Глава 19

Много ли мы знаем

Когда мне было двенадцать, я увлекался парапсихологией. А кто не увлекался? Такая заманчивая идея — уметь притягивать предметы силой мысли и перемещать их, читать мысли других людей, предсказывать будущее — и всё это только силой разума.

Я прочёл всё, что смог найти об экстрасенсорном восприятии, телекинезе, ясновидении, прекогниции, — изучил целый спектр ментальных способностей, выходивших за рамки обыденного. Ещё мне очень нравились комиксы, где все герои обладали сверхспособностями, нравилась научная фантастика и фэнтези, не говоря уже об откровенно «научных» свидетельствах, которые, казалось бы, подтверждали наличие паранормальных способностей у человека. Я хотел проникнуть в эту тайну, понять, как на самом деле всё это может работать. Такие идеи казались головоломными, тем более если допустить, что предметы действительно можно ломать одной силой мысли.

Кроме того, у меня была научная жилка. Поэтому я неизбежно пришёл к очевидной идее: решил ставить собственные эксперименты.

У нас дома на цокольном этаже была подсобка. Я любил там закрываться, когда вся семья занималась какими-то другими делами (да, я не сказал, что был на редкость храбрым юным учёным). Начал я свои эксперименты с совсем маленьких предметов — я аккуратно раскладывал на ровной столешнице игральные кости и монеты. Затем просто... думал о них. Я сосредотачивался изо всех сил, пытаясь сдвинуть с места безделушки одной лишь силой мысли. К сожалению, ничего не выходило. Тогда я упростил себе задачу: стал упражняться с крошечными клочками бумаги, сдвинуть которые силой мысли, казалось бы, должно было быть легче. В итоге пришлось признать: может быть, кто-то и способен двигать предметы таким образом, но я оказался не из их числа.

Как нередко случается при постановке экспериментов, этот опыт был подготовлен не слишком тщательно. Но мне его результаты тогда показались убедительными: я забросил идею телекинеза и стал очень скептически относиться ко всем, кто заявлял, что обладает такой силой. Однако забористые идеи меня по-прежнему восхищали, я так желал проникнуть в глубокие тайны. Мне по-прежнему хотелось, чтобы предметы на самом деле можно было двигать силой мысли. Как бы это было полезно, а уж как увлекательно с научной точки зрения!

* * *

Для того чтобы оценить, возможны ли парапсихологические или паранормальные явления, была проведена масса исследований, гораздо более профессиональных, чем мои. Дж. Б. Райн, профессор университета Дюка, известен большой серией экспериментов, по результатам которых он заключил, что парапсихологические способности реальны. Его исследования были крайне неоднозначны; многочисленные попытки воспроизвести его опыты ничем не увенчались, Райна критиковали за то, что протоколы его экспериментов были составлены небрежно и позволяли испытуемым жульничать. Сегодня в большинстве академических учреждений парапсихология не воспринимается всерьёз. Фокусник и скептик Джеймс Рэнди предлагал миллион долларов любому, кто сможет продемонстрировать такие способности в контролируемых условиях; многие пытались побороться за этот приз, но пока никому не удалось его получить.

И не удастся. Парапсихологические силы — определяемые как ментальные способности, позволяющие человеку наблюдать мир или воздействовать на него иначе, нежели обычными физическими средствами, — не существуют. Это можно утверждать с уверенностью, даже не вдаваясь в те или иные неоднозначности, связанные с конкретными академическими исследованиями.

Причина проста: того, что мы знаем о законах физики, достаточно, чтобы исключить существование истинно парапсихологических способностей.

Это очень серьёзное заявление, причём изрядно опасное: на свалке истории полно учёных, преувеличивавших свои знания либо утверждавших, что они вот-вот узнают практически всё:

Мы, вероятно, приближаемся к пределу всего, что можно знать об астрономии.

Саймон Ньюкомб, 1888

Все самые важные фундаментальные законы и факты физической науки уже открыты.

Альберт Майкельсон, 1894

Физике, какой мы её знаем, через шесть месяцев придёт конец.

Макс Борн, 1927

Существует пятидесятипроцентная вероятность, что «к концу века мы найдём полную и единую теорию всего».

Стивен Хокинг, 1980

Моё утверждение не из таких (да, так все говорят, но в данном случае это и вправду так). Я не говорю, что мы знаем всё или что даже близки к этому. Я заявляю, что нам известно кое-что, и этого достаточно, чтобы исключить некоторые явления, в частности сгибание чайных ложек силой мысли. Мы можем уверенно это утверждать, поскольку опираемся на совершенно конкретную структуру физических законов. Современная физика не только сообщает нам об истинности некоторых явлений, но и обладает «встроенным аппаратом», позволяющим обозначить границы наших знаний, за которыми наши теории перестают быть надёжными. Чтобы разобраться, как это работает, в данном разделе мы подробно поговорим о законах, согласно которым, по данным современной физики, устроена наша Вселенная.

* * *

Тогда, в двенадцать лет, я в самом деле не был безнадёжным оптимистом — учитывая, какими знаниями я в то время обладал. Идея о том, что наш мозг может действовать на расстоянии, наблюдая окружающий мир или воздействуя на него, кажется совершенно правдоподобной. Мы каждый день видим, как одни предметы воздействуют на другие предметы, удалённые от них. Я беру пульт, нажимаю несколько кнопок — телевизор оживает и переключает канал. Я беру телефонную трубку и вдруг начинаю говорить с кем-то, хотя между мной и собеседником тысячи километров. Очевидно, что благодаря технике невидимые силы могут преодолевать огромные расстояния — а что, благодаря разуму не могут?

Человеческий разум — таинственная вещь. Нельзя сказать, что мы о нём ничего не знаем; мудрецы размышляли об устройстве разума тысячи лет, а современная нейрофизиология и психология значительно расширили наши знания по этому вопросу. Тем не менее следует признать, что пока здесь больше туманных вопросов, чем установленных фактов. Что такое сознание? Что происходит, когда мы видим сны? Как мы принимаем решения? Как запоминаем? Как эмоции и чувства соотносятся с рациональным мышлением? Откуда берутся такие переживания, как благоговение и трансценденция?

Так почему же не парапсихология? Нужно проявлять здоровый скептицизм и путём тщательных опытов постараться определить, выдерживает ли какое-либо конкретное заявление проверку на практике. Выдавать желаемое за действительное — мощный соблазн, и предаваться ему не следует. Однако важно честно признавать, что мы знаем и чего не знаем. На первый взгляд, чтение мыслей или сгибание ложек — не более безумная вещь, чем разговор по телефону, и, пожалуй, менее безумная, чем многие достижения современных технологий.

Существует настоящая пропасть между признанием того, что мы не всё знаем о принципах работы мозга, и тем, что мы помним о том, что всё в нём происходящее должно согласовываться с законами природы. Есть вещи, которых мы не понимаем, — например, как лечить обычную простуду. Тем не менее нет никаких причин полагать, что вирусы, вызывающие заболевание, — это не просто конкретные атомные структуры, подчиняющиеся законам физики частиц. Такие знания позволяют нам ограничить круг того, на что способны эти вирусы. Так, они не могут телепортировать личность из одного тела в другое, не могут спонтанно превращаться в антивещество и взрываться. Законы физики ничего не говорят нам о том, что мы хотели бы знать о «работе» этих вирусов, но, несомненно, кое-что нам сообщают.

Эти законы свидетельствуют о том, что человек не может видеть сквозь стены или пожелать — и взлететь. Все феномены, которые вы когда-либо в жизни видели или ощущали, — предметы, растения, животные, люди — состоят из ограниченного набора частиц, которые взаимодействуют друг с другом благодаря немногочисленным силам. Сами по себе эти частицы и взаимодействия не в силах порождать психические феномены, которые так увлекали меня в двенадцать лет. Ещё важнее, что уже не осталось неоткрытых «новых» частиц и взаимодействий, которые могли бы их поддерживать, — не просто потому, что мы их пока не обнаружили, но потому, что они бы уже точно были найдены, если бы обладали подходящими свойствами для обеспечения таких способностей. Мы знаем достаточно много, для того чтобы уверенно очертить границы возможного.

* * *

Мы никогда не узнаем чего-либо об эмпирическом мире с абсолютной определённостью. Всегда нужно быть готовым изменить теорию с учётом новой информации.

Тем не менее можно — в духе покойного Витгенштейна — быть достаточно уверенными в некоторых вопросах, которые мы считаем фактически решёнными. Возможно, что завтра в полдень знак у силы притяжения переменится и мы все улетим с Земли в космос. Это возможно — мы ведь не можем доказать, что такого произойти не может. А если появятся удивительные новые данные или неожиданные теоретические находки, которые потребуют всерьёз рассмотреть такую возможность, то именно это мы и должны будем сделать. Но пока об этом можно не беспокоиться.

Парапсихология — похожий случай. Нет ничего страшного в том, чтобы ставить скрупулёзные лабораторные эксперименты, пытаясь найти людей, которые способны читать мысли или передвигать предметы путём телекинеза. Однако, в сущности, это бессмысленно, так как мы убеждены в нереальности таких способностей — точно так же, как и в том, что завтра знак силы притяжения не изменится.

Дэвид Юм в трактате «Исследование о человеческом разумении» размышлял о том, как следует относиться к рассказам о чудесных явлениях, характеризуемых как «нарушение законов природы». Его ответ был байесовским по духу: он был готов счесть такое заявление истинным, лишь если не поверить в него было бы сложнее, чем поверить. Таким образом, доказательства должны быть столь бесспорными, что отрицать их можно было бы лишь с большим трудом и проще было бы признать, что те законы, которые, на наш взгляд, управляют миром, действительно были нарушены. То же касается парапсихологических явлений: пока доказательства в их пользу не столь убедительны, как в пользу законов физики (действительно, так и есть), наша субъективная вероятность существования таких способностей должна быть крайне низкой.

Всё это никоим образом не означает, что наука «завершена» и что в мире не осталось вещей, которых мы пока не понимаем. Любая из имеющихся у нас научных теорий — это способ рассуждения о мире, одна конкретная история, применимая в своей сфере. Ньютоновская механика отлично описывает движение бейсбольных мячей и космических кораблей, но на атомном уровне она отказывает, и ей на смену приходит квантовая механика. Тем не менее мы продолжаем пользоваться ньютоновской механикой там, где она работает. Мы преподаём её студентам и используем при подготовке старта космических кораблей на Луну. Она «верна», пока используется в своей области применения. Ни одно потенциальное открытие не заставит нас внезапно усомниться в корректности ньютоновской механики в этих рамках.

В настоящее время у нас есть конкретная теория частиц и взаимодействий — Базовая теория, которая представляется бесспорно точной в очень широкой области применения. Она описывает всё, что происходит с вами и со мной, а также всё то, что вы прямо сейчас видите вокруг. Она и впредь останется столь же точной. Спустя тысячи и миллионы лет, какие бы удивительные открытия ни были совершены в науке, наши далёкие потомки не скажут: «Ха-ха, эти глупые учёные из XXI века верили в какие-то “нейтроны” и “электромагнетизм”». Надеюсь, что к тому времени мы разработаем более качественные и глубокие концепции, но те концепции, которыми мы пользуемся сейчас, так и останутся верны в своей области применения.

И этих концепций — положений Базовой теории и аппарата квантовой теории поля, на которой она основана, — достаточно, чтобы убедить нас в отсутствии парапсихологических способностей.

Многие люди по-прежнему верят в парапсихологические феномены, но в среде серьёзных учёных и мыслителей они в основном отвергаются. В принципе такие же тенденции прослеживаются и в других случаях, когда мы пытаемся увязать человеческую природу с какими-то сверхъестественными свойствами. Положение Венеры на небе в день вашего рождения никак не влияет на ваши амурные перспективы. Сознание порождается суммой взаимодействий частиц и сил, а не является неотъемлемым свойством мира. Не существует нематериальной души, которая могла бы жить после смерти тела. Смерть — это конец каждого из нас.

Мы — часть мира. Осознавать, как устроен мир и какие ограничения он на нас накладывает, — важный путь к пониманию нашего места в общей структуре реальности.

 

Глава 20

Квантовая сфера

Историю науки иногда рассказывают — ради драматизма, а не ради научной точности — как историю революций. Была коперниковская революция в астрономии, дарвиновская эволюция в биологии. Физика пережила две революции, потрясшие самые основы этой науки: возникновение ньютоновской механики, описывающей классический мир, и появление квантовой механики.

Рассказывают, что, когда китайского премьер-министра Чжоу Эньлая в 1972 году спросили, что он думает о влиянии Французской революции, тот ответил: «Пока ещё рано об этом говорить». Звучит слишком красиво, чтобы быть правдой, и здесь действительно вышло недоразумение. Позже переводчик признал, что, учитывая формулировку вопроса, Чжоу явно имел в виду студенческие волнения 1968 года, а не революцию 1789 года.

С другой стороны, если бы таким образом рассуждали о квантовой революции в 1920-е годы, то сарказм был бы совершенно оправдан. В 1965 году физик Ричард Фейнман сказал: «Я думаю, что смело могу утверждать: квантовую механику не понимает никто», и это высказывание не менее справедливо сегодня. Для теории, которая с беспрецедентным эмпирическим успехом прогнозирует и учитывает результаты высокоточных экспериментов, сохраняется обескураживающая истина: физики не вполне осознают, что же в самом деле представляет собой эта теория. Как минимум, если некоторые люди и знают, что это за теория, то их взгляды не пользуются широким признанием среди коллег.

Однако не стоит преувеличивать таинственность квантовой механики просто ради красного словца. Мы понимаем массу всего об этой теории — иначе просто не могли бы делать такие прогнозы, которые уже были проверены с поразительной точностью. Задайте высококлассному физику грамотно сформулированный вопрос о том, что квантовая механика говорит об определённой ситуации, — и он предоставит вам абсолютно верный ответ. Но сущность теории, её итоговая корректная формулировка и окончательная онтология по-прежнему остаются очень спорными вопросами.

Это неприятно, поскольку от непонимания до искажения один шаг. Ни одна теория в истории науки так не перевиралась и не подвергалась таким злоупотреблениям со стороны сумасбродов и шарлатанов, ускользая при этом от тех людей, которые добросовестно пытались разобраться со сложными идеями. Мы должны максимально чётко представлять, что говорит и чего не говорит эта теория, поскольку она — это глубочайшая и наиболее фундаментальная картина мира, имеющаяся у нас. Квантовая механика непосредственно связана со многими проблемами, с которыми приходится сталкиваться, пытаясь осмыслить человеческое бытие в мире: детерминизмом, причинно-следственными связями, свободной волей, происхождением самой Вселенной.

* * *

Начнём с той части квантовой механики, которая не вызывает споров: что мы видим, когда наблюдаем систему.

Возьмём атом водорода. Это простейший из существующих атомов: его ядро состоит всего из одного протона, с которым связан единственный электрон. Визуализируя эту картину, мы обычно представляем, как будто электрон вращается вокруг протона примерно так же, как планеты в Солнечной системе вращаются вокруг Солнца. Такую модель атома предложил Резерфорд.

Эта модель неверна, и вот почему. Электроны имеют электрический заряд — таким образом, они взаимодействуют с электрическим и магнитным полями. Если встряхнуть электрон, он испускает электромагнитные волны — это основной источник того света, который вы видите каждый день, независимо от того, исходит он от Солнца или лампы накаливания. Какие-то электроны нагрелись, из-за этого стали колебаться и потратили избыток энергии, испустив её в виде света. В нашем атоме водорода этот вращающийся электрон несёт определённое количество энергии, зависящее от того, как электрон расположен относительно протона. Чем ближе электрон к протону, тем меньше у него энергии. Поэтому такой электрон, который расположен далеко от протона, но по-прежнему связан с ним, обладает относительно высокой энергией. Он «встряхивается» уже потому, что вращается вокруг протона. Следовательно, логично предположить, что электрон будет испускать свет, терять энергию и в ходе этого по спирали сдвигаться всё ближе и ближе к протону. (Ожидается, что то же самое должно происходить с планетами, вращающимися вокруг Солнца и теряющими энергию в виде гравитационного излучения, но гравитация — настолько слабое взаимодействие, что её эффект оказывается пренебрежимо малым.)

Когда этот процесс должен подойти к концу? В ньютоновском мире ответ прост: когда электрон окажется на поверхности протона. Все электроны, вращающиеся вокруг ядер во всех атомах, должны очень быстро опуститься по спирали к ядрам, и каждый атом во Вселенной должен схлопнуться до размеров ядра менее чем за миллиардную часть секунды. В таком случае не было бы никаких молекул, ни химии, ни столов, ни людей, ни планет.

Это было бы плохо. Но в реальном мире такого не происходит.

