Наша математическая вселенная

Тегмарк Макс

Часть II. Всё мельче и мельче

 

 

Глава 7. Космическое «лего»

 

«Нет, это какая-то ерунда! Здесь где-то ошибка», — я один в комнате подруги в стокгольмском общежитии готовлюсь к первому экзамену по квантовой механике. В учебнике говорится: малые объекты, вроде атомов, могут находиться в нескольких местах одновременно, а крупные объекты, вроде людей, — не могут. «Как бы не так! — говорю я себе. — Люди состоят из атомов, и если те могут быть в нескольких местах сразу, то и мы, конечно, тоже!» Там также сказано, что всякий раз, когда некто наблюдает, где находится атом, тот случайным образом прыгает в одно из тех мест, где он ранее пребывал. Но я не нашёл ни одного уравнения, описывающего, что именно полагается считать наблюдением. «Может ли робот считаться наблюдателем? А отдельный атом?» В книге говорилось лишь, что любая квантовая система изменяется детерминистическим образом согласно уравнению Шрёдингера. Но разве это логически совместимо с подобными случайными прыжками?

Я набрался смелости и постучался в дверь нашего крупнейшего эксперта, профессора физики из Нобелевского комитета. Двадцать минут спустя я вышел из кабинета в полном недоумении, убеждённый, что я умудрился вообще ничего не понять. Так началось моё долгое и до сих пор не подошедшее к концу путешествие к квантовым параллельным вселенным. Лишь пару лет спустя, перебравшись для работы над диссертацией в Беркли, я понял, что это было вовсе не моё непонимание. Выяснилось, что многие знаменитые физики горячо спорят о проблемах квантовой механики, и я получил немало удовольствия от сочинения собственных статей на эту тему.

Но прежде чем рассказывать о своём понимании того, как всё это увязывается (гл. 8), я хочу вернуться в прошлое, чтобы дать возможность в полной мере прочувствовать безумство квантовой механики и то беспокойство, которое она вызывает.

 

Атомное «лего»

Когда в прошлый раз я спросил Александра, своего сына, какой подарок он желает получить ко дню рождения, он ответил: «Удиви меня! Подойдёт всё, что угодно, если это будет „Лего“». Я тоже люблю «Лего», и, мне кажется, наша Вселенная — тоже: всё в ней состоит из одинаковых «строительных блоков» (рис. 7.1). По-моему, замечательно, что один набор космического конструктора (80 стабильных атомов периодической таблицы) может служить для создания вообще всего на свете — от камней до кроликов, от звёзд до стереосистем, — и вся разница сводится к тому, сколько нужно деталей каждого типа и как они расположены.

Рис. 7.1. Карандашный грифель сделан из графита, который состоит из слоёв атомов углерода (здесь дано изображение, полученное сканирующим туннельным микроскопом), которые состоят из протонов, нейтронов и электронов. Протоны и нейтроны состоят из кварков, которые могут, в свою очередь, оказаться колеблющимися струнами. Сменный грифель, который я покупаю для работы, содержит около 2 × 1021 атомов, так что вы могли бы разрезать его пополам 71 раз.

Идея конструктора «Лего» — использование неделимых строительных блоков — имеет, конечно, долгую историю, причём самим термином «атом» мы обязаны древним грекам: это слово означает «неделимый». Платон в диалоге «Тимей» доказывал, что четыре основных элемента, признаваемых в то время (земля, вода, воздух и огонь), состоят из атомов четырёх типов. Атомы представляют собой крошечные невидимые математические объекты — соответственно кубы, икосаэдры, октаэдры и тетраэдры, — четыре из пяти правильных многогранников, называемых в честь древнегреческого философа платоновыми телами (рис. 7.2). Платон писал, что острые углы тетраэдра обуславливают боль, причиняемую огнём, округлая форма икосаэдра обеспечивает текучесть воды, а уникальной способностью кубов к плотной укладке объясняется твёрдость Земли. Хотя эта очаровательная теория в итоге была опровергнута наблюдением, некоторые её аспекты устояли, и среди них предположение о том, что каждый химический элемент состоит из определённого типа атомов, а свойства вещества определяются свойствами его атомов. Более того, в гл. 10 я объясню, что самые фундаментальные «строительные блоки» нашей Вселенной — математические (в ином смысле, нежели предполагал Платон: Вселенная не состоит из математических объектов, а сама является частью единственного математического объекта).

Рис. 7.2. Платоновы тела: тетраэдр, куб, октаэдр, додекаэдр и икосаэдр. Лишь додекаэдр не вошёл в платоновскую атомистическую теорию.

Для становления современной атомной теории понадобилось два тысячелетия, а знаменитый австрийский физик Эрнст Мах ещё в начале XX века отказывался верить в реальность атомов. Его, безусловно, впечатлили бы наши возможности получения изображений отдельных атомов (рис. 7.1) и даже манипулирования ими.

 

Ядерное «лего»

Огромный успех атомной гипотезы привёл к вопросу, не ошибочно ли атом назван атомом, неделимым: если все макроскопические объекты состоят из «кубиков», которые мы называем атомами, те, возможно, тоже делятся на ещё меньшие «кубики», которые могут переупорядочиваться?

Мне кажется невероятно элегантным то, что атомы сложены всего из трёх типов меньших «кубиков» — их даже меньше, чем в платоновской теории. Мы кратко говорили о них в гл. 3, а на рис. 7.1 видно, как «кубики» этих трёх типов (протоны, нейтроны и электроны) компонуются наподобие миниатюрной планетной системы, где электроны обращаются вокруг компактного сгустка протонов и нейтронов — атомного ядра. В то время как Земля удерживается на орбите вокруг Солнца силой гравитации, электроны удерживаются в атомах электрическим взаимодействием, которое притягивает их к протонам (электроны имеют отрицательный заряд, протоны заряжены положительно, а противоположные заряды притягиваются). Поскольку электроны также чувствуют притяжение протонов других атомов, они помогают атомам соединяться друг с другом в более крупные структуры, называемые молекулами. Если атомные ядра и электроны перетасовываются без изменения их числа и типа, мы называем это химической реакцией, независимо от того, происходит ли это быстро, как лесной пожар (при котором в основном атомы углерода и водорода, входящие в состав древесины и листьев, соединяются с кислородом воздуха, образуя молекулы углекислого газа и воды), или медленно, как рост дерева (который в основном представляет собой обратную реакцию, протекающую под воздействием энергии солнечного света).

Столетиями алхимики пытались превратить атомы одного типа в другие: как правило, дешёвые, например свинец, в более дорогие, такие как золото. Почему эти попытки терпели неудачу? Типы и названия атомов связаны с числом входящих в них протонов (1 = водород, 79 = золото и т. д.), так что алхимики просто не смогли поиграть в «лего» с протонами, перемещая их из одного атома в другой. Почему им это не удалось? Мы теперь знаем, что неудача постигла алхимиков не потому, что они брались за невозможное, а в основном потому, что у них было недостаточно энергии! Поскольку электрические силы заставляют одинаковые заряды отталкиваться, протоны в ядрах разлетелись бы, если бы их не удерживала вместе ещё более могучая сила. Она вполне обоснованно получила название сильного ядерного взаимодействия и работает как своего рода застёжка-липучка, удерживающая вместе и протоны, и нейтроны, если они сойдутся достаточно близко. Лишь чудовищное усилие способно преодолеть это взаимодействие: если столкновение двух молекул водорода (каждая из двух атомов) на скорости 50 км/с разрушит их так, что атомы разделятся, то два ядра гелия (каждое из двух протонов и двух нейтронов) понадобится столкнуть с головокружительной скоростью 36 тыс. км/с, чтобы иметь шанс разделить нейтроны и протоны. Указанная скорость составляет около 12 % скорости света (за десятую долю секунды можно добраться от Нью-Йорка до Сан-Франциско).

