причинам энтропия была поразительно низкой сразу после Большого взрыва и последние 14 миллиардов лет вещи медленно разворачивались и будут продолжать делать также и в будущем. Как и в Главе 6, чтобы избежать затруднений неверной памяти, записей и законов физики, мы сосредоточиваемся на второй альтернативе – низкоэнтропийном взрыве – и пытаемся объяснить, как и почему вещи начались в таком специальном состоянии.

Если, с другой стороны, симметрия времени потеряна, – если разрешение проблемы измерения, которое однажды станет общепризнанным, показывает фундаментально асимметричное рассмотрение будущего по отношению к прошлому в рамках квантовой механики, – это может очень хорошо обеспечить наиболее прямое объяснение стрелы времени. Может оказаться, например, что яйца разбиваются, но не соединяются обратно, потому что в отличие от того, что мы находили с использованием законов классической физики, существует решение полных квантовомеханических уравнений для разбивающегося яйца, а для собирающегося обратно нет. Обратный просмотр фильма о разбивающемся яйце тогда изобразит движение, которое не может произойти в реальном мире, что объясняет, почему мы никогда не видим его. И это должно быть так.

Возможно. Но даже если это, кажется, обеспечивает существенно иное объяснение стреле времени, в реальности оно может не быть настолько иным, как это кажется. Как мы подчеркивали в Главе 6, чтобы страницы Войны и Мира становились все более разупорядоченными, они должны сначала быть упорядоченными; для яйца чтобы стать неупорядоченным через разбивание, оно должно быть сначала упорядоченным, неиспорченным яйцом; для энтропии, чтобы возрастать по направлению в будущее, энтропия должна быть низкой в прошлом, так что вещи должны иметь потенциал, чтобы становиться неупорядоченными. Однако именно потому, что закон трактует прошлое и будущее различным образом, нет гарантии, что закон предписывает прошлому низкую энтропию. Закон может все еще подразумевать более высокую энтропию по направлению в прошлое (возможно, энтропия будет расти по направлению в прошлое и в будущее асимметрично), и даже возможно, что асимметричный во времени закон будет совсем неспособен сказать что-либо о прошлом. Последнее верно для предложения Жирарди-Римини-Вебера, одного из исключительных, асимметричных во времени предложений на рынке. Раз уж их механизм коллапса удался, нет способа отменить его – нет способа стартовать от коллапсировавшей волновой функции и эволюционировать к ее первоначальной распределенной форме. Детализированная форма волновой функции теряется в коллапсе, – она превращается в пик, – так что невозможно "восстановить", на что вещи были похожи в любой момент времени до того, как коллапс произошел.

Таким образом, даже если асимметричный во времени закон мог бы обеспечить частичное объяснение того, почему вещи разворачиваются в одном темпоральном порядке и никогда в обратном порядке, он должен был бы очень хорошо предусмотреть то же ключевое добавление, требуемое для симметричных во времени законов: объяснение того, почему энтропия была низкой в удаленном прошлом. Определенно, это верно для асимметричных во времени модификаций квантовой механики, которые были предложены до настоящего времени. Итак, исключая вариант, что возможные будущие открытия раскроют две особенности, которые одновременно я рассматриваю как маловероятные, – асимметричное во времени решение проблемы квантовых измерений, которое, дополнительно, гарантирует, что энтропия уменьшается по направлению в прошлое, – наши усилия объяснить стрелу времени привели нас еще раз назад к происхождению вселенной, теме следующей части книги.

Как прояснят эти главы, путь космологических рассмотрений идет через многие тайны к сердцу пространства, времени и материи. Так что в путешествии по направлению к современным космологическим взглядам на стрелу времени будет правильно не нестись через пейзаж, а скорее совершить обстоятельную прогулку через космическую историю.