Для того чтобы понять, что происходит на самом деле, нужно рассмотреть случаи, когда электрон в атоме водорода действительно теряет энергию, испуская электромагнитную волну. Собрав излучённый свет, вы сразу же заметите кое-что занятное: оказывается, вы видите лишь определённые дискретные волны, имеющие конкретные значения длины. Согласно ньютоновской механике, вы должны видеть сразу все волны с любыми мыслимыми длинами. Однако мы наблюдаем, что при каждом переходе испускаются лишь определённые волны с «допустимыми» значениями длины.

Таким образом, электрон в атоме не может вращаться по произвольной орбите. Он может двигаться лишь по строго определённым орбитам, каждой из которых соответствует свой энергетический уровень. Мы наблюдаем в излучаемом свете только определённые волны именно потому, что электроны не спускаются к ядру по плавной «спирали», а спонтанно перепрыгивают с одной орбиты на другую, испуская пучок света, соответствующий энергетической разнице между этими орбитами. Электрон совершает «квантовые скачки».

* * *

Ладно. Электроны не вращаются вокруг атомного ядра подобно планетам, как это происходило бы по законам классической механики. По какой-то причине они держатся на конкретных орбитах, имеющих фиксированные энергетические уровни. Кажется, что это исключительно важный факт, явно не совместимый с ньютоновской картиной мира, глубоко укоренившейся в структуре физики. Однако данные должны всегда превалировать над ожиданиями: если требуется вообразить электроны, движущиеся по фиксированным орбитам, чтобы объяснить стабильность столов и прочих объектов, состоящих из атомов, — давайте так это и представим.

Следующий вопрос: что заставляет электрон перепрыгивать с одной допустимой орбиты на другую? Когда это происходит? Как электрон узнаёт, что пришло время прыгать? Содержит ли состояние электрона какую-либо информацию, кроме того, на какой орбите он находится?

Для того чтобы ответить на эти вопросы, понадобились немалый гений и масса упорного труда. Физикам пришлось отказаться от так называемого состояния физической системы — полного описания той ситуации, в которой она сейчас находится, — и заменить эту категорию чем-то совершенно другим. Хуже того, пришлось переизобретать даже такую идею, которая казалась совершенно очевидной: речь о концепции измерения или наблюдения.

Все мы думали, что знаем значения этих терминов, но классическая механика не связывает с ними ничего особенного. Можно измерить любые свойства системы с той точностью, которая нас интересует, — как минимум, в принципе. В квантовой механике всё иначе. Во-первых, в ходе конкретного эксперимента мы можем измерить лишь некоторые вещи. Так, например, мы можем определить либо положение частицы, либо её скорость, но не можем определить её положение и скорость одновременно. Выполняя такие измерения, мы можем получить лишь определённые результаты в зависимости от физических условий. Например, когда мы определяем положение электрона, он может быть где угодно; но если мы измерим энергию электрона, когда он вращается вокруг ядра, то можем получить лишь некоторые дискретные значения. (Именно так появилось слово «квантовый», поскольку на заре этой дисциплины физики крайне интересовались тем, как электроны ведут себя в атомах; но не у всех показателей, доступных для наблюдения, возможны лишь дискретные значения, поэтому такое название несколько неудачно.)

В классической механике, если вы знаете состояние системы, то можно с уверенностью спрогнозировать, каков будет результат любого измерения. В квантовой механике состояние системы является суперпозицией всех возможных результатов измерений и эта сумма называется «волновой функцией» системы. Волновая функция — это комбинация всех результатов, которые вы можете получить при наблюдении, но «вес» каждой из возможностей различается. Например, состояние электрона в атоме будет суперпозицией всех допустимых орбит с фиксированными энергиями. Суперпозиция, представляющая собой заданное квантовое состояние, может значительно тяготеть к одному конкретному результату: электрон можно практически безошибочно локализовать на орбите с определённым энергетическим уровнем. Однако, в принципе, квантовое состояние может включать любой возможный результат измерения.

Квантовая механика радикально отличается от классической, так как результаты экспериментов в ней не поддаются точному прогнозированию, даже если мы досконально знаем состояние системы. Квантовая механика сообщает нам, с какой вероятностью при наблюдении системы с заданной волновой функцией мы получим каждый отдельно взятый результат. Абсолютная точность прогнозирования недостижима не потому, что мы чего-то не знаем о системе; просто это максимум, что позволяет нам квантовая механика.

Квантовая вероятность весьма отличается от обычной, классической неопределённости. Вновь вспомним о покере. По окончании конкретной раздачи ваш соперник делает большую ставку и вам нужно решить, побьёт ли ваша комбинация его карты. Вы не знаете, какие карты у него на руках, но знаете возможные варианты: у него может не быть ничего, может быть пара, тройка и т. д. Учитывая его поведение в данной партии, а также вероятность того, какие карты он мог получить при раздаче, вы можете поступить как правильный байесовец и присвоить различные вероятности тому, какие комбинации могли у него сложиться. Квантовые состояния чем-то напоминают такой покер, но с одним ключевым отличием. В покере (классическом) вы не знаете, какие карты у соперника, но карты у него конкретные. Говоря о том, что квантовое состояние является суперпозицией, мы не имеем в виду: «Оно может соответствовать любой из различных возможностей, но мы не уверены, какой». Мы имеем в виду: «Это взвешенная комбинация, одновременно объединяющая все эти возможности». Если бы вам каким-то образом удалось сыграть в «квантовый покер», то у вашего соперника действительно была бы комбинация, одновременно объединяющая все варианты раздачи, и число вариантов сократилось бы до единственного лишь в тот момент, когда он открыл бы перед вами свои карты.

Если от всего этого у вас болит голова — то вы не один такой. Потребовалось немало времени, чтобы собрать квантовую механику в единое целое, и мы по-прежнему спорим о том, какой у всего этого смысл.

* * *

Предположим, на столе лежит бильярдный шар. В обычной ситуации вы могли бы подумать, что этот шар обладает определённым «местоположением». В квантовой механике — ничего подобного. Если вы смотрите на шар, чтобы узнать его положение, то действительно видите его в том или ином месте. Но когда вы на него не смотрите, никакого местоположения у шара нет; он имеет волновую функцию, являющуюся суперпозицией всех точек, в которых может находиться шар. В каком-то смысле эту ситуацию можно сравнить с обычной волной, поднимающейся над столом: на гребне волны у нас максимальные шансы увидеть шар именно в том месте, куда мы смотрим. Если бы вы могли заранее узнать, какова будет волновая функция, то могли бы спрогнозировать вероятность, с которой шар может оказаться в том или ином месте. В случае с макроскопическими объектами из нашей реальности — такими, как бильярдные шары, — волновая функция обычно имеет ярко выраженное пиковое значение в одной конкретной точке стола. По мере того как эта «наиболее вероятная» позиция изменяется с течением времени, она подчиняется законам классической механики — точно так, как полагали бы в этом случае Ньютон и Лаплас. Однако существует вероятность того, что, посмотрев на шар, вы заметите его где-то в другом месте.

Ситуация, мягко говоря, неудовлетворительная. Квантовая механика — по крайней мере в том виде, как её преподают старшекурсникам, слушающим первый курс физики в колледже, — говорит, что существуют два принципиально разных варианта, в соответствии с которыми состояние системы может изменяться во времени.

Первый вариант изменения происходит, когда мы не наблюдаем за системой. В таком случае изменение состояния описывается уравнением, которому подчиняется волновая функция, — оно называется уравнением Шрёдингера в честь австрийского физика Эрвина Шрёдингера, который позже прославился своими мысленными экспериментами по истязанию котов. (Хотелось бы подчеркнуть, что ни один кот при этом не пострадал.) В самом общем виде оно выглядит так:

iħ∂t |Ψ⟩ = Ĥ|Ψ⟩.

По-своему оно достаточно красиво. Символом |Ψ⟩ обозначено квантовое состояние. В левой части уравнения мы задаём вопрос: «Как состояние изменяется с течением времени?». Справа получаем ответ, производя над этим состоянием определённую операцию. Уравнение перекликается со знаменитым ньютоновским «сила равна массе, умноженной на ускорение», где силы определяют, как система изменяется с течением времени.

Развитие ситуации в соответствии с уравнением Шрёдингера очень напоминает изменение состояния в классической механике. Это гладкое, обратимое и полностью детерминированное развитие; демон Лапласа без всяких проблем мог бы предсказать, каково было бы это состояние в прошлом и будущем. Если бы это и была вся история, то квантовая механика не вызывала бы никаких проблем.

Однако, как пишут в учебниках, квантовое состояние может изменяться и совершенно иным образом — когда за системой наблюдают. В таком случае, говорим мы студентам, волновая функция «схлопывается», и мы получаем конкретный результат измерения. Коллапс внезапен, а развитие в этом случае недетерминированно: зная исходное состояние, вы не сможете в точности спрогнозировать конечное состояние. У вас будут только вероятности.

Несмотря на вероятностную природу квантовомеханических прогнозов, они бывают необычайно точными. Так, можно измерить силу электромагнитного взаимодействия в одном эксперименте — например, узнать, какова будет отдача атома, когда он испустит фотон. Затем результат этого измерения можно использовать, чтобы спрогнозировать исход другого эксперимента — например, описать прецессию быстрых электронов в магнитном поле. Наконец, мы можем сравнить этот прогноз с фактическим результатом наблюдения. Степень соответствия результатов с прогнозами просто ошеломительна:

Наблюдение/Прогноз = 1,000000002.

Наблюдаемые и прогнозируемые результаты не вполне тождественны, но это связано с погрешностями при экспериментах и с теоретическим приближением. Тем не менее урок понятен: квантовая механика — это не какая-то расплывчатая или корявая система. Она неумолимо конкретна и строга.

 

Глава 21

Интерпретация квантовой механики

Во всей квантовой механике нас наиболее беспокоит тот факт, что в этой теории вообще появляется слово «наблюдатель».

Как бы то ни было, что есть «наблюдение» и «наблюдатель»? Считается ли «наблюдателем» микроскоп, либо микроскоп считается только при условии, что в него смотрит человек, обладающий сознанием? А как насчёт белки? А видеокамеры? Что, если я лишь мельком взгляну на предмет, но не буду внимательно его рассматривать? В какой именно момент происходит «коллапс волновой функции»? (Чтобы вас не томить, сразу упомяну, что почти никто из современных физиков не думает, что «сознание» хоть каким-то образом связано с квантовой механикой. Есть немногочисленные диссиденты, которые действительно так считают, но это крошечное меньшинство, несопоставимое с «мейнстримом».)

Все эти проблемы вместе известны как квантовомеханическая проблема измерения. Физики уже несколько десятилетий ломают над ней голову, но пока так и не пришли к общему мнению о том, как к ней подступиться.

Идеи есть. Один вариант — предположить, что, хотя волновая функция и играет важную роль в прогнозировании результатов экспериментов, на самом деле она не отражает физической реальности. Может быть, наряду с волновой функцией существует более глубокий уровень описания мира, в контексте которого такое развитие в принципе будет совершенно предсказуемым. Такая возможность иногда именуется подходом со «скрытыми параметрами», поскольку предполагает, что наилучший способ описания состояний квантовой системы пока ещё не открыт. Если такая теория верна, то она должна быть нелокальной — элементы системы должны непосредственно взаимодействовать с элементами, находящимися в других точках пространства.

Ещё более радикальный подход — просто отрицать существование базовой реальности. Такой метод в квантовой механике называется антиреалистическим, поскольку в нём теория считается всего лишь учётным инструментом для прогнозирования результатов будущих экспериментов. Если спросить антиреалиста, какой аспект нашей Вселенной описывают эти знания, он ответит, что такой вопрос не имеет смысла. Он считает, что нет никакой базовой «материи», которую описывала бы квантовая механика; мы можем говорить только о результатах измерений при экспериментах.

Антиреализм на первый взгляд слишком драматичный шаг. Однако именно за антиреализм, по-видимому, выступал столь авторитетный человек, как Нильс Бор, дедушка квантовой механики. Писали, что он придерживался таких взглядов: «Квантового мира не существует. Есть только абстрактное физическое описание. Неверно полагать, что задача физики — выяснить, какова природа на самом деле. Физика занимается тем, что мы можем сказать о природе».

Вероятно, наибольшая проблема антиреализма заключается в том, что сложно себе представить, как можно придерживаться такой позиции, не впадая в противоречия. Одно дело — сказать, что мы не полностью понимаем природу; другое дело — утверждать, что никакой природы вообще не существует. Кроме того, а кто именно это утверждает? Даже Бор в вышеприведённой цитате упоминает о том, что мы «можем сказать о природе». Вероятно, он подразумевал, что нечто под названием «природа» существует, раз мы можем о ней говорить.

* * *

К счастью, этим наши варианты не исчерпываются. Простейшая возможность заключается в том, что квантовая волновая функция вообще не является ни «инструментом учёта», ни одним из разнообразных квантовых параметров; волновая функция просто непосредственно отражает реальность. В то время как Ньютон или Лаплас могли представлять себе мир как совокупность положений и скоростей частиц, современный квантовый теоретик может считать мир волновой функцией. И всё, точка.

Сложность, связанная с таким грубым вариантом безыскусного квантового реализма, заключается в проблеме измерения. Если всё на свете — просто волновая функция, то из-за чего состояния «схлопываются» и почему акт наблюдения так важен?

В 1950-е годы одно решение описал молодой физик по имени Хью Эверетт III. Он предположил, что существует всего один вариант квантовой онтологии — волновая функция — и единственный путь её развития — в соответствии с уравнением Шрёдингера. Не существует никакого «схлопывания», никакого фундаментального разделения между системой и наблюдателем, наблюдение вообще не играет никакой особой роли. Эверетт провозгласил, что квантовая механика замечательно согласуется с детерминистским лапласовским представлением о мире.

Тем не менее если это так, то почему нам кажется, что волновые функции «схлопываются» при наблюдении? Сейчас говорят, что этот фокус связан с особым свойством квантовой механики, так называемой запутанностью.

Классическая механика позволяет считать, что каждый отдельный элемент мира обладает своим собственным состоянием. Земля вращается вокруг Солнца строго по своей орбите с определённой скоростью, а у Марса и орбита, и скорость другие. Квантовая механика всё описывает иначе. Не существует отдельных волновых функций для Земли, для Марса и для всех остальных объектов в пространстве. Есть всего одна волновая функция, охватывающая сразу всю Вселенную, — без ложной скромности мы именуем её «волновой функцией Вселенной».

Волновая функция — это просто числовое значение, которое мы присваиваем любому возможному результату измерения, такому как положение частицы. Это число сообщает, с какой вероятностью мы можем получить такой результат измерения. Вероятность получается путём возведения волновой функции в квадрат; это знаменитое правило Борна, названное в честь знаменитого немецкого физика Макса Борна. Итак, волновая функция Вселенной позволяет присвоить числовое значение любому возможному варианту распределения объектов в пространстве. Одно число соответствует «Земля здесь, Марс там», другое «Земля уже вот здесь, а Марс ещё в каком-то месте».

Таким образом, состояние Земли может быть запутано с состоянием Марса. В случае с макроскопическими объектами, такими как планеты, такая возможность не может быть продемонстрирована, но с крошечными элементарными частицами запутанность случается постоянно. Допустим, у нас есть две частицы — Алиса и Боб, каждая из которых может вращаться либо по часовой стрелке, либо против часовой стрелки. Волновая функция Вселенной позволяет присвоить 50-процентную вероятность тому, что Алиса будет вращаться по часовой стрелке, а Боб — против часовой, и также 50-процентную вероятность тому, что Алиса станет вращаться против часовой стрелки, а Боб — по часовой. Мы не представляем, какой результат получим, измерив спин любой из частиц, но знаем, что как только измерим спин одной из них, другая определённо будет вращаться противоположным образом. Это происходит потому, что две частицы запутаны друг с другом.

Эверетт считает, что мы должны буквально воспринимать формализм квантовой механики. Дело в том, что волновой функцией описывается не только та система, которую вы собираетесь наблюдать, но и вы сами. Это означает, что вы можете быть в суперпозиции. Когда вы измеряете частицу, чтобы проверить, вращается она по часовой стрелке или против часовой стрелки, то, по мнению Эверетта, волновая функция не схлопывается, приводя к одному или другому результату. Она плавно переходит в запутанную суперпозицию, которая заключает в себе оба варианта: во-первых, «частица вращалась по часовой стрелке» и «вы видели, как частица вращается по часовой стрелке», а во-вторых, «частица вращается против часовой стрелки» и «вы видели, как частица вращается против часовой стрелки». Обе части суперпозиции действительно существуют, продолжают существовать и развиваться в полном соответствии с уравнением Шрёдингера.

Наконец-то появляется вариант окончательного ответа на критический онтологический вопрос: «Что же в самом деле представляет собой мир?». Мир — это квантовая волновая функция, по крайней мере до тех пор, пока мы не найдём теорию получше.