В природе такие зубодробительные столкновения происходят при очень высоких температурах — миллионах градусов. Когда Вселенная была молода, в ней не было иных атомов, кроме водорода (одиночных протонов), но, поскольку она была чрезвычайно горячей, протоны и нейтроны слипались, а более тяжёлые атомы разбивались на части. В процессе расширения и охлаждения Вселенной был период длительностью несколько минут, когда столкновения ещё были достаточно сильны, чтобы преодолевать электрическое отталкивание между протонами, но их силы уже не хватало на то, чтобы разъединять «липучки» сильного взаимодействия, которые соединяли протоны и нейтроны в ядра гелия. То был период гамовского первичного нуклеосинтеза (гл. 3). В ядре Солнца температура близка к магическому диапазону, в котором атомы водорода могут сливаться, образуя атомы гелия.

Законы экономики говорят нам, что атомы дороги, когда они редки, а законы физики говорят, что они редки, когда для их синтеза требуются необычайно высокие температуры. Распространённые атомы, вроде углерода, азота и кислорода (на них вкупе с водородом приходится до 96 % веса человеческого тела), очень дёшевы. Обычные звёзды, например Солнце, выбрасывают их во время смертельной агонии, после чего из них формируются новые планетные системы в ходе своего рода космической переработки отходов. Золото, напротив, образуется, когда жизнь звезды оканчивается взрывом сверхновой, событием редким и столь мощным, что на доли секунды её энерговыделение становится таким же, как у всех звёзд в наблюдаемой Вселенной вместе. Неудивительно, что получение золота оказалось алхимикам не по плечу.

 

«Лего» элементарных частиц

Если вещи вокруг нас сложены из атомов, а атомы из ещё меньших частиц (нейтронов, протонов и электронов), то не состоят ли эти последние, в свою очередь, из ещё меньших деталей? История научила нас, как отвечать на такие вопросы экспериментально: столкните мельчайшие из известных «строительных блоков» по-настоящему сильно и проверьте, распадутся ли они. Эта процедура производилась на всех крупных коллайдерах, и всё-таки не похоже, что электроны состоят из меньших частиц, хотя в ЦЕРНе их сталкивали на скорости, составляющей 99,999 999 999 % скорости света. С другой стороны, столкновения протонов показали, что и они, и нейтроны состоят из меньших частиц, называемых верхними и нижними кварками. Два верхних и один нижний кварк составляют протон (рис. 7.1), а два нижних и один верхний дают нейтрон. Более того, в этих столкновениях было получено множество прежде неизвестных частиц (рис. 7.3).

Все эти новые частицы с экзотическими названиями — пионы, каоны, сигма- и омега-гипероны, мюоны, таоны, W- и Z-бозоны — нестабильны и за доли секунды распадаются на более знакомые объекты. Тщательная детективная работа позволила выяснить, что все они, за исключением последних четырёх, состоят из кварков — не только из верхнего и нижнего, но ещё из четырёх новых нестабильных типов, называемых странными, очарованными, прелестными и истинными. Оказалось, что W– и Z-бозоны отвечают за передачу слабого взаимодействия, обусловливающего радиоактивность, и являются братьями фотона, частицы света, которая переносит электромагнитное взаимодействие. Дополнительные члены семейства бозонов называются глюонами. Они как клей, связывающий кварки в более крупные частицы. А недавно обнаруженный бозон Хиггса наделяет другие частицы массой. Кроме того, открыты стабильные призрачные частицы — электронные нейтрино, мюонные нейтрино и тау-нейтрино. Они почти не взаимодействуют с иными частицами: если нейтрино врезается в Землю, то обычно пролетает её насквозь, не меняя свою траекторию, и улетает в космос. Наконец, почти все эти частицы имеют «злых близнецов» — античастицы. При столкновении пара «близнецов» может аннигилировать друг друга с выбросом чистой энергии. В табл. 7.2 представлен список основных частиц и связанных с ними концепций, обсуждаемых в книге.

Рис. 7.3. Стандартная модель физики элементарных частиц.

До сих пор нет признаков того, чтобы какая-либо частица из всех этих бозонов, кварков, лептонов (общее название для электрона, мюона, таона и соответствующих нейтрино) или их античастиц состояла из меньших или более фундаментальных частиц. Однако с учётом кварков как «строительных блоков» в иерархии нашего «лего» (рис. 7.1) получается три полных уровня. И не надо быть Шерлоком Холмсом, чтобы задаться вопросом, нет ли ещё уровней, которые мы не можем открыть просто потому, что наши ускорители частиц не дают достаточной энергии. В самом деле, теория струн (гл. 6) предполагает, что так и есть. Если бы мы могли сталкивать частицы с гораздо (возможно, в 10 трлн раз) большей энергией, чем сегодня, то открыли бы, что всё состоит из крошечных колеблющихся струн, и что различные типы колебаний одинаковых фундаментальных струн могут соответствовать различным типам частиц (подобно тому, как колебания гитарной струны соответствуют разным нотам). Конкурирующая теория, известная как петлевая теория гравитации, предполагает, что всё состоит не из струн, а из спиновой сети квантованных петель возбуждённых гравитационных полей. Это труднопроизносимо, и если вы не вполне понимаете, что это значит, не беспокойтесь: и среди самых активных разработчиков теории струн и петлевой квантовой гравитации найдутся те, кто не скрывают, что не до конца понимают собственные теории… Так из чего же всё состоит? Основываясь на современных экспериментальных данных, ответим: мы этого ещё не знаем, но есть серьёзные основания предполагать, что всё, с чем мы были знакомы — включая саму ткань пространства-времени, — в конечном счёте состоит из более фундаментальных «строительных блоков».

 

Математическое «лего»

Несмотря на то, что мы пока не знаем окончательного ответа на вопрос, из чего всё состоит, мы получили очень интригующий намёк. Лично мне кажется безумием, что, сталкивая два протона на Большом адронном коллайдере в ЦЕРНе, мы можем получить Z-бозон, который весит в 97 раз больше протона. Я привык думать, что масса сохраняется. Ну не очевидно ли, что столкнув два «Феррари», вы не получите круизный лайнер — ведь он весит больше, чем два автомобиля? Однако если вам кажется, что образование подобных новых частиц — это мошенничество наподобие финансовой пирамиды, то вспомните, что, как учил нас Эйнштейн, энергия E может превращаться в массу m по формуле E = mc2, где c — скорость света. Так что если при столкновении частиц у вас в распоряжении есть огромный запас энергии движения, то доли этой энергии действительно позволено пойти на образование новых частиц. Иными словами, полная энергия сохраняется, но столкновение частиц «переупаковывает» эту доступную энергию по-новому, что может приводить к превращению её доли в новые частицы, которых в исходный момент не существовало. То же самое происходит с импульсом: полная его величина сохраняется, но он перераспределяется в ходе столкновения так же, как в бильярде, когда биток, отправляя прежде неподвижный шар в лузу, замедляется. Одним из самых важных открытий в физике были новые величины, которые, подобно энергии и импульсу, кажутся всегда сохраняющимися (знакомый пример — электрический заряд), но есть и иного рода сохраняющиеся величины — изоспин и цвет. Есть также величины, которые сохраняются при многих важных обстоятельствах, в частности лептонное число (количество лептонов минус количество антилептонов) и барионное число (разность числа кварков и антикварков, разделённая на три, так что нейтроны и протоны считаются за + 1). В табл. 7.1 приведены квантовые числа — значения этих величин для разных частиц. Обратите внимание: большинство значений выражено целыми числами или простыми дробями. Значения трёх масс как следует не измерены.

Я помню шутку времён холодной войны: на Западе всё, что не запрещено, то разрешено, а на Востоке всё, что не разрешено, то запрещено. Физика частиц, по-видимому, предпочитает первую формулу, и любая реакция, которая не запрещена (из-за нарушения одного из законов сохранения), похоже, в природе действительно происходит. Это значит, что о фундаментальном «лего» физики частиц можно думать не как о собственно частицах, а как о сохраняющихся величинах. Тогда физика частиц — это просто перераспределение новым способом энергии, импульса, заряда и других сохраняющихся величин. В табл. 7.1 приводится «рецепт приготовления» верхнего кварка: смешать 2/3 единицы заряда, 1/2 единицы спина, 1/2 единицы изоспина, 1/3 единицы барионного числа и дополнить энергией до нескольких МэВ.