* * *

Минималистическая трактовка квантовой механики Эверетта — есть только волновые функции и плавная эволюция, никаких новых переменных, непредсказуемых коллапсов или отрицания объективной реальности — была названа «многомировой интерпретацией». Две части волновой функции Вселенной, в одной из которых вы видите, как частица вращается по часовой стрелке, а в другой — против часовой, впоследствии продолжают развиваться совершенно независимо друг от друга. В будущем между ними отсутствует какая-либо коммуникация или интерференция. Всё дело в том, что и вы, и частица оказываетесь в состоянии запутанности со всей остальной Вселенной — этот процесс именуется декогеренцией. Различные части волновой функции представляют собой разные «ответвления», поэтому удобно говорить, что они описывают разные миры. По-прежнему существует всего один «мир», в смысле «естественный мир», описываемый волновой функцией Вселенной, но у этой волновой функции множество ответвлений, и они развиваются независимо друг от друга, поэтому давайте называть их «мирами». Наш язык не слишком удобен для описания физики.

Эвереттовская многомировая интерпретация квантовой механики во многом привлекательна. С онтологической точки зрения она экономична и эффективна; в ней есть всего одно квантовое состояние и одно уравнение, описывающее развитие системы. Она совершенно детерминистична, хотя отдельно взятый наблюдатель и не может сказать, в каком мире находится, пока не посмотрит на него. Поэтому в тех прогнозах, которые делает человек, неизбежно присутствует некоторый вероятностный компонент. В данном случае мы без труда можем объяснить такие вещи, как измерительный процесс, причём для выполнения таких измерений абсолютно не требуется участия сознающего наблюдателя. Всё вокруг — просто волновая функция, а все волновые функции развиваются единообразно.

Разумеется, существует бесчисленное количество Вселенных.

Многие возражают против многомировой интерпретации, так как им просто не нравится идея обо всех этих Вселенных. Особенно о Вселенных, недоступных для наблюдения, — согласно теории, они существуют, но нет никакого реального способа когда-либо их увидеть. Это не очень рациональное возражение. Если наша наилучшая теория прогнозирует, что нечто является истинным, то мы должны присвоить такой истинности относительно высокую субъективную вероятность по Байесу, пока у нас не появится теория получше. Если вам неуютно думать о множестве Вселенных, либо вы априори относитесь к этой идее негативно, то во что бы то ни стало постарайтесь выработать более точную формулировку квантовой механики. Однако негативное ощущение — не принципиальная позиция.

Чтобы примириться с многомировой интерпретацией, важно понять, что эта гипотеза не начинается с формального представления квантовой механики, к которому затем добавляется подозрительно большая Мультивселенная. Формальное представление уже допускает существование всех этих Вселенных, как минимум потенциально. Квантовая механика описывает отдельные объекты как суперпозиции различных результатов измерений. Волновая функция Вселенной автоматически допускает возможность, что вся Вселенная находится в такой суперпозиции, которую мы далее начинаем трактовать как «множество миров». Все остальные версии квантовой механики только тем и занимаются, что пытаются избавиться от множественности миров, — для этого меняется динамика, добавляются новые физические параметры либо отрицается существование реальности как таковой. Но такие теории не дают никакого выигрыша в объяснении или прогнозировании явлений, а также без надобности подменяют простую структуру более сложной — по крайней мере, так считают сторонники Эверетта.

Это не означает, что у нас нет веских причин скептически относиться к эвереттовской квантовой механике. По Эверетту, разветвление волновой функции в разные параллельные миры — это не объективное явление, а просто удобный способ рассуждения о базовой реальности. Но по какому именно признаку лучше всего проводить границу между Вселенными? Почему мы наблюдаем эмерджентность реальности, которая хорошо аппроксимируется законами квантовой механики? Это совершенно оправданные вопросы, но сторонники многомировой интерпретации считают, что вполне могут на них ответить.

Говоря об общей картине, из этой дискуссии следует сделать два важных вывода. Во-первых, хотя мы пока не вполне представляем, как работает квантовая механика на фундаментальном уровне, мы не знаем о ней ничего такого, что однозначно развенчивало бы детерминизм (будущее всегда проистекает из настоящего), реализм (существует объективный реальный мир) или физикализм (мир — чисто физический). Все эти свойства ньютоновской/лапласовской Вселенной, напоминающей часовой механизм, вполне могут оставаться истинными и на уровне квантовой механики — но пока мы в этом не уверены.

Другой важный вывод применим ко всем интерпретациям квантовой механики: наблюдаемая нами картина мира очень отличается от складывающегося у нас описания ненаблюдаемого мира. По мере того как на протяжении веков человек приобретал новые знания, мы были вынуждены радикально реорганизовывать наши планеты убеждений, чтобы соотнести их с новыми представлениями о физической Вселенной, и квантовая механика — определённо одна из таких переделок. В некотором смысле она является окончательной унификацией: оказывается, на глубочайшем уровне реальности не просто нет таких вещей, как «горы» и «океаны», — там нет даже «электронов» и «фотонов». Есть только квантовая волновая функция. Всё остальное — условные описания.

 

Глава 22

Базовая теория

Насколько нам сейчас известно, Вселенная устроена по законам квантовой механики. Но квантовая механика — это не конкретная теория для описания мира, а контекст, в рамках которого могут быть сформулированы те или иные теории. Точно так же, как классическая механика включает в себя теорию движения планет вокруг Солнца или теорию электричества и магнетизма, или даже эйнштейновскую общую теорию относительности, существует огромное число самостоятельных физических моделей, считающихся «квантовомеханическими». Если мы хотим знать, как именно устроен мир, то должны спросить: «Квантовомеханическая теория чего?».

Возможно, сразу захочется ответить: «Частиц и взаимодействий». Например, говоря об атоме, мы знаем, что его ядро — это совокупность частиц, которые называются протонами и нейтронами, а частицы, вращающиеся вокруг ядра, называются электронами. Протоны и нейтроны удерживаются вместе под действием силы ядерного взаимодействия, а электроны удерживаются вокруг ядра под действием другой силы (силы электромагнитного взаимодействия). Все физические тела притягиваются друг к другу под действием ещё одной силы (гравитационного взаимодействия). Логично предположить, что мир состоит именно из частиц и взаимодействий, и эту фундаментальную материю описывает квантовая теория реальности.

Почти так, но не совсем. Наша наилучшая теория мира — как минимум в той области применения, которая включает повседневный опыт, — делает ещё один шаг в сторону унификации и полагает, что и частицы, и взаимодействия возникают из полей. Поле в некотором отношении противоположно частице; частица занимает определённое место в пространстве, а поле простирается через всё пространство и в каждой точке пространства имеет конкретное значение. Согласно современной физике, все частицы и взаимодействия, благодаря которым образуются атомы, возникают из полей. Такая концепция называется квантовой теорией поля. Именно квантовая теория поля со всей определённостью свидетельствует о том, что нельзя согнуть ложку силой мысли и что нам известны все частички, из которых состоим я и вы.

А из чего состоят поля? Из ничего. Поля — это то, из чего образовано всё остальное. Конечно, может существовать и более глубокий уровень реальности, но он пока не найден.

* * *

Трудно не согласиться с тем, что все силы природы возникают из полей, заполняющих пространство. Наш старый знакомый Пьер-Симон Лаплас впервые показал, что ньютоновская теория тяготения может считаться описанием «поля гравитационных потенциалов», которое отталкивается и притягивается телами, движущимися во Вселенной. Теория электромагнетизма, сформулированная в XIX веке шотландским физиком Джеймсом Клерком Максвеллом и его современниками, даёт общее описание электрических и магнитных полей.

А что же частицы? Кажется, что частицы и поля диаметрально противоположны друг другу: частица находится в конкретном месте, а поле распределено повсюду. Мы же не будем утверждать, что такая частица, как электрон, возникает из некоего «электронного поля», заполняющего пространство?

Именно это мы и будем утверждать. Причём такую связь обеспечивает квантовая механика.

Фундаментальное свойство квантовой механики заключается в том, что, когда мы наблюдаем тот или иной феномен, он выглядит иначе, нежели в момент, когда мы его не наблюдаем. Когда мы измеряем энергию электрона, вращающегося вокруг ядра, мы получаем конкретный ответ, и этот ответ — один из некоторого множества допустимых вариантов. Однако когда мы не наблюдаем электрон, его состояние является суперпозицией всех этих возможных результатов.

С полями та же история. Согласно квантовой теории поля, существуют определённые базовые поля, из которых состоит мир, и волновая функция Вселенной — суперпозиция всех возможных значений, которые могут принимать эти поля. Если мы наблюдаем квантовые поля — очень внимательно, при помощи достаточно точных инструментов, — то видим отдельные частицы. В случае электромагнитного ноля эти частицы называются «фотонами», а частица гравитационного поля называется «гравитон». Мы ещё ни разу не наблюдали отдельный гравитон, поскольку гравитационное поле очень слабо и взаимодействует с другими полями, но базовая структура квантовой теории поля не оставляет сомнений в том, что гравитоны существуют. Если поле сохраняет постоянное значение во времени и в пространстве, то мы ничего не обнаруживаем, но, как только поле начинает вибрировать, мы можем наблюдать эти вибрации в виде частиц.

Существуют две основные разновидности полей и ассоциированных с ними частиц; эти частицы называются «бозонами» и «фермионами». Бозоны, например фотон и гравитон, могут сбиваться в кучи, образуя при этом силовые поля. Фермионы занимают место в пространстве; в любом месте в любое время может находиться только один фермион. Из фермионов, к числу которых относятся электроны, протоны и нейтроны, состоят материальные объекты, например вы, я, стулья, планеты; причём все тела, образованные из фермионов, кажутся твёрдыми. Два электрона, которые являются фермионами, не могут одновременно находиться в одном и том же месте; в противном случае объекты, состоящие из атомов, просто сколлапсировали бы, уменьшившись до микроскопических размеров.

* * *

Обычная материя, из которой состоим и вы, и я, и Земля, и всё, что вы видите вокруг, на самом деле слагается всего из трёх видов частиц и трёх типов взаимодействий. Электроны в атоме связаны с ядром посредством электромагнетизма, а само ядро состоит из протонов и нейтронов, которые удерживаются вместе посредством ядерного взаимодействия. Разумеется, вся материя находится под действием гравитации. Протоны и нейтроны, в свою очередь, состоят из двух типов более мелких частиц: u-кварков и d-кварков. Кварки удерживаются вместе под влиянием сильного ядерного взаимодействия, обусловленного частицами, которые называются «глюоны». «Ядерное взаимодействие» между протонами и нейтронами — это своеобразная «отдача» сильного ядерного взаимодействия. Ещё есть слабое ядерное взаимодействие, обусловленное W-бозонами и Z-бозонами, благодаря которому все частицы могут взаимодействовать с последним неупомянутым фермионом — нейтрино. Четыре фермиона (электрон, нейтрино, u-кварки и d-кварки) — представители лишь одного поколения фермионов, а всего таких поколений три. Наконец, все эти частицы существуют в поле Хиггса, сообщающем массу всем частицам, которые её имеют.

Поля и ассоциированные с ними частицы, из которых состоит окружающий мир

На рисунке показана совокупность основных полей и ассоциированных с ними частиц. Это более подробная схема атома водорода, который мы уже рассматривали в главе 20. Два поколения более тяжёлых фермионов здесь не указаны, поскольку эти частицы обычно очень быстро распадаются. Только те частицы, что показаны на этом рисунке, существуют достаточно долго и образуют объекты окружающего мира. Полный набор частиц рассматривается в приложении.

* * *

Физики подразделяют наши теоретические представления об этих частицах и взаимодействиях на две великие теории: стандартную модель физики частиц, охватывающую все упомянутые здесь феномены, кроме гравитации, и общую теорию относительности Эйнштейна, описывающую гравитацию как кривизну пространства–времени. Нам недостаёт полной «квантовой теории гравитации» — такой модели, которая бы основывалась на принципах квантовой механики и согласовывалась с общей теорией относительности при рассмотрении явлений в «классическом» ключе. Теория суперструн — одна из многообещающих кандидатур на роль такой модели, но пока мы просто не умеем рассуждать о ситуациях, когда гравитация очень сильна — например, такая, как вскоре после Большого взрыва или внутри чёрной дыры, если говорить в терминах квантовой механики. Один из величайших вызовов настоящего времени, которым озабочены физики-теоретики со всего мира, — выработать такой способ рассуждения.

Однако мы не живём внутри чёрной дыры, да и Большой взрыв был достаточно давно. В нашем мире гравитация сравнительно слабая. Поскольку эта сила невелика, квантовая теория вообще обходится без описания гравитации. Вот почему мы не сомневаемся в реальности гравитонов: с учётом базовых свойств общей теории относительности и квантовой теории поля они неизбежно должны существовать, пусть у нас и нет исчерпывающей теории квантовой гравитации.

Область применения квантовой гравитации в том виде, как мы её сегодня понимаем, охватывает всё разнообразие нашего повседневного опыта. Соответственно, нет никаких причин и далее отделять стандартную модель и общую теорию относительности друг от друга. Что касается физики той материи, которую вы видите вокруг, вся она отлично описывается одной большой квантовой теорией поля. Нобелевский лауреат Фрэнк Вильчек назвал её Базовой теорией (Core Theory). Это квантовая теория поля, описывающая кварки, электроны, нейтрино, все семейства фермионов, электромагнетизм, гравитацию, ядерные взаимодействия и поле Хиггса. В приложении она изложена более подробно. Базовая теория — не самое изящное произведение, когда-либо родившееся в воображении у физика, но она удивительно успешно подтверждается практически во всех экспериментах, которые когда-либо ставились в лабораториях у нас на Земле. (Как минимум по состоянию на середину 2015 года, неожиданных сюрпризов никто не отменял.)

В предыдущей главе мы пришли к выводу о том, что мир «как он есть» — это квантовая волновая функция. Волновая функция — это суперпозиция конфигураций материи. Далее встаёт такой вопрос: функцией от чего является волновая функция? В контексте нашей повседневной жизни на этот вопрос можно ответить так: «От фермионных и бозонных полей Базовой теории».

* * *

Для того чтобы почти полностью описать нашу повседневную жизнь, нам не нужен практически весь аппарат Базовой теории. Сравнительно тяжёлые фермионы очень быстро распадаются. В основе всего лежит поле Хиггса, но, чтобы породить сам бозон Хиггса — частицу, которую мы наблюдаем, когда поле Хиггса начинает вибрировать, — нужен ускоритель частиц стоимостью порядка 10 миллиардов долларов, такой как Большой адронный коллайдер, расположенный в швейцарской Женеве. И эта частица всё равно распадается примерно через одну зептосекунду. Нас повсюду окружают нейтрино, но слабое ядерное взаимодействие настолько мало́, что обнаружить их очень сложно. Солнце излучает нейтрино сплошным потоком, так что каждую секунду через ваше тело пролетает около ста триллионов этих частиц, но, подозреваю, вы этого ни разу не почувствовали.

Практически весь эмпирический опыт слагается из минимального количества составляющих. Это различные атомные ядра, которые перечислены в таблице Менделеева; вьющиеся вокруг них электроны, а также две дальнодействующие силы, обеспечивающие взаимодействия всех этих частиц, — гравитация и электромагнетизм. Если вы хотите описать всё, что происходит в скалах и лужицах, ананасах и броненосцах, — то это всё, что вам потребуется. А гравитация, следует признать, довольно проста. Все тела взаимно притягиваются. Все реальные структуры и сложность, наблюдаемая в мире, порождаются электронами (и тем фактом, что они не могут примыкать друг к другу), взаимодействующими с ядром и с другими электронами.

Разумеется, есть и исключения. Слабое ядерное взаимодействие играет важную роль при термоядерном синтезе, благодаря которому горит Солнце, поэтому без слабого взаимодействия нам не обойтись. Мюоны — сравнительно тяжёлые частицы, напоминающие электроны, — могут образовываться, когда космические лучи бомбардируют земную атмосферу; при этом они могут влиять на скорость мутаций в ДНК и, следовательно, на биологическую эволюцию. Важно учитывать эти и другие феномены — и Базовая теория отслеживает их с поразительным успехом. Однако львиная доля всего, что происходит в жизни, связана с гравитацией и электромагнетизмом, под влиянием которых движутся электроны и ядра.

Мы можем быть уверены, что Базовая теория, описывающая все сущности и процессы, с которыми нам доводилось сталкиваться в жизни, верна. Через тысячи лет мы узнаем много нового о фундаментальной природе физических процессов, но по-прежнему будем использовать Базовую теорию, рассуждая о данном, конкретном уровне реальности. С точки зрения поэтического натурализма существует одна трактовка реальности, которую мы можем с уверенностью изложить в чётко определённой области применения. Метафизической уверенности в этом быть не может, поскольку это нельзя доказать математически — наука никогда ничего не доказывает. Тем не менее с точки зрения любого добросовестного байесовского рассуждения с огромной вероятностью представляется, что всё именно так. Нам полностью известны те физические законы, которые лежат в основе повседневной реальности.

 

Глава 23

Материя, из которой мы состоим

Квантовая теория поля — невероятно мощный научный аппарат. Если бы можно было себе представить, что каркас какой-либо физической теории мог бы родиться от союза Годзиллы и Халка, то речь шла бы именно о квантовой теории поля.

«Мощный» не означает «стирающий в пыль целые города». (Хотя квантовая теория поля именно такова, поскольку лишь она позволяет описать, как одна частица превращается в другую, а такой процесс — важнейший аспект ядерных реакций и, следовательно, атомного оружия.) В контексте научных теорий «мощная» на самом деле означает «строгая» — согласно по-настоящему мощной теории, многие вещи просто не могут произойти. Сила, о которой мы здесь говорим, — это возможность начать с минимального числа посылок и прийти к таким выводам, которые будут надёжны и широко применимы. Квантовая теория поля не сносит здания, попадающиеся ей на пути; она крушит наши спекуляции о том, какие явления возможны в физической реальности.

Сейчас мы сделаем очень дерзкое заявление.

Заявление: физические законы, лежащие в основе повседневной реальности, полностью известны.

Подобное заявление сразу вызывает изрядный скепсис. Оно нахальное, самодовольное, причём кажется, что вполне реально можно себе представить, в каких отношениях наша картина мира может оказаться удручающе неполной. Такое заявление до боли напоминает многочисленные исторические примеры, когда тот или иной великий мыслитель хвастал, что путь к исчерпывающим знаниям близится к концу. Всякий раз такие заявления оказывались смехотворно преждевременными.

Однако мы утверждаем, что нам известны не все законы физики, а лишь их ограниченное множество, достаточное для описания всего, что происходит в нашей повседневной жизни. Даже такая формулировка кажется весьма самонадеянной. Наверняка должны существовать многочисленные возможности добавлять в Базовую теорию новые частицы и взаимодействия, которые могут оказаться важны для обыденной физики, и, если уж на то пошло, открывать совершенно новые явления, полностью выходящие за рамки квантовой теории поля. Верно?

Нет. Ситуация теперь на самом деле иная, нежели всё, что было когда-либо в истории науки. Мало того, что у нас есть успешная теория, мы к тому же знаем, как далеко может распространиться эта теория, прежде чем в ней можно будет усомниться. Да, просто квантовая теория поля настолько мощная.

* * *

В основе нашего дерзкого заявления лежит простая логика.

1. Всё, что мы знаем, свидетельствует о том, что квантовая теория поля — адекватный аппарат, позволяющий описывать физику повседневности.

2. Законы квантовой теории поля подразумевают, что уже не могут быть открыты никакие новые частицы, силы или взаимодействия, которые были бы существенны для нашей повседневной жизни. Мы уже открыли их все.

Может ли квантовая теория поля где-нибудь не сработать? Разумеется. Как хорошие байесовцы, мы вполне усвоили, что лучше не обнулять субъективную вероятность даже в самых крайних случаях. В частности, квантовая теория поля, возможно, не в состоянии полностью описать человеческое поведение, поскольку физика может быть для этого непригодна. Может случиться чудесное вмешательство либо какой-нибудь исходно нефизический феномен, влияющий на свойства физической материи. Никакой научный прогресс никогда полностью не исключит такую возможность. Но мы можем показать, что физика как таковая абсолютно достаточна для описания всего, что мы видим.

Специальная теория относительности Эйнштейна (в отличие от общей теории относительности) объединяет пространство и время в одно целое и постулирует, что скорость света является абсолютным пределом скорости во Вселенной. Допустим, мы хотим сформулировать теорию, которая одновременно охватывала бы три эти идеи:

1. квантовая механика,

2. специальная теория относительности,

3. значительно удалённые регионы пространства функционируют независимо друг от друга.

Нобелевский лауреат Стивен Вайнберг утверждает, что любая теория, соответствующая этим требованиям, будет напоминать квантовую теорию поля на (относительно) больших расстояниях и при низких энергиях — допустим, больше протона. Независимо от того, что происходит на конечном, самом фундаментальном и исчерпывающем уровне природы, тот мир, который доступен для человеческого наблюдения, будет хорошо описываться квантовой теорией поля.

Следовательно, если мы хотим описать окружающий нас повседневный мир низких энергий, строго придерживаясь физических законов, то должны действовать в контексте квантовой теории поля.

* * *

Давайте признаем, что квантовая теория поля работает в повседневных условиях, и зададимся вопросом, почему больше не может существовать неоткрытых частиц, которые как-либо влияли бы на окружающий мир.

Во-первых, нужно удостовериться, что не может существовать реальных материальных частиц, которые бы носились вокруг и пронизывали наше тело, как-либо влияя при этом на поведение уже известных нам частиц. Затем нужно убедиться, что на свете нет никаких виртуальных частиц или новых взаимодействий, которые с определённой вероятностью могли бы влиять на те частицы, которые мы наблюдаем. В квантовой теории поля виртуальными именуются такие частицы, которые молниеносно возникают и столь же быстро исчезают, образуя квантовые флуктуации и влияя при этом на реальные частицы, но сами остаются совершенно незаметными. Эту проблему мы рассмотрим в следующей главе, а пока давайте сосредоточимся на реальных частицах.

Нам известно, что в физике не существует никаких новых частиц и полей, которые играли бы важную роль в повседневной жизни; это связано с ключевым свойством квантовой теории поля, так называемой перекрёстной симметрией. Это удивительное явление помогает убедиться в том, что некоторых разновидностей частиц не существует, иначе мы бы их уже нашли. В принципе перекрёстная симметрия заключается в следующем: если одно поле может взаимодействовать с другим (например, рассеиваться при контакте с ним), то второе поле при подходящих условиях может порождать частицы первого. Можно сказать, что на уровне квантовой теории поля этот принцип аналогичен закону «на всякое действие есть противодействие».

Рассмотрим новую частицу X, которая, как мы можем полагать, вызывает малозаметные, но важные эффекты в повседневном мире — например, позволяет гнуть ложки силой мысли или является источником сознания как такового. В таком случае частица X должна прямо или косвенно взаимодействовать с обычными частицами, например с кварками и электронами. Если этого не происходит, то она никоим образом не может оказывать влияния на тот мир, который мы непосредственно наблюдаем.

Взаимодействия между частицами в квантовой теории поля визуализируются при помощи прелестных картинок, которые называются диаграммами Фейнмана. Допустим, частица X отскакивает от электрона, при этом обмениваясь с ним какой-то новой частицей Y. Слева направо на диаграмме показано следующее: появляются X и электрон, обмениваются частицей Y и разлетаются своими дорогами.

На диаграмме изображено не то, что может произойти: диаграмме соответствует число, сообщающее, насколько сильным является это взаимодействие — в данном случае, с какой вероятностью X отскочит от электрона. Согласно перекрёстной симметрии, каждому такому явлению соответствует другой процесс такой же силы, который можно изобразить, повернув диаграмму на 90 градусов, а во всех линиях, направление которых изменилось, заменить частицу на античастицу. Пример результата перекрёстной симметрии показан на следующем рисунке.

На диаграмме изображена аннигиляция электрона и позитрона (античастицы, соответствующей электрону) с образованием частицы Y, которая затем распадается на X и анти-X. Эта диаграмма связана с предыдущей по принципу перекрёстной симметрии

В теории поля каждой частице соответствует своя античастица, имеющая противоположный электрический заряд. Античастица электрона называется «позитрон», она имеет положительный заряд. Согласно перекрёстной симметрии, первое явление, отскок частицы X от электрона, подразумевает, что есть и аналогичное явление, при котором электрон аннигилирует с позитроном и в результате порождается наша частица X, а также её античастица.

И вот что получилось в итоге. Мы экспериментировали со столкновениями электронов и позитронов, ставили такие опыты часто и тщательно. С 1989 по 2000 год для этой цели в подземной лаборатории близ Женевы использовался Большой электрон-позитронный коллайдер (предшественник современного Большого адронного коллайдера). В ходе этих экспериментов электроны и позитроны сталкивались при немыслимых энергиях, а физики внимательно отслеживали всё, что возникало в итоге. При этом они всем сердцем надеялись найти новые частицы; открытие новых частиц, в особенности нежданных, — самая захватывающая сторона этой области физики. Но они не встретили ничего нового. Лишь известные частицы из Базовой теории, возникавшие в огромных количествах.

* * *

То же самое было проделано и для столкновений протонов с антипротонами, пробовали и разнообразные иные комбинации. Вердикт однозначен: мы открыли все элементарные частицы, которые только позволяют обнаружить наши самые ультрасовременные технологии. Перекрёстная симметрия не оставляет сомнений в том, что если бы от нас ускользали ещё какие-то частицы, взаимодействующие с обычной материей достаточно сильно, чтобы это сказывалось на обычной материи, то такие частицы должны были бы легко возникать при экспериментах. Но ничего такого не происходит.

Вероятно, нам ещё предстоит найти новые элементарные частицы. Просто они никак не влияют на обыденный мир. Тот факт, что мы ещё не нашли таких частиц, сам по себе многое сообщает о том, какие свойства у них должны быть; в этом сила квантовой теории поля. Любая частица, которую мы пока не нашли, должна обладать одним из следующих признаков:

1) она должна так слабо взаимодействовать с обычной материей, что такие частицы почти никогда не образуются, или

2) она может быть крайне массивной, поэтому может образоваться лишь при столкновениях столь высоких энергий, которые пока недостижимы даже в наших лучших ускорителях, или

3) она может быть исключительно короткоживущей, настолько, что, едва образовавшись, сразу распадается на другие частицы.

Если бы какая-то из необнаруженных нами частиц существовала достаточно долго и взаимодействовала с обычной материей настолько сильно, что это могло бы отражаться на физических явлениях окружающего мира, то мы бы уже получили её в экспериментах.

Считается, что ещё одна разновидность пока не открытых частиц может существовать, и именно из этих частиц состоит тёмная материя. Астрономы, изучающие движения звёзд и галактик, а также крупномасштабную структуру Вселенной, убедились, что большая часть материи является «тёмной», то есть состоит из каких-то новых частиц, не относящихся к Базовой теории. Частицы тёмной материи должны быть достаточно долговечны, иначе они давным-давно бы распались. Но они не могут достаточно сильно взаимодействовать с обычной материей, так как в противном случае уже давно были бы открыты в одном из многих экспериментов, призванных обнаружить тёмную материю, — физики ведут такие опыты прямо в наши дни. Чем бы ни являлась тёмная материя, она определённо не делает погоды здесь, на Земле, — никак не связана ни с биологией, ни с сознанием, ни с человеческой жизнью.

* * *

В этом анализе есть очевидный изъян. Есть частица, которая, на наш взгляд, должна существовать, но которую пока так и не удалось обнаружить: это гравитон. Он лёгок и достаточно стабилен, чтобы возникнуть, но гравитация — настолько слабое взаимодействие, что все гравитоны, которые мы могли бы получить в ускорителе частиц, сразу будут поглощены множеством иных образующихся там частиц. Однако гравитация влияет на нашу повседневную жизнь.

Основная причина, по которой гравитация так важна, заключается в следующем. Это дальнодействующая сила, которая накапливается: чем больше у нас вещества, оказывающего гравитационное воздействие, тем сильнее это воздействие. (Такая закономерность может не соблюдаться, скажем, для электромагнетизма, так как положительные и отрицательные заряды обнуляются, а гравитация всегда только усиливается.) Итак, хотя и нет надежды синтезировать или зафиксировать отдельный гравитон при столкновении двух частиц, общее гравитационное воздействие всей Земли даёт существенную силу тяготения.

Возможно, этой лазейкой «пользуется» и какая-то другая сила: при рассмотрении всего нескольких частиц она может быть несущественной, но вдруг она накапливается, если собрать вместе достаточно много материи? Физики уже много лет ищут такое «пятое взаимодействие». Пока ничего не нашли.

Поиск новых взаимодействий значительно упрощается благодаря тому, что обычные объекты состоят всего из трёх видов частиц: протонов, нейтронов и электронов. Ещё одна черта квантовой теории поля заключается в том, что она не позволяет «включать» и «выключать» воздействия отдельных частиц; соответствующие им поля никуда не деваются. Можно генерировать макроскопические силы, правильно комбинируя положительные и отрицательные заряды, например в электромагните, но поля частиц всегда присутствуют. Итак, нужно искать взаимодействия между частицами этих трёх видов. Физики именно этим и занимаются: ставят безукоризненно точные эксперименты, при которых тела разного состава сначала сближаются друг с другом, а затем вновь удаляются; при этом ищут любой намёк на какое-либо влияние, не связанное с известными силами природы.

Результаты, полученные по состоянию на 2015 год, схематически представлены на следующем рисунке. Любые возможные взаимодействия между двумя заданными видами частиц имеют два числовых параметра: сила этого взаимодействия и расстояние, на котором оно ощущается. (Гравитация и электромагнетизм являются «дальнодействующими» силами, простирающимися фактически на бесконечные расстояния; зона влияния слабых и сильных ядерных взаимодействий очень мала — меньше размера атома.) Проще измерять сильные и при этом дальнодействующие силы. Существование подобных неоткрытых взаимодействий мы уже исключили.

Эксперименты показывают, что силы, которые могли бы действовать на обычную материю, подчиняются примерно таким ограничениям. Если какое-то взаимодействие пока не удалось выявить, то оно либо должно быть совсем слабым, либо действовать на очень небольшом расстоянии

Таким образом, если диапазон действия новой силы составляет более одной десятой доли сантиметра — что было бы необходимым условием, если бы она позволяла гнуть ложки или была тем механизмом, который позволяет Сатурну влиять на вас в момент вашего рождения, — то была бы значительно слабее гравитации. На первый взгляд кажется, «не так уж и слабо», но не забывайте, что сила гравитации исчезающе мала. Всякий раз, когда вы подпрыгиваете, крошечные электромагнитные силы вашего тела позволяют ненадолго преодолеть суммарную гравитацию всей Земли. Столь слабое взаимодействие, как гравитация, — это сила, составляющая одну миллиардную миллиардной миллиардной миллиардной от силы электромагнетизма. Ещё более слабое взаимодействие должно быть полностью пренебрежимо в повседневных условиях.

Здесь, в повседневной реальности, в мире людей, домов и машин, мы полностью каталогизировали все частицы, силы и взаимодействия, которые способны оказывать заметный эффект на что бы то ни было. Это колоссальное интеллектуальное достижение, которым человеческий род может по праву гордиться.

 

Глава 24

Эффективная теория повседневного мира

Кажется, что все эти рассуждения о частицах и квантовых полях безнадёжно оторваны от «человеческой» части общей картины — вопросов, касающихся нашей личной и общественной жизни. Однако мы состоим из частиц и полей, подчиняющихся незыблемым законам физики. Всё, что мы могли бы предположить о человеке, должно согласовываться с природой и поведением тех частиц, из которых мы состоим, даже если они не дают нам полной картины всего. Понять, что собой представляют эти поля и частицы, как они взаимодействуют, — важнейший шаг к пониманию того, что означает быть человеком.

Из-за ограничений, накладываемых квантовой механикой и теорией относительности, квантовая теория поля оказывается исключительно строгой и неумолимой системой. Ориентируясь на эту строгость, можно прикинуть, насколько хорошо мы протестировали Базовую теорию, конкретную совокупность полей и сил, воздействующих на окружающий мир. Ответ: очень хорошо. Достаточно, чтобы не сомневаться: нам известны все частицы и взаимодействия, релевантные на этом уровне реальности, и в дальнейшем могут быть открыты лишь такие феномены, которые проявляются где-то за его пределами: на более высоких энергиях, коротких дистанциях, в более экстремальных условиях.

Но откуда мы знаем, что даже если мы не в состоянии непосредственно наблюдать новые частицы или поля, то они не могут оказывать некое малозаметное, но важное воздействие на известные нам частицы? Ответ на этот вопрос подводит нас к ещё одному аспекту квантовых полей: так называемой эффективной теории поля. В квантовой теории поля модификатор «эффективный» не означает «результативно работающий и согласующийся с данными». На самом деле эффективная теория — это эмерджентная аппроксимация более глубокой теории. Это специфичная, надёжная и контролируемая аппроксимация — всё благодаря силе квантовой теории поля.

Если у нас есть некоторая физическая система, то одни её аспекты будут нас интересовать, а другие — нет. Эффективная теория моделирует лишь те аспекты системы, которые для нас важны. Не интересующие нас вещи или слишком малозаметны, чтобы привлечь наше внимание, или испытывают такие колебательные изменения, которые в среднем компенсируют друг друга. Эффективная теория описывает макроскопические признаки, возникающие на базе более полного микроскопического описания.