Так из чего состоят квантовые числа вроде энергии и заряда? Ни из чего — это просто числа! У кота тоже есть энергия и заряд, но у него, помимо этих чисел, есть много других свойств, например кличка, запах и характер, так что нельзя сказать, будто кот — чисто математический объект, полностью описываемый двумя числами. А вот наши друзья из мира элементарных частиц полностью описываются своими квантовыми числами и, по-видимому, помимо этих чисел свойств не имеют. В этом смысле мы завершили полный круг и возвратились к Платону: наимельчайшие «кубики», из которых состоит всё остальное, кажутся чисто математическими, не имеющими никаких свойств, кроме математических. Мы вернёмся к этой идее в гл. 10 и увидим, что это лишь вершина математического айсберга.

На техническом уровне некоторые специалисты по физике элементарных частиц любят на вопрос, что такое частица, бойко отвечать: «Элемент неприводимого представления группы симметрий лагранжиана». Это чисто математическое понятие лишь немного более общее, чем представление о числовом множестве. И, конечно, теория струн или её конкурент могут углубить наше понимание того, что в действительности представляют собой частицы, но все эти ведущие теории просто заменяют одни математические сущности иными. Так, если квантовые числа из табл. 7.1 окажутся соответствующими типами колебаний суперструн, не стоит думать о струнах как о крошечных объектах с внутренними свойствами, будто это колтуны в рыжевато-коричневой кошачьей шерсти. Следует смотреть на них как на чисто математические конструкции, которые физики называют «струнами» лишь для того, чтобы подчеркнуть их одномерную природу и провести аналогию с чем-либо знакомым и в меньшей степени математическим.

Табл. 7.2. Основные физические термины, необходимые для понимания микромира.

Подводя итог, скажем, что природа сродни конструктору с иерархическим устройством. Если мой сын играет со своим «лего», полученным ко дню рождения, то всё, что он может перестраивать, — фабричные «кубики». Если бы он играл в атомное «лего» — поджигал, погружал в кислоту или иным способом перестраивал их атомы, — он занимался бы химией. Если бы он играл с нуклонным «лего», перегруппируя нейтроны и протоны в другие типы атомов, это была бы ядерная физика. Если бы он сталкивал детали друг с другом на околосветовой скорости, реорганизуя энергию, импульс, заряд и т. д. составляющих их нейтронов, протонов и электронов в новые частицы, он бы занимался физикой элементарных частиц. Детали «лего» самого глубокого уровня, по-видимому, являются чисто математическими объектами.

 

Фотонное «лего»

Но не только «грубая материя» состоит из «строительных блоков», подобных деталям «Лего». Свет также состоит из частиц, фотонов, что было показано Эйнштейном в 1905 году.

Четырьмя десятилетиями ранее Джеймс Клерк Максвелл открыл, что свет — это электромагнитные волны, разновидность электрического возмущения. Если вы научитесь точно измерять напряжение между двумя точками в световом луче, то обнаружите, что оно колеблется во времени. Частота f этих колебаний (сколько раз они повторяются за секунду) определяет цвет света, а сила колебаний (максимальные значения в вольтах) — интенсивность света. «Омнископ» из гл. 4 измеряет такое напряжение. Мы, люди, даём электромагнитным волнам названия в зависимости от их частоты (в порядке увеличения частоты мы называем их радиоволнами; микроволнами; инфракрасным излучением; красным, оранжевым, жёлтым, зелёным, голубым, синим и фиолетовым светом; ультрафиолетовым, рентгеновским и гамма-излучением), но все они представляют собой формы света и состоят из фотонов. Чем больше фотонов испускает объект каждую секунду, тем ярче он кажется.

Эйнштейн понял, что количество энергии E в фотоне определяется его частотой f по формуле E = hf, где h — постоянная Планка. Постоянная h очень мала, поэтому типичный фотон содержит очень мало энергии. Если я одну секунду лежу на пляже, меня согревают около секстиллиона (1021) фотонов. Вот почему это воспринимается как непрерывный поток света. Однако если у моих друзей есть солнечные очки, поглощающие 90 % света, я смогу надеть 21 пару сразу и только один из всех исходных фотонов будет доходить до меня каждую секунду. Это можно подтвердить с помощью высокочувствительного детектора.

Эйнштейн удостоился Нобелевской премии за то, что он использовал эту идею для объяснения фотоэлектрического эффекта: как выяснилось, способность света выбивать электроны из металла зависит лишь от частоты (энергии фотонов), но не от интенсивности (числа фотонов). Низкочастотные фотоны не обладают достаточной энергией для выполнения этой задачи. Фотоэлектрический эффект связан с процессами, используемыми в современных солнечных батареях и светочувствительных матрицах цифровых камер.

Макс Планк получил в 1918 году Нобелевскую премию за демонстрацию того, что идея фотона позволила разрешить другую знаменитую загадку: почему расчёты теплового излучения горячего тела прежде не давали правильного результата. Радуга (рис. 2.5) демонстрирует спектр солнечного света, то есть количество содержащегося в нём света разных частот. Физики знали, что температура T тела является некоей мерой того, насколько быстро движутся его частицы, и что обычная энергия E движения частиц описывается формулой E = kT, где k — число, называемое постоянной Больцмана. Когда частицы на Солнце сталкиваются, энергия их движения в количестве примерно kT превращается в энергию света. К сожалению, точное предсказание вида радуги наталкивалось на так называемую ультрафиолетовую катастрофу: интенсивность излучения бесконечно возрастала на правом краю рис. 2.5 (в направлении высоких частот), как будто при взгляде на любое тёплое тело вы должны были ослепнуть от его гамма-излучения. Вас спасает то, что свет состоит из частиц: Солнце может испускать световую энергию только по одному фотону за раз, а характерная энергия kT, доступная для образования фотонов, не дотягивает до энергии hf, необходимой для испускания даже одного гамма-кванта.

 

Выше закона?

Если всё состоит из частиц, каким физическим законам они подчиняются? Если мы знаем, что делают в данный момент все частицы во Вселенной, то по каким уравнениям можно рассчитать, как они будут себя вести в будущем? Если такие уравнения существуют, то мы можем надеяться, что они позволят — по крайней мере, в принципе — предсказывать будущее исходя из знания настоящего: от траектории только что поданного бейсбольного мяча до победителей Олимпийских игр 2048 года — только выясните, что будут делать все эти частицы, и получите ответ.

Хорошая новость состоит в том, что, похоже, действительно существует почти то самое уравнение, которое нам нужно. Это уравнение Шрёдингера (рис. 7.4). Однако оно не предсказывает точно, как поведут себя частицы. Даже почти сто лет спустя после того, как Эрвин Шрёдингер его записал, физики продолжают спорить о его смысле.

Все согласны с тем, что микроскопические частицы не подчиняются классическим законам физики, которые мы изучаем в школе. Поскольку атом напоминает планетную систему (рис. 7.1), естественно предположить, что электроны обращаются вокруг ядра по законам Ньютона, как и планеты вокруг Солнца. В самом деле, если выполнить расчёты, идея сначала выглядит многообещающей. Игрушку йо-йо можно раскрутить над головой за шнурок. Если он оборвётся, йо-йо начнёт двигаться по прямой с постоянной скоростью, так что сила, с которой вы её тянете, требуется для отклонения её от прямолинейного движения и вывода на круговое. В Солнечной системе эту силу обеспечивает тяготение Солнца, а в атоме — сила электрического притяжения со стороны атомного ядра. Если сделать расчёт для орбиты размером с атом водорода, получится, что электрон вращается практически с той же скоростью, которая измерена в лаборатории — настоящий теоретический триумф! Однако для большей точности в расчёты надо включить ещё один эффект: электрон, который испытывает ускорение (изменение скорости или направления движения), будет излучать энергию — в вашем мобильном телефоне колебания электронов внутри антенны используются, чтобы испускать радиоволны. Поскольку энергия сохраняется, излучаемая энергия должна откуда-то браться. В телефоне она поступает из аккумулятора, а в атоме водорода — из движения электрона. Она заставляет его опускаться всё ближе к атомному ядру, подобно тому, как сопротивление воздуха в верхних слоях атмосферы заставляет спутники на низких околоземных орбитах терять энергию движения и, в конце концов, падать. Это означает, что электрон крутится не по орбите, а по смертельной спирали (рис. 7.5): примерно после 100 тыс. оборотов он врежется в протон, то есть произойдёт коллапс атома водорода, долгая и счастливая жизнь которого длится около 0,02 нс.