Эффективные теории исключительно полезны в самых разных ситуациях. Когда мы описывали воздух как газ, а не как совокупность молекул, мы фактически использовали эффективную теорию, поскольку движения отдельных молекул нас не волновали. Другой пример: Земля вращается вокруг Солнца. Планета Земля состоит примерно из 1050 отдельных атомов. Практически невозможно описать, как нечто столь сложное движется через пространство, — возможно ли вообще думать о том, чтобы отследить траектории всех этих атомов? Но нам этого и не требуется: можно отслеживать всего одно интересующее нас значение, а именно: положение центра массы Земли. Рассуждая о движении крупных макроскопических объектов, мы почти всегда пользуемся эффективной теорией движения их центров масс.

* * *

Идея эффективной теории применяется повсеместно, но проявляется во всей красе именно при работе с квантовыми полями. Всё дело в догадке нобелевского лауреата Кеннета Уилсона, глубоко задумавшегося о природе «полей» в квантовой теории поля.

Уилсон обратил внимание на факт, не являющийся секретом для физиков: если у нас есть вибрирующее поле, то такие колебания всегда можно разбить на составляющие, которые соответствуют конкретным длинам волн. Именно это мы и делаем, пропуская луч света через призму и разлагая его на радужный спектр: красный цвет — это длинноволновая вибрация электромагнитного поля, синий — коротковолновая, и так со всеми остальными цветами. В квантовой механике частота коротковолновых вибраций выше и, соответственно, они обладают большей энергией, чем длинноволновые. Нас интересуют низкоэнергетические, длинноволновые вибрации; как раз их легко получить и наблюдать в повседневной жизни (если, конечно, в быту вам не приходится иметь дело с ускорителями частиц или высокоэнергетическими космическими лучами).

Итак, Уилсон полагает, что квантовая теория поля по природе своей обладает отличным механизмом для создания эффективных теорий: можно отслеживать лишь длинноволновые/низкоэнергетические вибрации поля. Коротковолновые вибрации никуда не деваются, но на уровне эффективной теории они всего лишь влияют на свойства длинноволновых вибраций. Эффективные теории поля позволяют судить о низкоэнергетических явлениях, а по меркам физики частиц все явления, наблюдаемые в повседневной жизни, — низкоэнергетические.

Например, нам известно, что протоны и нейтроны состоят из u-кварков и d-кварков, которые удерживаются вместе благодаря глюонам. Кварки и глюоны, проносящиеся на огромных скоростях внутри протонов и нейтронов, — это коротковолновые вибрации поля. Нам не требуется ничего о них знать, чтобы рассуждать о протонах и нейтронах и об их взаимодействии друг с другом. Есть эффективная теория протонов и нейтронов, которая превосходно работает, пока мы не пытаемся различить отдельные кварки и глюоны.

Этот простой пример демонстрирует важные аспекты работы эффективных теорий. Во-первых, обратите внимание на то, что те сущности, о которых мы говорим, — онтология теории — могут совершенно по-разному описываться в эффективной теории и в более полной микроскопической теории. Микроскопическая теория рассматривает кварки, эффективная теория — протоны и нейтроны. Это пример эмерджентности; терминология, которой мы пользуемся при описании флюида, совершенно отличается от терминологии описания молекул, хотя и флюид, и молекулы существуют в одной и той же физической системе.

Изумительную простоту и мощность эффективных теорий можно продемонстрировать всего на двух примерах. Во-первых, в основе любой эффективной теории может лежать много разных микроскопических теорий. Это множественная реализуемость в контексте квантовой физики. Следовательно, нам не требуется знать всех деталей микротеорий, чтобы уверенно судить о макроскопических явлениях. Во-вторых, любая эффективная теория обычно обладает крайне ограниченным набором динамических свойств. Квантовые поля при низких энергиях просто не допускают большего разнообразия. Расскажите мне, какие частицы охватывает ваша теория, и мне останется всего лишь измерить некоторые их параметры, например массы и силы взаимодействий, после чего теория будет полностью описана. Точно так же, как с планетами, вращающимися вокруг Солнца: ничего страшного, что Юпитер — горячий газовый гигант, а Марс — холодная скалистая планета; обе планеты движутся по орбитам так, что движение центров их масс подчиняется законам Ньютона.

Вот почему мы так уверены, что Базовая теория принципиально верна в своей области применения. Даже если бы на микроуровне происходило нечто принципиально иное — там вообще не было бы не только теории поля, но и ни пространства, ни времени в нашем понимании, — то эмерджентная эффективная теория при этом так и оставалась бы обычной теорией поля. Фундаментальная основа реальности может коренным образом отличаться от чего бы то ни было, что может вообразить себе любой из живших на свете физиков; но при этом в нашем повседневном мире физика всё равно будет подчиняться законам квантовой теории поля.

* * *

Всё это звучит устрашающе, если только вы не физик, работающий над формулировкой Теории Всего, но обратная сторона проблемы такова: мы уже практически обзавелись очень хорошей Теорией Некоторых Низкоэнергетических Явлений, в частности понимаем все те явления, с которыми сталкиваемся в повседневной жизни.

Мы знаем, что Базовая теория — не истина в последней инстанции. Она не учитывает тёмную материю, из которой состоит бо́льшая часть вещества во Вселенной, не описывает чёрные дыры и не позволяет понять, что произошло в момент Большого взрыва.

Следовательно, можно себе представить, что эта теория может быть улучшена, если дополнить её некой «новой физикой», которая адекватно бы описывала астрофизические и космологические феномены. В таком случае мы сможем представить области применения различных теорий в виде диаграмм Венна, рассматривавшихся в главе 12. Астрофизикам недостаточно Базовой теории, но весь наш повседневный опыт уверенно вписывается в область её применения.

Эту идею можно сформулировать и иначе, задумавшись, какие явления зависят от каких иных явлений — что над чем главенствует, как сказали бы философы. Это показано на следующем рисунке. Астрофизические феномены зависят не только от Базовой теории, но и от новой физики. И всё это, разумеется, зависит от одной и той же основополагающей реальности. Однако самое важное — тот факт, что эмерджентные феномены, которые мы наблюдаем в повседневной жизни, не зависят ни от тёмной материи, ни от иной новой физики. Более того, они зависят от основополагающей реальности лишь постольку, поскольку зависят от частиц и взаимодействий Базовой теории. Такова сила квантовой теории поля. Вполне возможно, что разнообразные квантово-гравитационные парадоксы не сохраняются на глубинных уровнях основополагающей реальности, но это никоим образом не влияет на физику стульев, машин и центральной нервной системы; вся эта физика является подмножеством эффективной теории поля, относящейся к Базовой теории.

Именно сила эффективной теории поля позволяет нам утверждать: «на сей раз всё иначе», когда мы выступаем с дерзким заявлением о том, что все законы физики, лежащие в основе повседневной жизни, уже полностью известны. Когда Ньютон и Лаплас размышляли о великолепии классической механики, они, вполне возможно, допускали, что когда-нибудь её заменят более полные теории.

Различные способы рассуждения о мире и их взаимосвязь друг с другом. Сплошные стрелки демонстрируют, как одна теория зависит от другой; например, астрофизика зависит от Базовой теории, а также от тёмной материи и тёмной энергии. Прерывистыми стрелками показаны зависимости, которые могли бы существовать, но на самом деле не существуют; повседневная жизнь не зависит от тёмной материи, а зависит лишь от основополагающей реальности (посредством Базовой теории)

В итоге так и случилось: появились специальная теория относительности, общая теория относительности и квантовая механика. Ньютоновская теория — хорошее приближение в своей области применения, но в конечном счёте она отказывает и нам требуется более качественное описание реальности.

Новизна ситуации в том, что, даже если Ньютон и Лаплас считали свои идеи верными лишь в определённом контексте, они не представляли, как далеко простирается этот контекст. Ньютоновская теория тяготения очень хороша для Земли и для Венеры, но уже не столь точна при изучении орбиты Меркурия, чья крошечная прецессия стала одним из наиболее убедительных доказательств в пользу эйнштейновской общей теории относительности. Но Ньютон явно не мог предположить, каковы пределы точности его теории.

Однако в случае с эффективной теорией поля такая конкретика есть. Эффективная теория поля полностью описывает все явления, происходящие в определённых полях, если только энергии этих полей не превышают известного предела, а сами явления действуют на расстоянии, превышающем минимальный предел (пределы были выяснены экспериментально). Узнав все параметры эффективной теории поля, мы знаем, что будет происходить в наших полях при любом мыслимом эксперименте, относящемся к области её применения, даже если мы пока не поставили такого эксперимента.

Именно это особое свойство квантовой теории поля позволяет нам столь смело заявлять о пределах наших знаний.

* * *

Возможна масса неверных интерпретаций фразы «законы физики, лежащие в основе повседневной жизни, полностью известны». Хотя это, бесспорно, и очень смелое заявление, легко счесть его даже более грандиозным, чем оно в самом деле является, а затем развенчать такое пафосное утверждение. Разумеется, оно не предполагает, что вся физика нам известна.

Кроме того, даже в безумно вольной интерпретации это не означает, что нам известно, как всё устроено в обыденной реальности. Никто в здравом уме не может считать, что у нас есть (или вот-вот будут) полные теории биологии, нейрофизиологии, погоды или, если уж на то пошло, электрического тока в обычных веществах. Эти феномены должны быть совместимы с Базовой теорией, но сами они эмерджентны. Как мы обсуждали в главе 12, чтобы понять эмерджентные феномены, нужны новые знания — следует искать закономерности (там, где они существуют), позволяющие описывать простые явления, вычленяемые из совокупности изменчивых элементов. Иногда само требование совместимости с основополагающей теорией уже о многом нам говорит — как в случае с планетами, вращающимися вокруг Солнца. Закон сохранения импульса сам по себе свидетельствует, что Земля не улетит в неизвестном направлении; отсутствие любых дальнодействующих сил, кроме гравитации и электромагнетизма, означает, что нельзя гнуть ложки силой мысли. Тем не менее, как правило, существует большая пропасть между «знать теорию на одном уровне» и «знать все эмерджентные теории, которые соответствуют ей при том или ином огрублении».

Успех Базовой теории и наше понимание области её применения (благодаря принципам эффективной теории поля) предполагают, что существует колоссальная презумпция (субъективная вероятность по Байесу) в пользу трактовки макроскопических феноменов именно таким образом, чтобы они согласовывались с базовыми законами физики. Всегда возможны исключения. Однако, как мог бы сказать Дэвид Юм, если вы считаете, что определённое явление, бесспорно, идёт вразрез с Базовой теорией, то ваши доводы должны быть достаточно серьёзны, чтобы перевесить всю массу доказательств обратного.

* * *

Даже с оговорками, что наука ничего не доказывает и что всегда возможны сюрпризы, в нашей аргументации о полной изученности законов физики, управляющих повседневной реальностью, по-прежнему остаются некоторые небольшие изъяны. Для интеллектуала было бы нечестно отмахнуться от них, поэтому давайте их обсудим.

Самый очевидный вопрос: а что, если квантовая теория поля попросту не работает в той области применения, к которой относится повседневная реальность? По причинам общего характера это кажется очень маловероятным; признавая основные законы теории относительности и квантовой механики, вы так или иначе вынуждены признавать и квантовую теорию поля. В областях, где гравитация очень сильна, например в окрестностях Большого взрыва и в чёрных дырах, теория поля вполне может отказать. К счастью, у вас в комнате нет чёрных дыр. Но ради полноты картины мы должны признать, что такая возможность существует.

Второй возможный изъян — пожалуй, более весомый, чем первый, — заключается в следующей гнетущей проблеме: мы не вполне понимаем квантовую механику. Возможно, что у нас уже есть все основные элементы квантовой онтологии (волновые функции, уравнение Шрёдингера, описывающее развитие систем) и остаётся только интерпретировать то, как этот формальный аппарат описывает реальный мир. В данном случае от изъяна остается пшик. Действительно, во всех популярных подходах к квантовой механике никакого изъяна нет: в квантовой механике просто негде нарушить общие принципы эффективной теории поля.

Однако, поскольку у нас пока нет общепринятой формулировки квантовой механики, теоретически возможно, что ни одна из наиболее популярных альтернатив не является верной. Можно себе представить, что верная теория квантовой механики в конечном итоге покажет, например, что схлопывание волновых функций не является случайным. Может быть, существуют тонкости квантовых измерений, которые пока не удалось зафиксировать экспериментально. Однако, когда они будут обнаружены, это значительно повлияет на наши представления о биологии или сознании. Это возможно.

Ещё один изъян заключается в том, что, возможно, «новая физика» кроется не в новых динамических законах, а в чём-то, чего мы ещё не понимаем об исходных условиях во Вселенной — скорее, каких-то предусловий, а не предопределённости. Кажется, что ранняя Вселенная была устроена очень просто, — это было место с низкой энтропией, а значит (согласно больцмановскому определению энтропии), в такой Вселенной могло сложиться не так много состояний. Однако как минимум мыслимо, что тогда Вселенная пребывала в очень особенном виде и в ней существовали какие-то крайне неочевидные корреляции, которые продолжают влиять на наш мир и сегодня. У нас нет прямых причин в это верить, но данный вариант заслуживает места в нашем списке изъянов.

Наконец, существует явное возражение, которое заключается в том, что одной лишь физики недостаточно для хорошего описания мира. Реальность может не ограничиваться физическим миром. Мы серьёзно обсудим такую возможность в главе 41.

Наиболее вероятный сценарий дальнейшего развития таков: Базовая теория останется исключительно хорошей моделью в своей области применения, а мы будем изучать мир и далее, всё лучше понимая, как он устроен «выше», «ниже» и «сбоку» от этой модели. Мы долго считали, что атомы состоят из ядра, вокруг которого вращается некоторое число электронов; теперь известно, что ядро слагается из протонов и нейтронов, которые, в свою очередь, состоят из кварков и глюонов. Тем не менее, узнав о протонах и нейтронах, мы не перестали верить в атомные ядра, а также продолжаем верить в протоны и нейтроны после открытия кварков и глюонов. Аналогично даже спустя ещё сто тысяч лет научного прогресса мы по-прежнему будем доверять Базовой теории, её полям и взаимодействиям. Надеюсь, что к тому времени мы будем глубже понимать мир, но Базовая теория никуда не денется. Такова сила эффективных теорий.

 

Глава 25

Почему существует Вселенная?

Я с малых лет полюбил Вселенную. Лёжа в постели вечером, уже засыпая, я часто размышлял о расширении космоса, о том, как всё выглядело вскоре после Большого взрыва, какие ещё вселенные могли бы существовать, — пока мне на ум не пришла такая мысль: а что, если бы наша Вселенная вообще не возникла? Если бы на её месте было просто ничто? И всё тут. Той ночью я так и не заснул.

Это классические вопросы, они возникают из-за скрытого убеждения в том, что существованию нашей Вселенной должно быть какое-то объяснение. В 1697 году Готфрид Лейбниц — которого мы помним как апологета «принципа достаточного основания» и «принципа наилучшего», а также как одного из изобретателей дифференциального исчисления — в своём сочинении «О глубинной природе вещей» отмечал, что достаточно удивителен сам факт существования чего бы то ни было. В конце концов, «ничто» проще, чем какое-либо «нечто», существует всего один вид «ничто» и множество разновидностей «нечто». Не так давно британский философ Дерек Парфит вторил Лейбницу, утверждая: «Может показаться удивительным, что что-либо вообще существует».

Эти вопросы распространены, но это ещё не означает, что они правильны. Сидни Моргенбессера, крайне популярного профессора философии из Колумбийского университета, прославившегося своей афористичной мудростью, однажды спросили: «Почему существует нечто, а не просто ничего?».

«Если бы существовало только ничто, — немедленно парировал Моргенбессер, — вас бы и это не устроило».

Если отвлечься от подобных проблем и афоризмов, перед нами встают два интересных вопроса, которые звучат схоже, но серьёзно различаются по смыслу.

1. Могла бы Вселенная просто существовать? Можно ли как минимум представить себе разумные сценарии, при которых Вселенная просто есть и она самодостаточна, либо необходимо представить что-либо вневселенское, чтобы объяснить её существование?

2. Каково наилучшее объяснение существования Вселенной? Если мы можем объяснить существование Вселенной, лишь апеллируя к чему-то вневселенскому, то что это такое? Не будет ли проще и лучше не привлекать никаких дополнительных сущностей?

По Аристотелю, факт существования Вселенной часто приводится как доказательство в пользу бытия Бога. Далее этот тезис продолжается так: Вселенная своеобразна и получилась такой случайно — она вполне могла бы быть иной. Итак, должно существовать что-нибудь, что объясняло бы Вселенную, а затем что-то, что объясняло бы эту основу Вселенной, и так далее по цепочке оснований. Чтобы не угодить в кроличью нору бесконечной регрессии, требуется определить необходимую сущность — такую, которая обязана быть, причём без вариантов, а значит, она и не требует объяснения. Это существо — Бог.

Поэтические натуралисты не рассуждают о необходимости, когда речь заходит о Вселенной. Они предпочитают выложить все возможности, а затем попытаться определить, какую субъективную вероятность следует присвоить каждой из них. Может быть, существует окончательное объяснение; может быть, есть бесконечная цепочка объяснений; может быть, никакого объяснения нет вообще. Достижения современной физики и космологии позволяют совершенно недвусмысленно заключить: Вселенная вполне может существовать без всякой внешней поддержки. Почему она существует именно так, а не иначе — вот с этим стоит разобраться.

* * *

Начнём с относительно простого научно ориентированного вопроса: могла бы Вселенная существовать абсолютно сама по себе, либо что-то обязательно должно было её породить?

Как учил Галилей, одно из основополагающих свойств современной физики заключается в том, что предметы могут двигаться и обычно двигаются без всякой внешней причины или перводвигателя. Грубо говоря, то же справедливо и для Вселенной. Учёный не задал бы вопросы «Почему возникла Вселенная?» или «Чем поддерживается существование Вселенной?». Мы всего лишь хотим знать: «Согласуется ли существование Вселенной с нерушимыми законами природы или объяснение Вселенной нужно искать за пределами этих законов?».

Вопрос осложняется тем, что мы не знаем, каковы именно законы природы на самом деле. Рассмотрим проблему, неразрывно связанную с существованием Вселенной: существовала ли она вечно или возникла в определённый момент — предположительно после Большого взрыва?

Никто не знает. Будь на нашем месте Пьер-Симон Лаплас, веривший в классическую физику Ньютона и насмехавшийся над самой идеей того, что Бог когда-либо мог вмешиваться в устройство природы, то он ответил бы просто: Вселенная существует вечно. Пространство и время незыблемы и абсолютны, причём, в сущности, не важно, что происходит с материей, перемещающейся в пространстве. Время продолжается из бесконечного прошлого в бесконечное будущее. Разумеется, вы всегда вправе рассматривать и другие теории, но в неизмененной ньютоновской физике Вселенная не имеет начала.

Наступил 1915 год, Эйнштейн представил свою общую теорию относительности. Он объединил пространство и время в четырёхмерное пространство–время, а пространство–время не абсолютно — оно динамично, растягивается и сморщивается, реагируя на воздействие материи и энергии. Вскоре мы узнали, что Вселенная расширяется, что позволило предположить, что в прошлом существовала сингулярность и произошёл Большой взрыв. В классической общей теории относительности Большой взрыв — самый первый момент в истории Вселенной. С него началось время.

Затем, в 1920-е годы, мы открыли квантовую механику. «Состояние Вселенной» в квантовой механике — это не просто конкретная конфигурация пространства–времени и материи. Квантовое состояние — это суперпозиция многих различных «классических» возможностей. Поэтому правила игры полностью меняются. В классической общей теории относительности Большой взрыв — это начало пространства–времени; в квантовой общей теории относительности — какова бы она ни была, поскольку никто пока не представил полную формулировку такой теории, — мы не знаем, было у Вселенной начало или нет.

Есть два варианта: либо Вселенная вечна, либо у неё было начало. Дело в том, что квантовомеханическое уравнение Шрёдингера допускает два очень разных решения, соответствующих двум разным видам вселенных.

Согласно одной возможности, время фундаментально и Вселенная изменяется с течением времени. В таком случае уравнение Шрёдингера трактуется однозначно: время бесконечно. Если Вселенная действительно развивается, то она развивалась всегда и будет развиваться неограниченно долго. У неё нет начала и конца. Могут быть моменты, напоминающие наш Большой взрыв, но такие фазы должны быть временными, а после них Вселенной становится «больше», чем до такого события.

Другая возможность заключается в том, что время, в сущности, не фундаментально, а эмерджентно. В таком случае у Вселенной могло быть начало. У уравнения Шрёдингера есть такие решения, которые вообще не предполагают развития вселенных; вселенные просто существуют в неизменном виде.

Может показаться, что всё это лишь математические изыски, не имеющие никакого отношения к реальному миру. В конце концов, кажется совершенно очевидным, что время течёт, проходит мимо нас. В мире классической физики вы были бы правы. Время либо течёт, либо нет; поскольку в нашем мире время идёт, возможность существования безвременной Вселенной не слишком существенна с физической точки зрения.

В квантовой механике всё иначе. Она описывает Вселенную как суперпозицию различных физических возможностей. Мы словно допускаем различные варианты бытия «классического» мира и укладываем их в стопку, получая таким образом квантовый мир. Предположим, мы выбрали очень специфический ряд вариантов бытия мира: конфигурации обычной физической Вселенной, но соответствующие разным моментам времени. Вся Вселенная в 12:00, вся Вселенная в 12:01, вся Вселенная в 12:02 и т. д. — только мы взяли моменты не с минутным интервалом, а отстоящие друг от друга гораздо ближе. Наложим эти конфигурации друг на друга и составим из них квантовую Вселенную.

Это Вселенная, не развивающаяся со временем, — квантовое состояние само по себе просто есть, оно неизменно и вечно. Но любой фрагмент этого состояния выглядит как один момент времени в развивающейся Вселенной. Каждый элемент квантовой суперпозиции выглядит как классическая Вселенная, которая откуда-то взялась и куда-то движется. Если бы в такой Вселенной существовали люди, то в каждый момент этой суперпозиции им всем бы казалось, что время течёт, — точно так же, как кажется и нам. Именно в таком смысле время в квантовой механике может быть эмерджентно. Квантовая механика позволяет рассматривать вселенные, которые фундаментально безвременны, но при определённом огрублении в них возникает эмерджентное время.

Если бы так и было, то проблема «первого» момента во времени вообще бы исчезла. Вся идея «времени» так или иначе оказывается просто аппроксимацией.

Не я это придумал — именно о таком сценарии ещё в начале 1980-х размышляли физики Стивен Хокинг и Джеймс Хартл, которые одними из первых стали разрабатывать тему «квантовой космологии». Они продемонстрировали, как построить квантовое состояние Вселенной, где время не является фундаментальным, а Большой взрыв — начало известного нам времени. Затем Хокинг написал книгу «Краткая история времени» и стал самым знаменитым учёным современности.

* * *

Идея о том, что у Вселенной есть начало — независимо от того, фундаментально или эмерджентно время, — наводит некоторых людей на мысль, что какая-то сила должна была породить Вселенную, и обычно эта сила отождествляется с Богом. Такая догадка оформилась в виде космологического аргумента бытия Бога. Истоки этой идеи прослеживаются вплоть до Платона и Аристотеля. В последние годы её отстаивал теолог Уильям Лэйн Крейг, выразивший эту идею в виде силлогизма.

1. Всё, что возникает, имеет причину.

2. Вселенная возникла.

3. Следовательно, у Вселенной была причина.

Как мы уже убедились, вторая посылка этого аргумента может быть как верной, так и ложной; мы просто пока этого не знаем — современные научные представления не позволяют ответить на этот вопрос. Первая посылка ложна. Говорить о «причинах» неуместно, рассуждая о глубинном устройстве Вселенной. Нужно ставить вопрос не о том, возникла ли Вселенная по какой-либо причине, а о том, согласуется ли начало времени с определённого момента с законами природы.

В течение жизни мы не сталкиваемся со спонтанным возникновением каких-либо объектов. Пожалуй, было бы простительно считать, что как минимум с очень высокой долей субъективной вероятности сама Вселенная также не могла возникнуть из ничего. Однако за этой безобидной с виду идеей скрываются две очень существенные ошибки.

Во-первых, говорить, что у Вселенной было начало, — не то же самое, что утверждать, будто она спонтанно возникла. Вторая формулировка, которая кажется естественной с обыденной точки зрения, сильно завязана на определённый способ восприятия времени. Факт спонтанного возникновения подразумевает, что вот только что чего-то ещё не было, а в следующий момент уже было. Однако, когда мы говорим о Вселенной, такой «предшествующий» момент просто не существует. Нет такого момента времени, который бы непосредственно предшествовал существованию Вселенной, все моменты времени обязательно связаны с уже существующей Вселенной. Вопрос заключается в том, может ли быть такой первый момент, мгновение времени, ранее которого ни одного мгновения не было. Такой вопрос просто не под силу нашей интуиции.

Иными словами, даже если во Вселенной был первый момент времени, неверно говорить, что она «возникла из ничего». Такая формулировка позволяет полагать, что было некоторое состояние бытия, «ничто», которое затем превратилось во Вселенную. Это не так; состояния «ничто» не бывает, и прежде, чем началось время, не было никакой «трансформации». Просто был момент времени, ранее которого других моментов не было.

Во-вторых, ошибка — утверждать, что вещи не возникают из ничего просто так, а не задаваться вопросом, почему такого не происходит в наблюдаемом мире. Почему я считаю, что, как бы мне этого ни хотелось, передо мной не материализуется вазочка с мороженым? Ответ — потому что при этом нарушались бы законы физики, и в частности законы сохранения, согласно которым некоторые вещи с течением времени остаются постоянными — таковы импульс, энергия и электрический заряд. Я могу быть совершенно уверен в том, что вазочка с мороженым передо мной не возникнет, поскольку это нарушало бы закон сохранения энергии.

В том же духе логично полагать, что Вселенная не могла просто взять и возникнуть, ведь в ней полно материи, и эта материя должна была откуда-то взяться. В переводе на язык физики это означает: Вселенная обладает энергией, а энергия сохраняется — она ниоткуда не берётся и никуда не исчезает.

Здесь мы подходим к осознанию важного факта: оказывается, вполне возможно, что у Вселенной было начало, ведь, насколько нам известно, значения всех сохраняющихся количественных характеристик Вселенной (энергии, импульса, заряда) в точности равны нулю.

Неудивительно, что электрический заряд Вселенной равен нулю. Протоны имеют положительный заряд, электроны имеют равный им по модулю, но отрицательный заряд, а протонов и электронов во Вселенной, по-видимому, равное количество, что даёт общий нулевой заряд. Однако утверждать, что энергия Вселенной равна нулю, — совсем другое дело. Во Вселенной явно много объектов, обладающих положительной энергией. Итак, чтобы суммарная энергия Вселенной была равна нулю, в ней должно быть что-то, имеющее отрицательную энергию. Что же это?

Ответ — гравитация. В общей теории относительности есть формула, описывающая энергию сразу всей Вселенной. Оказывается, энергия однородной Вселенной — такой, где материя равномерно распределена в пространстве в очень больших масштабах, — в точности равна нулю. Энергия «материи», то есть вещества и излучения, положительна, но энергия, связанная с гравитационным полем (кривизной пространства–времени), отрицательная, причём это отрицательное значение как раз обнуляет энергию материи.

Если бы значение какой-либо сохраняющейся характеристики Вселенной, например энергии или заряда, было ненулевым, то в ней не могло бы быть первого момента времени — при соблюдении законов физики. Первым моментом в такой Вселенной был бы тот, в котором существовали бы ранее не существовавшие энергия и заряд, что противоречит законам природы. Однако, насколько нам известно, наша Вселенная иная. Вероятно, ничто не мешало такой Вселенной, как наша, просто взять и возникнуть.

* * *

Наука недвусмысленно отвечает на вопрос, могла ли Вселенная существовать совершенно самостоятельно, без всякой внешней поддержки: да, могла. Мы пока не имеем исчерпывающего представления о законах физики, но ничто из того, что известно нам об этих законах, не указывает на необходимость какой-то поддержки, без которой Вселенная не могла бы существовать.

Однако в случае с подобными вопросами научный ответ устраивает не всех. «Ладно, — могут сказать нам, — мы понимаем, что есть такая физическая теория, которая описывает самодостаточную Вселенную, без всякого внешнего агента, который бы её породил или поддерживал её существование. Но эта теория не объясняет, почему всё-таки существует Вселенная. Ответ на этот вопрос придётся искать за пределами науки».

Иногда, атакуя с такого фронта, апеллируют к фундаментальным метафизическим принципам, которые якобы более «основательны», чем законы физики, и которые нельзя рационально отвергать. В частности, Парменид, один из досократовских греческих философов, выдвинул знаменитую максиму «ех nihilo, nihil fit» — «из ничего ничего не происходит». Даже Лукреций, древнеримский поэт, приблизившийся к современному натурализму более, чем кто-либо из представителей античности, разделял подобные убеждения. Если рассуждать таким образом, то не важно, смогут ли физики состряпать самодостаточные теории, согласно которым в космосе однажды наступил первый момент времени; такие теории по определению должны быть неполны, так как нарушают этот драгоценный принцип.

Вероятно, это наиболее вопиющий пример уклонения от сути дела в истории Вселенной. На вопрос, могла ли Вселенная возникнуть, если на то не было никаких первопричин, нам отвечают: «Нет, потому что ничто не может возникнуть без первопричины». Откуда мы это знаем? Если мы ни с чем подобным не сталкивались, то это ещё ни о чём не говорит — Вселенная отличается от различных внутривселенских объектов, с которыми нам приходится иметь дело в повседневной жизни. Ответы «мы не можем себе такого представить» либо «мы не в состоянии построить разумные модели, в которых такое бы происходило» — тоже не приемлемы, поскольку такие представления и модели, конечно же, имеются.

В «Стэнфордской философской энциклопедии» — ресурс, который пишут и редактируют профессиональные философы, — статья «Ничто» начинается с вопроса: «Почему на свете существует нечто, кроме ничто?», на который сразу даётся ответ: «А почему бы и нет?». Хороший ответ. Нет никаких причин, по которым Вселенная не могла бы начаться с какого-то момента во времени, равно как нет причин, по которым она не могла бы существовать вечно даже без помощи каких-либо внешних причинных или стабилизирующих воздействий. Мы, как всегда, должны задавать вопрос, насколько точно те или иные конкурирующие теории согласуются с информацией, которую мы собираем, наблюдая реальную Вселенную.

* * *

Иными словами, наша задача — перейти от первого вопроса: «Может ли Вселенная просто существовать?» (да, может) — ко второму, более сложному: «Каково наилучшее объяснение существованию Вселенной?».

Ответ, разумеется: «Мы не знаем». Понимая, что время может быть эмерджентно и что законы физики отлично согласуются с тем, что во Вселенной был первый момент времени, нам, возможно, будет проще объяснить, как возникла Вселенная, но при этом всё равно совершенно неясно, почему она возникла. Непонятно, почему вообще существуют именно такие законы физики. Почему квантовая механика, а не классическая? Почему во Вселенной, по-видимому, три пространственных измерения и одно временное, а также именно такой паноптикум частиц и взаимодействий, который мы открыли?

Возможно, что некоторые из этих ответов частично помогают понять более широкий физический контекст. Так, в современных теориях гравитации предусматриваются сценарии, при которых число измерений пространства–времени в разных частях Вселенной может различаться. Возможно, существует какой-то динамический механизм, из-за которого измерений всего четыре.

Однако такой ответ не может быть полным. Во-первых, почему возник такой динамический механизм? Иногда учёные мечтают, как бы открыть, что законы физики в чём-то уникальны — что на свете могут существовать только такие законы. Вероятно, это нереалистичная, голубая мечта. Несложно представить себе самые разные варианты того, как могли сложиться законы природы. Возможно, Вселенная могла быть классической, а не квантовой. Возможно, она получилась бы ячеистой и напоминала шахматную доску, где с течением времени биты информации перещёлкивались бы дискретными наборами. Возможно, вся реальность могла быть заключена в одной точке и там не было бы ни пространства, ни времени. Может быть, существовала бы Вселенная, вообще лишённая всяких закономерностей, где не было бы ничего такого, что можно было бы назвать «законами физики».

Окончательного ответа на этот вопрос «почему?» может и не быть. Вселенная просто существует — вот так, а не иначе, и это упрямый факт. Как только мы составим максимально исчерпывающую картину устройства Вселенной, в ней не останется более глубоких уровней, которые могли бы быть открыты.

Теисты полагают, что у них есть ответ получше: существует Бог, и Вселенная именно такова потому, что Бог желал видеть её такой. Натуралисты обычно находят такую точку зрения неубедительной. Почему существует Бог? Но на этот вопрос есть ответ или хотя бы попытка ответа, на что мы намекали в начале этой главы. Согласно такой аргументации, Вселенная появилась случайно: её могло и не быть либо она могла быть иной, поэтому её существование необходимо объяснить. Однако Бог необходим; его бытие безальтернативно, поэтому и дальнейших объяснений ему не требуется.

Однако Бог не необходим, поскольку необходимых сущностей не бывает. Возможны самые разнообразные варианты реальности: в некоторых из них есть сущности, которые было бы разумно отождествить с Богом, а в других нет. Нельзя обойти сложную проблему (необходимость выяснить, в какой именно Вселенной мы живём), просто полагаясь на априорные принципы.

Важна обоюдная честность. Учитывая, что принято понимать под словом «Бог», сам факт наличия закономерностей во Вселенной, в частности таких закономерностей, которые допускают существование человека, кажется более вероятным при теизме, чем при натурализме. Вероятно, заботливое божество предусмотрело бы во Вселенной возможности для обитания, а не сотворило бы просто голый космос. Если бы мы знали только о существовании Вселенной, подчиняющейся физическим законам, то упомянутое доказательство заставило бы нас склониться в пользу теизма.