Рис. 7.4. Эрвин Шрёдингер умер, но его уравнение живёт. С 1996 г., когда я сделал этот снимок, шрифт надписи загадочно изменился. Может, и вправду квантовые причуды никогда не заканчиваются?

Это плохо. Очень плохо. Здесь речь не о небольшом, скажем на 1 %, расхождении теории с экспериментом, а о предсказании того, что все атомы водорода (а также все прочие атомы) в нашей Вселенной коллапсируют за миллиардную долю того времени, которое вы тратите на то, чтобы прочесть последнее слово в этом предложении. С учётом того, что в действительности большинство атомов водорода существует около 14 млрд лет, они уже прожили на 28 порядков величины дольше, чем предсказывает классическая физика. Данный расчёт был худшим количественным предсказанием в физике, пока сомнительный рекорд не был превзойдён расхождением на 123 порядка величины между предсказанной и измеренной плотностью тёмной энергии (гл. 3).

Физики, считавшие, что элементарные частицы подчиняются законам классической физики, сталкивались и с иными проблемами. Например, количество энергии, требуемой для нагревания очень холодных предметов, оказалось меньше, чем предсказывалось. Проблемы можно перечислять и дальше, но послание Природы и так ясно: микроскопические частицы нарушают законы классической физики.

Что же, микрочастицы ставят себя выше закона? Нет, они подчиняются другому закону — Шрёдингера.

 

Кванты и радуга

Чтобы объяснить, как устроены атомы, датский физик Нильс Бор предложил в 1913 году весьма радикальную идею. Возможно, не только материя и свет квантуются (то есть существуют в виде дискретных фрагментов, подобных деталям «Лего»). Это может относиться и к свойствам движения. Что если движение не непрерывно, а скачкообразно, как в компьютерной игре «Пэкмен» или в фильмах с Чарли Чаплином, где частота кадров была слишком низкой? На рис. 7.5 показана модель атома Бора: круговые орбиты разрешены, лишь если их окружности имеют определённые, магические длины. Существует наименьшая орбита, помеченная n = 1, а далее есть орбиты большего размера (n = 2 и т. д.), радиусы которых в n2 раз больше радиуса минимальной орбиты.

Рис. 7.5. Эволюция наших представлений об атоме водорода. Классическая (планетарная) модель Эрнеста Резерфорда, к сожалению, была неустойчивой: в ней электрон по спирали падал на находящийся в центре протон (я изображаю, как бы это выглядело, если бы электрическое взаимодействие было в 20 раз сильнее; иначе спираль имела бы около 100 тыс. витков, что невозможно нарисовать). Модель Бора удерживает электрон на дискретных орбитах, пронумерованных n = 1, 2, 3, …, между которыми он перепрыгивает, когда испускает или поглощает фотоны. Эта модель не работает для всех атомов, кроме атома водорода. В модели Шрёдингера один электрон находится одновременно во многих местах электронного облака, форма которого задаётся математической функцией Ψ.

Первый, самый очевидный успех состоял в том, что боровский атом не коллапсировал, как классический (рис. 7.5, слева). Когда электрон находится на самой внутренней орбите, просто не существует меньшей орбиты, куда он мог бы перескочить. Однако модель Бора объясняла далеко не только это. Высокие орбиты обладают большей энергией, чем низкие, а полная энергия сохраняется. Поэтому, когда электрон, будто «Пэкмен», соскакивает на более низкую орбиту, избыток энергии должен быть испущен атомом в виде фотона (рис. 7.5), а чтобы занять более высокую орбиту, электрон должен быть способен заплатить энергетическую «цену», поглотив фотон с нужной энергией. Поскольку существует только дискретный набор орбитальных энергий, атом может испускать и поглощать фотоны лишь с «магическими» энергиями. Иными словами, атом может испускать и поглощать свет только на определённых частотах. Это разрешает давнюю проблему. В спектре солнечного света (рис. 2.5) обнаружены тёмные линии на определённых частотах (то есть некоторые цвета отсутствуют), а при изучении горячих светящихся газов в лаборатории наблюдалось, что каждый тип атомов имеет уникальный спектральный «отпечаток» в виде частот света, которые он может испускать и поглощать. Боровская модель атома не просто объяснила существование этих спектральных линий, но и позволила точно вычислить их частоты для водорода.

Это был отличный результат, и Бор получил за него Нобелевскую премию (как и большинство остальных учёных, упомянутых в этой главе). Плохой новостью стало то, что боровская модель не работала для атомов, отличных от водорода, за исключением случая, когда с них сорваны все электроны, кроме одного.

 

Образование волн

Несмотря на первые успехи, физики по-прежнему не знали, что делать с этими странными, на первый взгляд произвольными квантовыми правилами. Что они в действительности означают? Почему угловой момент квантуется? Есть ли этому более глубокое объяснение? Одно из них предложил Луи де Бройль: электроны (а на самом деле все частицы) обладают волновыми свойствами, подобно фотонам. Во флейте стоячие звуковые волны могут колебаться только на некоторых определённых частотах. Может быть, чем-либо аналогичным определяются и частоты, с которыми электроны обращаются в атомах?

Рис. 7.6. Волны в ёмкости с водой (слева) и на Солнце (справа).

Рис. 7.7. Если стрелять частицами (скажем, электронами или фотонами из лазерного ружья) по барьеру с двумя вертикальными щелями, то, согласно предсказанию классической физики, частицы будут попадать в детектор вдоль двух вертикальные полос позади щелей. Квантовая механика предсказывает, что каждая частица будет вести себя как волна, проходя через обе щели в квантовой суперпозиции, интерферируя при этом сама с собой и образуя интерференционную картину (рис. 7.6). Этот знаменитый эксперимент демонстрирует, что квантовая механика корректна: частицы регистрируются у целого ряда вертикальных полос.

Две волны способны без помех проходить друг сквозь друга, как круги на поверхности воды (рис. 7.6, слева). В любой момент их воздействия просто складываются. В некоторых местах видно, что гребни двух волн складываются в ещё более высокий гребень (конструктивная интерференция), в других местах гребень одной волны подавляется впадиной другой, оставляя воду совершенно невозмущённой (деструктивная интерференция). На поверхности Солнца (рис. 7.6, справа) наблюдаются звуковые волны в горячем газе (плазме). Если такая волна обойдёт вокруг Солнца (справа), она погасит сама себя в результате деструктивной интерференции, если только не совершит за время обхода целое число колебаний, чтобы, вернувшись, совпасть с самой собой. Это значит, что, как и флейта, Солнце колеблется только на некоторых определённых частотах.

В своей диссертации 1924 года де Бройль применил это рассуждение к волнам, распространяющимся не по Солнцу, а по атому водорода, и получил точно те же частоты и энергии, которые предсказывала модель Бора. А двухщелевой эксперимент (рис. 7.7) более явно продемонстрировал, что частицы ведут себя как волны.

Волновая картина делает нагляднее и объяснение того, почему атомы не коллапсируют, как предсказывает классическая физика: если попытаться заключить волну в очень малое пространство, она немедленно начнёт распространяться в стороны. Например, если дождевая капля падает на поверхность воды в тазу, она сначала возмущает воду лишь в очень небольшой области, с которой она соприкоснулась, но возмущение начинает быстро распространяться во все стороны в виде кольцевых волн (рис. 7.6). В этом суть принципа неопределённости Гейзенберга. Вернер Гейзенберг показал: если зажать некий объект в малую область пространства, он приобретёт огромный случайный импульс, который заставит его двигаться и чувствовать себя менее стеснённым. Иными словами, объект не может одновременно иметь точное положение и точную скорость! Это означает, что если атом водорода попробует коллапсировать (рис. 7.5, слева), притянув электрон к протону, то растущая «зажатость» придаст электрону достаточный импульс, а с ним и скорость, чтобы вновь улететь на высокую орбиту.

Диссертация де Бройля вызвала большое волнение, и в ноябре 1925 года Эрвин Шрёдингер провёл по ней семинар в Цюрихе. После его доклада Питер Дебай задал ключевой вопрос: «Вы говорите о волнах, но где же волновое уравнение?» Шрёдингер взялся его вывести и подобрал (рис. 7.4) отмычку к большей части современной физики. Эквивалентная формулировка, использующая таблицы чисел, называемые матрицами, была примерно в то же время предложена Максом Борном, Паскуалем Йорданом и Вернером Гейзенбергом. На этом новом математическом фундаменте квантовая теория испытала взрывной рост. Всего за несколько лет удалось успешно объяснить целый ряд прежде непонятных результатов измерений, включая спектры сложных атомов и различные числовые параметры, описывающие свойства химических реакций. Наконец, квантовая физика дала нам лазер, транзистор, интегральные схемы, компьютеры и смартфоны. Развитием успеха квантовой механики стала расширяющая её квантовая теория поля, которая лежит в основе передовых современных исследований, таких как поиск частиц тёмной материи.

Что служит признаком хорошей науки? Есть несколько определений науки, которые мне нравятся, и одно из них — это сжатие данных, объяснение многого посредством немногого. От хорошей науки вы получаете больше, чем в неё закладываете. Я применил обычную программу-архиватор к текстовому файлу, содержащему черновик этой главы, и он сжался втрое за счёт использования закономерностей и шаблонов, которые встречаются в моём тексте. Сравним это с квантовой механикой. Я только что загрузил со страницы http://physics.nist.gov/PhysRefData/ASD/lines_form.html список более чем из 20 тыс. спектральных линий, для которых в лабораториях по всему миру тщательно измерены частоты. С учётом закономерностей и повторяющихся структур, содержащихся в этих данных, уравнение Шрёдингера позволяет сжать их всего до трёх чисел: постоянной тонкой структуры α ≈ 1/137,036, которая задаёт силу электромагнетизма; числа 1836,15, которое указывает, во сколько раз протон тяжелее электрона, и орбитальной частоты водорода. Это эквивалентно такому сжатию данных, при котором моя книга сократится до одного предложения!

Эрвин Шрёдингер — один из моих физиков-супергероев. Когда я был постдоком в Институте физики общества им. Макса Планка в Мюнхене, копировальная машина в тамошней библиотеке разогревалась так долго, что я коротал время, снимая с полок и просматривая классические книги. Однажды я взял журнал «Анналы физики» за 1926 год и поразился: почти всё, изучавшееся мной на лекциях по квантовой теории в аспирантуре, было описано в четырёх статьях Шрёдингера! Он был не только блестящим физиком, но и свободным мыслителем: он отвергал авторитеты, размышлял и делал то, что считал правильным. Получив профессорскую должность в Институте Общества им. Макса Планка в Берлине, одну из самых престижных в мире, Шрёдингер подал в отставку в знак протеста против преследования нацистами своих коллег-евреев. Затем он отклонил предложение поработать в Принстоне, поскольку там не одобряли его взгляды на брак (он жил с двумя женщинами и имел ребёнка от той, на которой не был женат). Предприняв в 1996 году, во время отпуска в Австрии, паломничество к могиле Шрёдингера, я обнаружил, что свободомыслие не в почёте и в родном городке учёного. Как видно на сделанной мной фотографии (рис. 7.4), крошечный Альпбах похоронил своего самого знаменитого гражданина в предельно скромной могиле на самом краю кладбища.

 

Квантовые причуды

Но что это за волны, которые описываются уравнением Шрёдингера? Главная загадка квантовой механики по сей день сохраняет свою глубину и дискуссионность.

Когда физики что-то описывают математически, обычно описание должно включать две вещи:

1. Состояние в заданное время.

2. Уравнение, описывающее, как это состояние будет изменяться во времени.

Например, для описания орбиты Меркурия Ньютон определял его состояние шестью числами: три задают положение его центра (скажем, его x-, y– и z-координаты), а ещё три — компоненты скорости по этим направлениям. В качестве уравнений движения он применил закон (известен теперь как закон Ньютона), гласящий: ускорение определяется гравитационным притяжением Солнца, которое зависит от расстояния до Солнца по закону обратных квадратов.

Нильс Бор в своей планетарной модели атома (рис. 7.5, в центре) изменил вторую часть описания, введя квантовые скачки между особыми орбитами, но сохранил первую часть. Шрёдингер пошёл ещё дальше, изменив и первую часть: он отбросил саму мысль, что частица обладает чётко определёнными положением и скоростью. Вместо этого Шрёдингер описал состояние частицы совершенно новой математической бестией, называемой волновой функцией (Ψ), которая характеризует степень присутствия частицы в разных местах. На рис. 7.5 (справа) показан квадрат волновой функции |Ψ|2 для электрона в атоме водорода на орбите с n = 3, и там видно, что вместо пребывания в одном конкретном месте он выглядит находящимся в равной мере со всех сторон от протона (предпочитая при этом одни радиальные расстояния иным). Интенсивность электронного облака (рис. 7.5, справа) в разных участках характеризует степень, в которой электрон там присутствует. Если вы возьмётесь экспериментально отслеживать электрон, окажется, что квадрат волновой функции даёт вероятность того, что вы обнаружите его в разных местах, так что некоторые физики предпочитают думать о волновой функции как об описании облака вероятности или волны вероятности. Например, вы никогда не найдёте частицу там, где волновая функция равна нулю. Если вы хотите расшевелить вечеринку, выдав себя за квантового физика, то вот вам ещё одно словечко, — суперпозиция: о частице, которая находится одновременно здесь и там, говорят, что она находится в суперпозиции положений здесь и там, а её волновая функция описывает всё, что нужно знать об этой суперпозиции.

Рис. 7.8. Волновая функция Ψ на грани коллапса.

Квантовые волны разительно отличаются от классических волн на рис. 7.6: классическая волна, на которой можно заниматься сёрфингом, состоит из воды, а сущностью, которая принимает волнистую форму, является поверхность воды. А вот сущность, которая является волнистой или облачной в атоме водорода — это не вода или какая-то иная субстанция (ведь там есть лишь один электрон). То, что является волнистым в его волновой функции — это степень, с которой он присутствует в разных местах.

 

Коллапс консенсуса

Итак, можно сказать, что Шрёдингер изменил классическое описание мира в двух аспектах:

1.  Состояние описывается не положениями и скоростями частиц, а волновой функцией.

2.  Изменение этого состояния во времени описывается не законами Ньютона и Эйнштейна, а уравнением Шрёдингера.

Всеми признано, что эти открытия Шрёдингера входят в число главных достижений XX века: ведь они произвели революцию и в физике, и в химии. Но они также заставляют недоумевать: если предметы могут находиться в нескольких местах сразу, то почему мы никогда этого не наблюдаем (во всяком случае, на трезвую голову)? Эта загадка известна как проблема измерения (в физике измерение и наблюдение — синонимы).