Разумеется, у нас есть и другие доказательства. Как было показано в главе 18, натуралисты находят во Вселенной многие аспекты, которые плохо согласуются с теизмом и убедительно свидетельствуют против него. Теистическая аргументация смотрелась бы убедительнее, если бы она не ограничивалась тезисом «Бог хотел создать удобную для жизни Вселенную, и поэтому мы здесь», а переходила к конкретным аспектам физического мира, в частности к таким, которые мы ещё не открыли. Если вы берётесь утверждать, что такие физические условия, как в нашей Вселенной, доказывают существование Бога, то также должны считать, что достаточно хорошо понимаете мотивацию Бога — достаточно, чтобы утверждать, что Бог скорее бы создал вот такую Вселенную, а не иную. И если это так, то логично задать и другие вопросы. Сколько галактик хотел создать Бог? Из чего Бог сотворил тёмную материю?

Ответы на эти вопросы могут существовать в рамках натурализма или теизма. Либо можно просто жить дальше, принимая Вселенную такой, какая она есть. Однако мы не вправе требовать таких объяснений, которых Вселенная, возможно, не может нам дать.

 

Глава 26

Тело и душа

Возможно, в другом мире, чуть-чуть отличающемся от нашего, та женщина, которую мы знаем как принцессу Елизавету Богемскую, могла бы стать влиятельным и прославленным философом или учёным. На самом деле мы узнали о её идеях, прежде всего, из её переписки с великими мыслителями своего времени, особенно с Рене Декартом. Елизавета, известная своей добродетелью и набожностью, в конце жизни была властной настоятельницей крупного монастыря в Саксонии. Однако наиболее выдающимися качествами этой женщины были её свободомыслие и критический ум, поэтому она даже оспаривала одно из самых известных убеждений Декарта о дуализме души и тела, согласно которому душа или разум — это нематериальная субстанция, обособленная от тела. Если это так, допытывалась она, то каким образом две эти сущности общаются друг с другом?

Сейчас мы ответили бы так: наши тела состоят из атомов, которые, в свою очередь, состоят из элементарных частиц, а эти частицы подчиняются уравнениям Базовой теории. Если вы хотите сказать, что разум — обособленная субстанция, а не просто одна из дефиниций совокупного воздействия всех этих частиц, то как эта субстанция взаимодействует с частицами? В чём неверны уравнения Базовой теории и каким образом их следует исправить?

* * *

В начале XVII века Священная Римская империя была рыхлой конфедерацией городов-государств, большей частью расположенных на территории современной Германии. Одним из наиболее влиятельных княжеств было Курфюршество Пфальц — союз муниципалитетов, разбросанных по берегам Рейна. Там в 1618 году родилась Елизавета Зиммерн ван Палландт, дочь Фридриха V, курфюрста Пфальцского и Елизаветы Стюарт, которая приходилась дочерью королю Англии Джеймсу I. Мы могли бы подумать, что Елизавете выпало бурное детство, хотя, пожалуй, в те времена все отпрыски королевских семей росли в такой обстановке.

Елизавета Пфальцская, настоятельница Герфордского аббатства, княгиня Богемская, 1618–1680

Елизавета выросла не в Богемии. После краткого и малоуспешного правления в Богемии её родители были вынуждены искать убежища в Нидерландах. Некоторое время Елизавета воспитывалась у бабушки в Гейцдельберге, а затем в возрасте девяти лет отправилась в Гаагу вместе с остальными членами изгнанного семейства. В ходе всех этих перипетий она умудрилась получить обширные познания — в частности, изучала философию, астрономию, математику, юриспруденцию, историю и классические языки, на которых говорила так бегло, что братья и сёстры прозвали её «гречанкой». Отец умер, когда Елизавете было двенадцать, оставив её на попечение совершенно не интересовавшейся ею матери, которая лишь поддевала Елизавету за её серьёзные академические манеры. Домашняя обстановка тяготила её, поскольку порядочность она ценила выше придворного этикета.

Елизавета не жила той беззаботной и роскошной жизнью, какой было положено жить принцессе, однако ей удавалось активно и увлечённо участвовать как в интеллектуальных, так и в политических событиях. Она решительно выступала за социальную справедливость, дружески поддерживала Уильяма Пенна и других видных квакеров, несмотря на то что их убеждения могли противоречить духу кальвинизма, в котором её воспитали. Насколько известно, всего однажды она получала предложение вступить в брак — к ней посватался престарелый король Владислав IV Польский, с которым она никогда не встречалась лично. Польский сейм одобрил бы такую партию только при условии, что Елизавета перейдёт в католическую веру; она отказалась, поэтому свадьбу отменили.

В 1667 году Елизавета ушла в монастырь Герфордского аббатства, где впоследствии стала настоятельницей. В монашестве она не превратилась в отшельницу, а продолжала активно заниматься филантропией и гуманитарной деятельностью, предлагая в своём аббатстве приют всем, кого преследовали за убеждения. Кроме того, она фактически управляла тем городом, рядом с которым располагалось аббатство. Она умерла в 1680 году, но, уже будучи смертельно больной, успела привести все дела в порядок и написать прощальное письмо сестре Луизе.

* * *

В нашем мире Рене Декарт определённо преуспел, став влиятельным и прославленным философом и учёным. Как мы знаем, он с глубоким скептицизмом относился к физическому миру и в конечном итоге верил лишь в собственное существование (и бытие Бога), добиваясь всего в жизни самостоятельно. Однако в данный момент нас интересуют взгляды Декарта на дуализм души и тела.

Именно в «Размышлениях о первой философии», той самой работе, где Декарт постулировал собственное существование, он отстаивал идею о том, что разум не зависит от тела. Эта мысль не так уж и безумна. Как живые организмы, так и неживые объекты явно состоят из «материи», но сознающие существа явно отличаются от бессознательной материи в одном важном отношении. Кажется, по крайней мере на первый взгляд, что душа или разум значительно отличается от тела.

Аргументация Декарта была довольно проста. Он уже обосновал, что можно сомневаться в существовании многих вещей, даже того стула, на котором сидишь. Поэтому не составляет труда усомниться в существовании собственного тела. Однако сомневаться в бытии разума невозможно — вы мыслите, а значит, разум действительно существует. При этом если сомневаться в реальности своего тела можно, а в реальности разума нельзя, то это должны быть две разные вещи.

Тело, развивал свою мысль Декарт, работает, как механизм, — у него есть материальные свойства, оно подчиняется законам движения. Разум — совершенно иная сущность. Мало того, что он не состоит из материи, разум даже не занимает определённого места в материальном мире. Чем бы ни был разум, он очень отличается от столов и стульев, обретается на каком-то совершенно ином уровне бытия. Такие взгляды называются субстанциальный дуализм, так как тело и разум в данном случае позиционируются как две разные субстанции, а не просто два разных аспекта однородной основополагающей материи.

Однако тело и разум, естественно, взаимодействуют друг с другом. Конечно же, мозг общается с телом, приказывая ему совершить то или иное действие. Декарт чувствовал, что такое воздействие работает и в обратном направлении: тело может влиять на разум. Такую позицию во времена Декарта разделяли немногие, хотя на первый взгляд она кажется практически неоспоримой. Если удариться обо что-нибудь пальцем, то, разумеется, в первую очередь страдает тело, но боль ощущает разум. Для картезианца-дуалиста мозг и тело постоянно сосуществуют в непрекращающейся череде воздействий и реакций.

* * *

Елизавета прочла «Размышления» Декарта в 1642 году, вскоре после первой публикации этой работы. Она была заинтригована, но отнеслась к книге скептически. К счастью для неё: 1) Декарт сам в то время жил в Нидерландах и 2) она была принцессой. Достаточно скоро ей довелось лично поделиться своими соображениями с философом.

Когда в 1631 году отец Елизаветы умер, её мать Елизавета Стюарт встала во главе необузданного семейства, обременённого долгами. Она часто проводила салоны, где коротали время политики, учёные, художники и авантюристы. Одно такое мероприятие, на котором присутствовала и Елизавета, посетил Декарт, но образованной девушке не хватило духу самой вступить в беседу со знаменитым мыслителем. Вскоре она призналась в своём интересе к последним работам Декарта их общей подруге, которая и познакомила её с Декартом.

Никогда не помешает заручиться поддержкой особ королевской крови, даже если их семейство не властвует и даже бедствует. Поэтому при следующем визите в Гаагу Декарт вновь остановился в гостях у изгнанной королевы Богемской. Так сложилось, что Елизаветы тогда не было дома. Однако через несколько дней Декарт получил от неё письмо и началась переписка, которая продолжалась вплоть до смерти Декарта в 1650 году.

В письмах Елизаветы безукоризненный этикет сочетается с нетерпением интеллектуала и нежеланием говорить обиняками. После небольшой вежливой преамбулы она сразу переходит к тем проблемам, которые усматривает в декартовском дуализме души и тела. Её стиль требователен и критичен:

Как душа человеческая может определять душевное расположение человека таким образом, чтобы сподвигнуть его на произвольные поступки (учитывая, что душа — лишь мыслящая субстанция)? Ведь представляется, что вся определённость движения заключается в усилии, приложенном к сдвигаемому предмету, либо в воздействии движущегося предмета, который сдвигает другой, перемещаемый, или в свойствах или очертаниях поверхности такого предмета. Для первых двух случаев необходимо соприкосновение, для третьего — протяжённость. Если говорить о соприкосновении, Вы полностью исключаете участие души (таковой, как Вы её представляете), а нематериальное, как мне кажется, не может обладать протяжённостью. Поэтому прошу Вас предложить более полное определение душе, нежели содержится в Вашей «Метафизике».

Этот вопрос затрагивает самую суть разделения разума и тела. Вы утверждаете, что разум и тело воздействуют друг на друга, отлично. Но как именно? Что при этом происходит?

Здесь не обойтись фразой: «Пока мы этого не знаем, но рано или поздно выясним». Предположительно Елизавета не была физикалистом, то есть не считала, что мир состоит только из физической материи. В 1643 году так считали немногие. Она была благочестивой христианкой и, скорее всего, с готовностью верила, что жизнь не ограничивается тем миром, который непосредственно дан нам в ощущениях. Но при этом она была и предельно честна, поэтому не могла понять, как нематериальная сила позволяла бы перемещать материальное тело. Когда одно тело толкает другое, два этих предмета должны находиться в одном и том же месте. Но разум нигде не «находится» — он не является частью физического мира. Разум может мыслить, например: «Понял — Cogito, ergo sum». Как же такая мысль заставляет тело взять перо и вывести им эти слова на бумаге? Как вообще представить нечто, не обладающее ни протяжённостью, ни положением в пространстве, но способное воздействовать на обычный физический объект?

Первый ответ Декарта получился чрезмерно заискивающим и в то же время несколько снисходительным. Он хотел остаться у принцессы в фаворе, но на первый раз вообще не воспринял её вопрос всерьёз, отделавшись вялым объяснением, что «разум» чем-то напоминает «тяжесть», но не вполне. Предложенный им аргумент сводился к следующему.

   • Нас интересует, как нематериальная субстанция, такая как душа, может влиять на движения физического объекта — в нашем случае тела.

   • Итак, «тяжесть» — это нематериальное свойство, а не физический объект как таковой. Но всё-таки мы часто говорим о тяжести как об эффекте, присущем физическим объектам: «Я не смог поднять этот пакет, так как он был слишком тяжёлым». Таким образом, мы приписываем этому свойству условную силу.

   • Конечно же, сразу оговаривается он, разум не вполне таков, поскольку на самом деле является особой субстанцией. Тем не менее механизм воздействия разума на тело, пожалуй, аналогичен влиянию тяжести на объекты, хотя разум и является подлинной субстанцией, а тяжесть нет.

Если вы запутались, то это неудивительно, поскольку декартовское объяснение бессмысленно. Однако, по иронии судьбы, Декарт был недалёк от истины. Для поэтического натуралиста «разум» — просто одна из трактовок поведения определённых совокупностей физической материи, точно так же, как и «тяжесть». Проблема в том, что Декарт — никакой не натуралист. Ему потребовалось объяснить, как нечто нефизическое может воздействовать на нечто физическое, и предложенная им версия оказалась никуда не годной.

Елизавета ею не впечатлилась. В последующих письмах она продолжает допытываться у него об этой проблеме, объясняя, что отлично представляет себе, что такое тяжесть, но ума не приложит, как это помогает понять взаимодействие физического тела с нематериальным разумом. Она спрашивает, почему разум, совершенно не зависящий от тела, может так подвергаться его воздействию — например, почему подавленность так сильно притупляет рассудок.

Декарт так и не дал ей удовлетворительного ответа. Он считал, что разум и тело нельзя уподобить капитану и его кораблю, полагая, что разум заставляет материальный объект двигаться; нет, разум и тело «тесно связаны» и «переплетены друг с другом». Причём, предполагал он, это переплетение возникает в совершенно конкретном органе — эпифизе; это крошечная железа в мозге позвоночных, которая (как мы теперь знаем) выделяет гормон мелатонин, регулирующий ритмы сна и бодрствования. Декарт уделял внимание данному конкретному органу, поскольку казалось, что это единственная цельная, а не двухполостная часть мозга; при этом Декарт считал, что в каждый момент времени в мозге может быть только одна мысль. Он предполагал, что эпифиз — физический объект, который может подчиняться как «иррациональным началам» тела, так и воздействию нематериальной души, причём опосредует их взаимное влияние.

Предположение о том, что эпифиз служит «резиденцией души», так и не прижилось даже среди мыслителей, в остальном симпатизировавших картезианскому дуализму. Люди не оставляли попыток понять, как могут взаимодействовать разум и тело. Николя Мальбранш, французский философ, родившийся за несколько лет до того, как началась переписка между Елизаветой и Декартом, полагал, что Бог — единственный каузальный агент в мире и что все взаимодействия между разумом и телом опосредуются вмешательством Бога. Как позже отмечал Ньютон, рассуждая о зрении, «не так просто определить, какие разновидности или действия света порождают в наших умах иллюзию цвета».

Иллюстрация, демонстрирующая воздействие эпифиза, из трактата Декарта «О человеке» (рисунок Рене Декарта)

* * *

Ответ на вопрос о том, как нематериальная душа может взаимодействовать с материальным телом, и сегодня представляет для дуалистов огромную проблему — на самом деле, стало ещё сложнее понять, как к нему подступиться. Хотя Елизавета и указывала на некоторые шероховатости этой идеи, она не привела неопровержимого аргумента в пользу того, что души и тела не могут взаимодействовать каким-либо образом. Она просто отметила важнейшую проблему дуалистического мировоззрения: сложно понять, как нечто нематериальное может влиять на движения чего-то материального. Иногда верующие указывают на тот или иной аспект натурализма, который пока не удаётся полностью истолковать — таковы, например, происхождение Вселенной, природа сознания, — и, не получив объяснения, объявляют о победе над натурализмом. Такие аргументы по праву заслужили уничижительную характеристику как апелляции к «Богу белых пятен», при которых доказательство божественного пытаются искать там, где пока остаются пробелы в нашей физической картине мира. Аналогично неспособность Декарта и его последователей объяснить, как взаимодействуют душа и тело, не подрывает основ дуализма раз и навсегда; утверждая обратное, мы бы впадали в «натурализм белых пятен».

Да, при этом отчётливо проявляются сложности, с которыми неизбежно сталкивается дуализм. Сегодня эти сложности даже существеннее, чем мог представить себе Декарт. Современная наука значительно полнее характеризует материальные взаимодействия, чем наука XVII века. Базовая теория современной физики подробнейшим образом описывает атомы и силы, лежащие в основе нашего тела и разума, в контексте жёсткой и строгой совокупности формальных уравнений, не оставляющих никаких лазеек для нематериальных воздействий. В то же время рассуждения о нематериальной душе не достигли такой степени точности. Вполне можно предположить, что душа перемещает протоны и электроны нашего тела каким-то образом, который мы пока не открыли. Однако такая версия подразумевает, что современная физика в корне ошибочна, хотя эту ошибочность пока и не удалось зафиксировать ни в одном контролируемом эксперименте. Как следует изменить уравнение Базовой теории (приведено в приложении), чтобы оно допускало влияние души на взаимодействия частиц в нашем теле? Это проблема, преодолеть которую весьма сложно.

Пока вопросы Елизаветы остаются без ответов. Британский философ XX века Гилберт Райл критически отзывался о так называемой догме Бога из Машины (термин самого Райла). Райл считал, что представление о разуме как о некой сущности, отдельной от тела, — это одна большая ошибка, причём не только применительно к работе мозга, но и в фундаментальном отношении. Мы определённо не вполне понимаем, как движущаяся материя порождает мысли и чувства. Однако, насколько мы понимаем, составить такую картину должно быть гораздо проще, чем описать разум как совершенно самостоятельную сущностную категорию.