После долгих дискуссий Бор и Гейзенберг нашли поразительно радикальное средство, копенгагенскую интерпретацию, которую сегодня отстаивает большинство учебников квантовой механики. Её ключевым элементом является добавление ко второму из упомянутых выше пунктов увёртки, гласящей: изменения управляются уравнением Шрёдингера лишь часть времени, зависящую от того, осуществляется ли наблюдение. А именно, если нечто не наблюдается, его волновая функция меняется согласно уравнению Шрёдингера. А если производится наблюдение объекта, его волновая функция коллапсирует таким образом, что объект обнаруживается лишь в одном месте. Процесс коллапса скачкообразный и принципиально случайный, а вероятность того, что вы обнаружите частицу в любом конкретном месте, определяется квадратом волновой функции. Таким образом, коллапс волновой функции удобно избавляет от шизофренических суперпозиций и объясняет знакомый нам классический мир, где вещи наблюдаются лишь в одном месте в каждый момент времени. В табл. 7.3 приводятся ключевые квантовые идеи, которые мы успели обсудить, и указываются их взаимосвязи.

Табл. 7.3. Ключевые концепции квантовой механики (гильбертово пространство и последние три понятия мы введём в следующей главе).

В копенгагенской интерпретации есть и другие элементы, но с приведённой частью согласно большинство физиков. Постепенно я стал замечать, что коллеги, признающие наилучшей копенгагенскую интерпретацию квантовой механики, обычно не соглашаются друг с другом относительно некоторых других её элементов, отчего правильнее говорить о копенгагенских интерпретациях. Один из пионеров релятивизма Роджер Пенроуз язвил: «Существует больше разных отношений к квантовой механике, чем квантовых физиков. Это не является противоречием, поскольку некоторые квантовые физики придерживаются различных взглядов одновременно». На самом деле даже Бор и Гейзенберг расходились во взглядах на природу реальности. Однако все физики соглашаются: копенгагенская интерпретация великолепно подходит для повседневной работы в лаборатории.

Не все, однако, были в восторге. Если коллапс волновой функции действительно происходит, то, значит, фундаментальная случайность учтена законами природы. Эйнштейн был глубоко огорчён этой интерпретацией и выразил своё предпочтение детерминистической Вселенной в часто цитируемом высказывании: «Я не могу поверить, что Бог играет в кости». В конце концов, сама суть физики состоит в предсказании будущего исходя из настоящего, а это становится невозможным не только практически, но и принципиально. Даже если вы бесконечно мудры и знаете волновую функцию всей Вселенной, вы не сможете вычислить, какой станет волновая функция в будущем: как только кто-либо в нашей Вселенной выполнит наблюдение, волновая функция случайным образом изменится.

Ещё один пугающий аспект коллапса состоит в том, что наблюдение приобрело статус центральной концепции. Когда Бор воскликнул: «Нет реальности без наблюдения!» — казалось, он вновь поместил человека в центр мироздания. После Коперника, Дарвина и других, постепенно выпускавших воздух из раздутого человеческого самомнения, копенгагенская интерпретация порождает впечатление, что мы в некотором смысле созидаем реальность, просто глядя вокруг.

Наконец, некоторых физиков раздражало отсутствие математической строгости. Традиционные физические процессы описываются математическими уравнениями, а в копенгагенской интерпретации нет уравнения, определяющего, что представляет собой наблюдение, то есть когда именно коллапсирует волновая функция. Действительно ли для этого требуется наблюдатель-человек, или для коллапса волновой функции достаточно сознания в некоем более широком смысле? Эйнштейн сказал: «Существует ли Луна потому, что на неё смотрит мышь?» Может ли робот вызвать коллапс волновой функции? А что можно сказать о веб-камере?

 

Без причуд никуда

Короче говоря, копенгагенская интерпретация предполагает, что малые объекты могут вести себя причудливо, а крупные — нет. То есть объекты столь малые, как атомы, обычно находятся в нескольких местах сразу, а крупные, вроде людей, — лишь в одном. Немного неудобно, конечно, но это вполне разумная точка зрения, пока странности остаются пленниками микромира и не могут каким-либо образом проникнуть в макромир, подобно тому, как заключённый в бутылку злой джинн не может вырасти и опустошить всё вокруг. Но в самом ли деле они остаются в заключении?

Одной из вещей, взволновавших меня, сидевшего в комнате стокгольмского общежития, была вот какая: крупные предметы состоят из атомов, а поскольку атомы могут находиться в нескольких местах сразу, то и предметы на это способны. Но поскольку то, что они могут, не означает, что они должны, есть надежда, что не существует физических процессов, усиливающих микроскопические причуды до макроскопических чудес. Сам Шрёдингер, однако, пошатнул эту надежду своим дьявольским мысленным экспериментом: кот посажен в ящик с ампулой цианида, которая разобьётся, если распадётся один радиоактивный атом. Спустя некоторое время атом будет находиться в суперпозиции распавшегося и нераспавшегося состояний, а кот окажется в суперпозиции мёртвого и живого. Иными словами, безобидная, казалось бы, микросуперпозиция, затрагивающая один-единственный атом, усиливается со временем до макросуперпозиции, в которой кот, содержащий октиллионы частиц, находится в двух состояниях сразу. Более того, подобное усиление причуд происходит постоянно, даже без всяких садистских приспособлений. Вы, возможно, слышали о теории хаоса, о том, что законы классической физики могут экспоненциально усиливать незначительные различия, так что пекинская бабочка, махнув крылом, вызывает бурю в Стокгольме. Ещё более простой пример: поставленный вертикально карандаш, который в зависимости от микроскопического начального толчка выбирает направление, в котором он упадёт. Где бы ни проявлялась хаотическая динамика, начальное положение одного атома может всё переменить, так что если атом находится сразу в двух местах, вы в результате получите макроскопические предметы, находящиеся сразу в двух местах.

Такое усиление причуд, очевидно, случается всякий раз, когда мы производим квантовые измерения: если вы измеряете положение отдельного атома, который находится в двух местах сразу, и записываете результат на листе бумаги, то положение частицы будет определять движение вашей руки, а следовательно, карандаш окажется в двух местах сразу.

И последнее по порядку, но не по важности: усиление причудливости регулярно происходит даже внутри вашего мозга. Возбудится ли определённый нейрон в определённое время, зависит от того, превысит ли сумма его входных сигналов некоторый порог, и это может сделать нейронную сеть крайне нестабильной, наподобие погоды или поставленного вертикально карандаша. В самом начале этой книги описан именно такой случай: я ехал на велосипеде и решал, посмотреть ли вправо. Представьте, что моё спонтанное решение, которое позволило мне уцелеть, зависело от того, попадёт ли всего один атом кальция в конкретное синаптическое соединение моей префронтальной коры, заставив конкретный нейрон выдать электрический сигнал, запускающий целый каскад действий других нейронов в мозге, под общим условным названием «Давай посмотрим!» И если бы этот атом кальция оказался в двух местах сразу, то через полсекунды мои глаза смотрели бы сразу в двух направлениях, а тело оказалось бы сразу в двух местах, одним из которых был бы морг. Это стало бы моей собственной версией эксперимента с котом Шрёдингера, где я исполнял бы роль кота.

 

Квантовое недоразумение

Итак, я в печали и замешательстве сидел в комнате подруги в общежитии. Приближался первый экзамен по квантовой теории, но чем больше я думал о копенгагенской интерпретации, подаваемой в учебнике в качестве очевидной и абсолютной истины, тем большее беспокойство меня охватывало. Квантовые причуды, очевидно, не могли ограничиваться микромиром. Кот Шрёдингера выбрался из ящика. Я имею в виду не причуды как таковые, а то, что беспокоило меня тогда: представьте, что вы лично выполняете эксперимент с котом. Если учебник прав, то волновая функция кота коллапсирует и он становится определённо мёртвым или определённо живым в тот момент, когда вы лично на него посмотрите. Но что если я нахожусь вне лаборатории и рассматриваю волновую функцию, описывающую все частицы, которые составляют кота, вас и всё остальное в лаборатории? Все эти частицы должны подчиняться уравнению Шрёдингера независимо от того, являются ли они частью живых существ или нет, так? А в этом случае, согласно учебнику, волновая функция кота коллапсирует только тогда, когда я сам войду в лабораторию, а не раньше, когда взгляд бросите вы. И в этом случае прежде, чем взгляну я, вы сами были бы в суперпозиции сожалеющего о смерти кота и радующегося тому, что он уцелел. Иными словами, копенгагенская интерпретация в лучшем случае неполна (она отказывается отвечать на вопрос, когда именно происходит коллапс волновой функции), а в худшем — противоречива, поскольку волновая функция всей нашей Вселенной никогда не коллапсирует с точки зрения кого-либо из параллельной вселенной, кто не может нас наблюдать.

В следующей главе мы рассмотрим, что в действительности говорит квантовая механика о природе реальности. Возможно, шведы генетически предрасположены очернять своих юго-западных соседей, но когда я думаю о копенгагенской интерпретации, я не могу выбросить из головы фразу из «Гамлета»: «Какая-то в державе датской гниль».

 

Резюме

• Всё, включая свет и нас самих, кажется состоящим из частиц.

• Эти частицы являются чисто математическими объектами в том смысле, что имманентно им присущи лишь математические свойства — вроде чисел, называемых зарядом, спином и лептонным числом.

• Эти частицы не подчиняются законам классической физики.

• Состояние этих частиц (которые следовало бы называть «волницами») математически описывается не совокупностями из шести чисел (задающих положение и скорость), а волновой функцией, описывающей меру их нахождения в разных местах.

• За счёт этого они обладают свойствами и традиционных частиц (могут быть либо здесь, либо там), и волн (могут быть в нескольких местах одновременно в состоянии суперпозиции).

• Частицы не могут находиться всего в одном месте (принцип неопределённости Гейзенберга), и это препятствует коллапсу атомов.

• Поведение частиц в будущем описывается не законами Ньютона, а уравнением Шрёдингера.

• Это уравнение показывает, что безобидные микроскопические суперпозиции могут усиливаться, превращаясь в безумные макроскопические суперпозиции вроде кота Шрёдингера, так что вы сами находитесь в двух местах одновременно.

• В учебниках утверждается, что волновая функция иногда «коллапсирует», нарушая уравнение Шрёдингера и привнося в природу фундаментальную случайность.

• Физики с жаром доказывают, что всё это имеет смысл.

• Изложения квантовой механики в учебниках либо неполны, либо внутренне противоречивы.

 

Глава 8. Мультиверс III уровня

 

«Как красиво внизу!» Залив Сан-Франциско блестел в лучах вечернего солнца, и я радовался больше, чем в тот день, когда родители подарили мне первый набор для фокусов. Я прилип к окну, стараясь не упустить ни одной детали ландшафта, который видел впервые в жизни. С тех пор как я, поработав продавцом, в 17 лет накопил достаточно денег, чтобы купить билет на поезд в Испанию, мной всё сильнее овладевала страсть к путешествиям. А после чтения Фейнмана в колледже я всё сильнее влюблялся в физику. И вот наконец, после 23 лет жизни в снегах и льдах, мне выпало счастье провести четыре года в одном из самых замечательных мест на Земле.

Благодаря невероятной удаче меня приняли в аспирантуру Беркли, и, хотя мои ожидания были неразумно велики, те четыре года превзошли всё, на что я рассчитывал. Беркли оказался во всех отношениях именно таким вдохновляющим, фантастическим местом, на которое я рассчитывал. (Уже на следующий день после приезда у меня появилась подруга-австралийка.) Я обнаружил, как удобно быть представителем малоизвестной страны, которую большинство даже не может отыскать на карте. Моя национальность позволяла мне быть в меру своего желания странным — исходя из презумпции невиновности, люди допускали, что это нормальное для Швеции поведение, так что я вскоре заслужил прозвище «Безумный Макс» и с удовольствием на него откликался. Не то чтобы мне надо было за это извиняться. Студент, который жил через улицу, всего лишь ходил на занятия голым и попал в национальные новости, когда был отчислен. Мой одногруппник по курсу физики подрабатывал порноактером, чтобы оплатить обучение. Парень из комнаты напротив в международном общежитии был арестован с огнестрельным оружием и списком «людей, которых надо уничтожить». Так что, если самыми большими вашими странностями были шведское происхождение и необычные физические идеи, это место годилось как нельзя лучше.

Ещё в школе мой друг Магнус Бодин заразил меня духом противоречия. Если остальные отсылали письма в прямоугольных конвертах, он делал треугольные. Теперь, когда я вижу, что большинство делает нечто одним способом, я инстинктивно ищу альтернативы. Например, в первый год однокурсники тратили массу времени на домашние задания по электромагнетизму, так что я договорился с профессором, чтобы пропустить всю эту работу в обмен на устный экзамен в конце курса. Вместо этого я бессчётные часы проводил в библиотеке, подкармливая своё любопытство изучением самой разнообразной физики, о которой не говорилось в учебниках и которая продолжает помогать мне по сей день. Кроме того, я получил время для исследований не по программе.

Впервые у меня появились друзья, разделявшие мою одержимость безумными физическими вопросами, и было восхитительно беседовать с ними ночи напролёт о природе реальности. Джастин Бендих, напоминавший мне Шэгги из «Скуби-Ду», являл собой кладезь информации и давал глубокие ответы даже на самые странные вопросы. Билл Пуарье был без ума от теории информации, и мы вместе на её основе замечательно усовершенствовали принцип неопределённости Гейзенберга. Это очень нас воодушевляло, пока я не нашёл в библиотеке статью о том же самом. Я чувствовал себя счастливейшим человеком на планете: я знал, чем я больше всего хотел заниматься, и занимался именно этим.

 

Мультиверс III уровня

Мои новые преподаватели тоже были весьма вдохновляющими. Я гораздо глубже понял квантовую механику благодаря Юджину Комминсу, чей суховатый юмор оживлял уравнения на доске. Однажды я поднял руку и спросил: «Правда ли, что это как складывать яблоки с персиками?» (Это шведская идиома.) «Нет, — ответил он. — Это как складывать яблоки с апельсинами».

Хотя его годичный курс научил меня многим полезным техническим приёмам, он не давал ответов на жгучие квантовые вопросы. В рамках курса они даже не поднимались, так что мне оставалось сражаться с ними самому. Является ли квантовая механика внутренне противоречивой? Действительно ли волновая функция коллапсирует? Если да, то когда? А если нет, то почему мы не видим вещи в двух местах сразу? Откуда появляются случайности и вероятности в квантовой механике?

Я слышал, что в 1957 году принстонский аспирант Хью Эверетт III предложил поистине радикальный ответ, подразумевающий существование параллельных вселенных, и мне было любопытно узнать подробности. Однако эту идею в основном игнорировали. Хотя мне встретились несколько человек, слышавших о ней, никто из них не читал затерявшуюся среди распроданных изданий диссертацию Эверетта. Всё, что нашлось в нашей библиотеке, — предельно сжатая версия, в которой вопросы, связанные с параллельными вселенными, не поднимались. В ноябре 1990 года я наконец достал неуловимую книгу. Весьма характерно, что нашёл я её в Беркли, в магазине, специализировавшемся на радикалистской литературе (там можно было купить, например, «Поваренную книгу анархиста»).

Диссертация Эверетта захватила меня. Словно пелена спала с глаз. Внезапно всё это приобрело для меня смысл. Эверетта волновали точно те же вещи, что и меня, но вместо того, чтобы смириться, он открыл нечто поразительное. Когда у вас появляется радикальная идея, так легко сказать себе: «Это, конечно, не сработает» и отбросить её. Но если вы задержитесь на этой мысли хоть немного и, спросив себя: «А почему именно это не сработает?» — обнаружите, что найти логически неопровержимый ответ трудно, то, возможно, вы нашли нечто важное.

Так в чём же идея Эверетта? Это на удивление простое утверждение:

Волновая функция не коллапсирует. Никогда.

Иными словами, волновая функция, которая полностью описывает нашу Вселенную, всегда изменяется детерминистически, всегда подчиняется уравнению Шрёдингера, независимо от того, выполняются наблюдения или нет. Так что уравнение Шрёдингера — это верховный закон без всяких «если», «и» или «но». Это означает, что теорию Эверетта можно рассматривать как «облегчённую версию квантовой механики»: возьмите версию из учебника и просто выбросьте постулат о коллапсе волновой функции и вероятностях.