Другая стратегия практикующего дуалиста — отказаться от прямолинейного картезианского «субстанциального дуализма», где разум и материя считаются двумя разными субстанциями, и изобрести что-то более изящное. Идея дуализма свойств заключается в том, что есть всего одна субстанция — материя, но она обладает как физическими, так и ментальными свойствами. Можно себе представить, как принцесса Елизавета отнеслась бы к этой идее: «Итак, как же ментальные свойства влияют на физические?». Мы подробнее обсудим этот вопрос, но уже вполне очевидно, что, избирая дуализм свойств, мы просто отодвигаем решение проблемы на один шаг, а не снимаем её.

* * *

Несмотря на упорные сомнения в вопросе взаимодействия разума и тела, Елизавета оказала глубокое влияние на последующие работы Декарта. Они обсуждали научные тонкости, такие, например, как в этом абзаце из её письма.

Думаю, вы немедленно разочаруетесь в степени моей образованности, как только узнаете, что я не понимаю, как образуется ртуть, одновременно столь текучая и при этом тяжёлая, что противоречит тому определению тяжести, что вы давали. Кроме того, когда тело E на рисунке со с. 255 оказывает давление, будучи сверху, почему оно не противодействует этой силе, будучи снизу, как противодействовал бы воздух, покидая корабль, на который он оказывал давление?

Важнее, что Елизавета горячо упрекала Декарта в чрезмерной отстранённости и в том, что он сам не интересовался своей моральной и этической философией, указывала, что ему следует уделять больше внимания обыденной человеческой реальности и «страстям» (сегодня мы сказали бы «эмоциям»). Последняя опубликованная работа Декарта, посвященная Елизавете, называлась «Страсти души» и может считаться ответом на её указания.

Елизавета была ревностной христианкой времен поздней Реформации, а не представительницей современного натурализма. Она попала на страницы этой книги не в силу своих убеждений, а благодаря тому, каких подходов и методологий придерживалась. Её не устраивала «уютная» картина мира, где существовал бы дуализм души и тела, она без колебаний отвергла такое мировоззрение. Как всё работает? Как это двигает то? Как мы это узнаем? Хорошие вопросы, которые следовало бы задать, независимо от того, как вы в конечном счёте воспринимаете фундаментальную природу реальности.

 

Глава 27

Смерть — это конец

Одно из самых потрясающих свойств Базовой теории, описывающей физику повседневной реальности, — это её неизменность. Мы описываем конкретную физическую ситуацию, например конфигурацию атомов и ионов в одном из нейронов мозга, и теория с величайшей точностью прогнозирует, как будет развиваться эта ситуация. В микромасштабе квантовая механика подразумевает, что результаты конкретных актов измерения будут выражаться не в точных значениях, а в вероятностных, но эти вероятности однозначно вписываются в теорию; стоит нам рассмотреть большую совокупность частиц — и поведение всей системы станет фантастически предсказуемым (как минимум для столь мощного интеллекта, как у демона Лапласа). Нет никакой неопределённости или белых пятен, которые ещё предстояло бы заполнить; уравнения показывают, как материя и энергия ведут себя в любой заданной ситуации, идёт ли речь о Земле, вращающейся вокруг Солнца, или об электрохимических импульсах, каскадом пронизывающих вашу центральную нервную систему.

Благодаря такой неизменности современная формулировка вопроса принцессы Елизаветы оказывается гораздо более наболевшей, чем она была в XVII веке. Будь вы физикалист, считающий, что мы состоим только лишь из частиц, описываемых Базовой теорией, либо считаете, что в человеке есть критически важный нефизический компонент, вы, конечно, признаёте, что элементарные частицы входят в состав человека. Если вы хотите сказать, что существует что-то ещё, то должны объяснить, как это «нечто» взаимодействует с частицами — иными словами, в чём Базовая теория является неполной и требует доработки.

Для того чтобы серьёзно подступиться к этой проблеме, не обязательно иметь «Теорию души», столь же строгую и проработанную, как Базовая теория физики. Однако обсуждать изменение Базовой теории следует, опираясь на конкретный, численный подход. Должен быть способ взаимодействия «душевного материала» с теми полями, из которых мы состоим, — с электронами, фотонами либо с чем-то ещё. Не нарушают ли такие взаимодействия законов сохранения энергии, импульса или электрического заряда? Оказывает ли материя ответное воздействие на душу, либо принцип действия и противодействия в данном случае нарушается? Существует ли «виртуальный душевный материал» наряду с «реальным душевным материалом», и влияют ли квантовые флуктуации душевного материала на измеряемые свойства обычных частиц? Либо душевный материал не вступает в непосредственное взаимодействие с частицами, а просто влияет на квантовые вероятности, связанные с результатами измерений? Является ли душа одним из «скрытых параметров», играющим важную роль в квантовой онтологии?

Если вам угодно быть дуалистом и верить в нематериальную душу, которая бы играла какую-либо роль в нашем человеческом бытии, то нужно обязательно ответить на эти вопросы. Мы не устраиваем подставу, требуя выложить нам полноценную математическую теорию души; мы просто спрашиваем, как душа должна влиять на ту математическую теорию квантовых полей, которая у нас уже есть.

* * *

Ненадолго абстрагируемся от возможности существования нематериальной души или других нефизических эффектов, которые могли бы влиять на нашу земную жизнь. Рассмотрим более прямолинейную интерпретацию тех знаний, которыми сейчас располагаем: Базовая теория является основой всех явлений, с которыми мы сталкиваемся в повседневности, в том числе основой нас с вами. Как такая картина сказывается на наших представлениях о человеческих возможностях, а также нашем месте в мироздании?

Мы уже указывали на наиболее очевидное следствие Базовой теории: нельзя гнуть ложки силой мысли. На самом деле можно, но только традиционным способом: мозг посылает сигнал рукам, вы берёте со стола ложку и сгибаете её.

Аргумент прост. Ваше тело, и ваш мозг в частности, состоит из нескольких видов частиц (электронов, u-кварков и d-кварков), которые влияют друг на друга посредством нескольких сил (гравитации, электромагнетизма, сильных и слабых ядерных взаимодействий). Если вы не протянете руку и не дотронетесь до ложки, то любое ваше воздействие на неё будет осуществляться через одну из сил. Речь не идёт ни об одной из ядерных сил, поскольку они действуют лишь на микроскопических расстояниях. Речь не идёт и о гравитации, так как гравитация слишком слаба. (Не зная о Базовой теории, вы могли бы предположить, что достаточно всего лишь увеличить силу гравитации либо как-то иначе манипулировать ею. В реальном мире это не сработает. Совокупность частиц, например ваш мозг, создаёт хорошо предсказуемое гравитационное поле, определяемое его общей энергией. Мы не живём в научно-фантастическом фильме.)

Остаётся электромагнетизм. В отличие от гравитации, потенциальной электромагнитной силы вашего тела вполне достаточно, чтобы гнуть ложки, — именно это и происходит, когда вы гнёте их руками. В сущности, все химические процессы происходят благодаря электромагнитным силам, воздействующим на электроны и ионы (ион — это заряженный атом, электронов в котором больше или меньше, чем протонов). Предельно упрощая сложный биологический процесс, можно сказать, что мышцы сокращаются, когда ионы кальция заставляют один белок (миозин) скользить по волокнам другого белка (актина), затрачивая на это энергию, запасённую в молекулах аденозинтрифосфата (АТФ). Это взаимодействие сравнительно небольшого множества электронов, ионов и электромагнитных сил, но его достаточно, чтобы вы смогли согнуть ложку так, как хотите.

Можно вообразить, что мозг был бы в состоянии каким-то способом фокусировать электромагнитную энергию и воздействовать на удалённые объекты, к которым человек не прикасается. Хотя мозг до отказа набит заряженными частицами, их электрическое поле большей частью нейтрализуется, поскольку число положительно заряженных протонов и отрицательно заряженных электронов практически равно. Вполне можно себе представить, что эти частицы могли бы двигаться и упорядочиваться нужным образом, генерируя электрическое или магнитное поле, которое позволяло бы согнуть ложку (заряженные частицы в состоянии покоя окружены электрическим полем, а в движении они вдобавок генерируют магнитное поле). В конце концов, нечто подобное происходит в радиопередатчиках и приёмниках: сигнал отправляется, когда движущиеся заряженные частицы порождают электромагнитные волны, а эти волны затем начинают двигаться внутри приёмников.

Если представить себе, что мозг работает подобно фантастическому притягивающему лучу, такая система не нарушит законов физики, но не будет функционировать по прозаическим причинам. Сам мозг имеет тонкую и сложную организацию, поэтому можно себе представить, что он генерирует сильное магнитное поле. Тем не менее, возникнув, такое поле окажется топорным инструментом. Ложки никакой сложной организацией не обладают — это просто инертные куски металла. Какое-либо электромагнитное поле, сгенерированное мозгом, отнюдь не станет фокусироваться на ложке так, как вы этого хотите; ведь его было бы крайне несложно заметить совсем по другим причинам. Любой металлический объект в зоне действия силового поля просто начинал бы летать, и параметры поля можно было бы измерить обычными методами. Следует ли говорить, что подобное поле так и не было обнаружено, а многочисленные мистификации, при которых ложку якобы удавалось гнуть силой мысли, были разоблачены.

То же касается феноменов вроде астрологии. Лишь два поля других планет могут воздействовать на Землю: гравитационное и электромагнитное. Гравитация, опять же, слишком слаба, чтобы оказывать какое-либо влияние; так, воздействие гравитационного поля Марса на предметы, расположенные на Земле, сопоставимо с воздействием стоящего рядом человека. С электромагнетизмом ситуация ещё яснее: все электромагнитные сигналы с других планет просто теряются на фоне более прозаических источников электромагнетизма.

Конечно, вполне допустимо проводить тщательные двойные слепые исследования, пытаясь обнаружить парапсихологические или астрологические эффекты, но тот факт, что подобные эффекты несовместимы с известными законами физики, означает: вы будете проверять столь маловероятную гипотезу, что это вряд ли стоит ваших усилий.

* * *

Признавая, что Базовая теория является основой того мира, который мы воспринимаем в повседневной реальности, мы приходим ещё к одному глубокому выводу, а именно: жизни после смерти не существует. Каждому из нас как живому существу отведён конечный промежуток времени, и когда он заканчивается, после него уже ничего нет.

Логика такого утверждения ещё проще, чем аргументы против телекинеза и астрологии. Если каждое живое существо состоит лишь из частиц и сил, описываемых Базовой теорией, и не имеет нематериальной души, то информация, составляющая ваше «я», содержится в структуре атомов, образующих ваше тело, в том числе мозг. Эта информация никуда не переходит, она никоим образом не может сохраняться за пределами вашего тела. Нет таких частиц или полей, которые могли бы хранить и уносить эту информацию.

Такая точка зрения может показаться странной, поскольку, на первый взгляд, создаётся впечатление, что живое существо обладает некой «силой», или «энергией». Естественно, кажется, что как только живое существо умирает, её больше нет. Куда же, спрашивается, девается после смерти энергия, связанная с жизнью?

Фокус в том, что жизнь следует воспринимать как процесс, а не как субстанцию. Когда свеча горит, у неё есть пламя, определённо обладающее энергией. Когда мы гасим свечу, её энергия никуда не «уходит». Свеча по-прежнему обладает энергией, содержащейся в её атомах и молекулах. Однако процесс горения прекращается. Так и с жизнью: жизнь — не «материя», а совокупность происходящих явлений. Когда этот процесс останавливается, жизнь прекращается.

Жизнь — это способ рассуждения о конкретной последовательности событий, происходящей на уровне атомов и молекул, упорядоченных нужным образом. Такая трактовка не всегда была очевидна: в XIX веке процветала доктрина под названием витализм, согласно которой жизнь зарождается от своеобразной искры, или энергии, которую французский философ Анри Бергсон назвал élan vital (жизненная сила). К настоящему времени эта идея уже разделила судьбу других подобных доктрин XIX века, предполагавших существование новых субстанций, которые сегодня считаются просто способами рассуждения о динамике обычной материи. Так, считалось, что существует «флогистон» — особый элемент, содержащийся в горючих веществах и выделяющийся при их сгорании. Сегодня мы знаем, что горение — это просто бурная химическая реакция, при которой молекулы соединяются с кислородом. Аналогично существовало представление о гипотетическом флюиде «теплороде», представляющем собой теплоту, заключённую в теле и перераспределяющуюся от более горячих объектов к более холодным. Сегодня мы понимаем теплоту как количество энергии, содержащейся в хаотических тепловых движениях атомов и молекул.

Вновь и вновь нечто, казавшееся нам когда-то своеобразной субстанцией, оказывается ещё одним свойством, присущим движущейся материи. То же касается и жизни.

* * *

Люди выдвигают прямые доказательства загробной жизни, в качестве которых приводятся околосмертные переживания и даже случаи реинкарнации. Зачастую утверждают, что пациенты, находившиеся при смерти, видели вещи, которые, вероятно, не видели ранее, либо что маленькие дети вспоминают о давно прошедших событиях, знать о которых не могли. После тщательной проверки выясняется, что абсолютное большинство таких свидетельств не столь существенны, как могли показаться. Известен случай Алекса Маларки (он честно использовал своё настоящее имя), который написал книгу «Мальчик, вернувшийся с небес» в соавторстве с отцом Кевином. После того как книга стала бестселлером и по ней сняли фильм, Алекс признался, что его история о попадании в рай и встрече с Иисусом во время околосмертных переживаний была целиком и полностью выдумана.

Ни один заявленный случай посмертного опыта не проверялся в соответствии со строгими научными протоколами. Попытки были: было проведено несколько опытов, призванных найти подтверждение внетелесных переживаний у людей, побывавших при смерти. Исследователи посещали больничные палаты и, ничего не говоря больным или медперсоналу, прятали какой-либо визуальный маркер, который пациент должен был бы заметить, свободно «летая» вне тела. До сих пор не было ни одного случая, в котором кто-либо чётко увидел бы этот маркер.

Оценивая правдивость таких заявлений, нужно соотносить их с научными знаниями, полученными в гораздо более контролируемых условиях. Возможно, что известные законы физики принципиально ошибочны и человеческое сознание действительно может сохраняться после смерти тела; однако также возможно, что в экстремальных околосмертных состояниях люди галлюцинируют, а сообщения о «прошлой жизни» преувеличены или выдуманы. Каждый должен правильно расставлять априорные вероятности и уточнять их максимально объективно.

* * *

Может показаться, что глубоко ошибочно делать такие безоговорочные заявления о человеческих возможностях и их пределах на основе столь узкой и малопонятной дисциплины, как квантовая теория поля. Однако квантовые поля, бесспорно, часть нас с вами. Если человек только из них и состоит, то мы без труда должны понять, какова подоплёка этого факта для нашей жизни. Если есть ещё что-то, кроме квантовых полей, то логично пытаться понять это нечто (и искать доказательства его существования) и убедиться, что данное нечто является не менее точным, строгим и воспроизводимым, чем квантовая теория поля.

Если мы — совокупности взаимодействующих квантовых полей, то этот факт имеет грандиозные следствия. Дело даже не в том, что мы не можем гнуть ложки силой мысли, или в том, что после смерти наша жизнь прекращается. Законы физики, управляющие этими полями, однозначно безличные и нетелеологические. Если мы — всего лишь часть физической Вселенной, то человеческая жизнь не имеет какой-либо высшей цели, равно как её не имеет и вся остальная Вселенная. Сама концепция «личности» — это в конечном счёте способ рассуждения об определённых аспектах базовой реальности. Это хороший способ рассуждения, и у нас есть веские причины всерьёз относиться ко всем следствиям такого описания, в частности к тому факту, что у каждого человека есть собственные цели и он может самостоятельно принимать решения. Лишь начиная воображать какие-либо силы или явления, которые противоречат законам физики, мы сбиваемся с пути.

Если мир, наблюдаемый в наших экспериментах, — лишь крошечная часть более обширной реальности, то эта реальность должна как-то влиять на видимый нами мир; в противном случае она почти ничего не означает. А если она действительно на нас влияет, это неизбежно должно сказываться и на законах физики, какими мы их понимаем. У нас не просто отсутствуют серьёзные доказательства в пользу такого влияния, но и нет даже каких-либо хороших версий того, в какой форме оно могло бы проявляться.

Перед естествоиспытателями стоит непростая задача — показать, что чисто физическая Вселенная, состоящая из взаимодействующих квантовых полей, действительно способна описать наблюдаемый макроскопический мир. Можно ли понять, как в мире без трансцендентной цели возникают порядок и сложность, даже с учётом возрастания энтропии, обусловленного вторым законом термодинамики? Можно ли осмыслить сознание и внутренний опыт, не апеллируя к внефизическим субстанциям или свойствам? Можно ли привнести в нашу жизнь смысл и мораль и разумно говорить о том, что правильно, а что неверно?

Давайте попробуем.