Меня это удивило, поскольку, по слухам, Эверетт постулировал безумно звучащие вещи вроде параллельных вселенных и того, что наша Вселенная должна расщепляться на параллельные вселенные всякий раз, когда вы выполняете наблюдение. На самом деле даже сегодня многие из моих коллег-физиков продолжают считать, что Эверетт исходил из таких предположений. Чтение книги Эверетта стало для меня уроком не только по физике, но и по социологии: я понял, как важно оглядываться на прошлое и самостоятельно проверять первоисточники, не полагаясь на информацию из вторых рук. Далеко не только политиков неверно цитируют, интерпретируют и презентуют, и диссертация Эверетта — отличный пример того, о чём в первом приближении каждый физик имеет мнение, но чего при этом почти никто не читал.

Я буквально не мог оторваться от книги Эверетта. Его логика была прекрасна: он не выдвигал предположений ни о каких безумных вещах, но все они возникали в качестве следствий из его предположений! Сначала это казалось настолько простым, что не должно было работать. В конце концов, Нильс Бор и его коллеги были умными людьми, и они изобрели коллапс волновой функции, чтобы объяснить, почему в экспериментах мы видим тот или иной исход. Но Эверетт понял: даже если у экспериментов нет определённых исходов, они могут выглядеть так, будто такие исходы у них есть!

Рис. 8.1. Мысленный эксперимент с «квантовыми картами». Ровно в 10 часов утра вы устанавливаете карту на ребро, ставите 100 долларов на то, что она упадёт лицом вверх, и закрываете глаза. Спустя 10 секунд карта упала одновременно налево и направо в квантовой суперпозиции, так что волновая функция описывает карту, находящуюся в двух местах сразу. Ещё через 10 секунд вы открываете глаза и смотрите на карту, так что волновая функция описывает вас одновременно как довольного и как разочарованного. Хотя существует лишь одна волновая функция и одна квантовая реальность (в которой частицы, составляющие вас и карту, находятся в двух местах одновременно), Эверетт понял, что на практике это эквивалентно тому, что наша Вселенная расщепилась на две параллельные вселенные (внизу) с определённым исходом в каждой.

Взгляните на рис. 8.1: вот как я это воспринимаю. В мысленном эксперименте «квантовые карты» вы берёте карту с идеально ровным нижним краем, устанавливаете её на столе вертикально и ставите 100 долларов на то, что она, падая, ляжет лицом вверх. Закрываете глаза и ждёте. Согласно классической физике карта, в принципе, останется в равновесии навсегда. Согласно уравнению Шрёдингера, она упадёт в течение нескольких секунд, даже если вы приложите все силы, чтобы идеально её сбалансировать, поскольку принцип неопределённости Гейзенберга утверждает, что она не может находиться лишь в одном положении (строго вертикальном) без всякого движения. Но если исходное состояние было симметричным относительно направления вправо-влево, то таким должно быть и окончательное состояние. Это подразумевает, что карта упадёт в обе стороны сразу, в суперпозиции.

Когда вы открываете глаза и смотрите на карту, вы совершаете наблюдение. Согласно копенгагенской интерпретации, волновая функция коллапсирует, и вы видите карту лежащей либо лицом вверх, либо лицом вниз с вероятностью 50 % для каждого исхода. Вы либо радуетесь лёгкой добыче, либо сокрушаетесь, что лишились сотни баксов, — но законы физики не позволяют предсказать, что случится, поскольку исход связан с внутренней случайностью природы. А что говорит Эверетт? Для него в наблюдении нет ничего магического: это просто физический процесс, связанный с передачей информации — в данном случае от карты к вашему мозгу. Если волновая функция описывает карту только как лежащую лицом вверх, вы будете обрадованы (и наоборот). Связывая эти факты с помощью уравнения Шрёдингера, Эверетт легко вычисляет, что в точности происходит с волновой функцией: она превращается в описание суперпозиции двух различных конфигураций частиц, составляющих вас и карту, — в одной карта лежит лицом вверх, а вы улыбаетесь, в другой она лежит лицом вниз, а вы расстроены. Три ключевых момента:

1. Эксперимент переводит ваше сознание в два состояния сразу. Это, по сути, нелетальная версия эксперимента с котом Шрёдингера — с вами в роли кота.

2. Эти два состояния сознания совершенно ничего не знают друг о друге.

3. Состояние вашего сознания оказывается связанным с состоянием карты таким образом, что всё кажется согласованным. (Волновая функция не описывает никаких конфигураций частиц, при которых вы воспринимали бы карту лежащей лицом верх, когда она лежит лицом вниз.)

Легко доказать, что уравнение Шрёдингера всегда обеспечивает такую совместимость. Например, если ваш приятель войдёт в комнату и спросит, как дела, состояние всех частиц (из которых сделаны карта, вы и ваш приятель) эволюционирует в квантовую суперпозицию «карта лежит лицом вниз — вы опечалены — приятель вам сочувствует» и «карта лежит лицом вверх — вы довольны — приятель просит у вас в долг».

Итак, Эверетт понял (рис. 8.1): несмотря на то, что существует лишь одна волновая функция и одна квантовая реальность (в которой множество частиц, составляющих нашу Вселенную, находится в двух местах одновременно), на практике это эквивалентно тому, что наша Вселенная расщепляется на две параллельных! В конце этого эксперимента будут существовать две ваши копии, и каждая субъективно ощущает себя реальной, но совершенно не воспринимает существование другой.

На этом месте моя голова по-настоящему закружилась. Ведь эксперимент с квантовыми картами — это лишь частный пример того, как микроскопические квантовые причуды усиливаются до макроскопических квантовых чудес. Как говорилось в предыдущей главе, такое усиление малых различий до больших происходит практически всё время: когда частица космических лучей вызывает или не вызывает раковую мутацию, когда текущие атмосферные условия развиваются или не развиваются к будущему году в ураган четвёртой категории, либо когда вы используете свои нейроны для принятия решений. Иными словами, расщепление параллельных вселенных происходит постоянно, делая число квантовых параллельных вселенных поистине ошеломляющим. Поскольку такое расщепление идёт с момента нашего Большого взрыва, практически любая версия истории, которую можно вообразить, реально разыгрывается в одной из квантовых параллельных вселенных, если только она не нарушает физических законов. Поэтому существует гораздо больше параллельных вселенных, чем песчинок во всей нашей Вселенной. Короче говоря, Эверетт показал, что если волновая функция никогда не коллапсирует, то знакомая нам реальность — лишь самая вершина онтологического айсберга, ничтожно малая часть истинной квантовой реальности.

Мы встречались в гл. 6 с параллельными вселенными, но другого типа. Чтобы не свихнуться от передозировки параллельными вселенными, вернёмся к обзору терминологии, принятой в гл. 6. Под нашей Вселенной мы подразумеваем физическую область пространства, свету из которой хватило времени, чтобы дойти до нас за 14 млрд лет, прошедших с момента нашего Большого взрыва, со всеми её классическими наблюдаемыми свойствами (где какая галактика находится, что записано в исторических книгах и т. д.). В гл. 6 мы назвали другие такие сферические области, находящиеся далеко от нас в огромном или бесконечном пространстве, параллельными вселенными I или II уровня в зависимости от того, действуют ли там те же законы физики, что у нас. Назовём квантовые параллельные вселенные, открытые Эвереттом, параллельными вселенными III уровня, а их совокупность — мультиверсом III уровня. Где находятся все эти параллельные вселенные? Если вселенные I и II уровней находятся в старом добром трёхмерном пространстве очень далеко, то вселенные III уровня могут в смысле нашего трёхмерного пространства располагаться прямо здесь, но они отделены от нас в гильбертовом пространстве — абстрактном математическом пространстве с бесконечным числом измерений, в котором обитает волновая функция.

После первоначального отвержения и десятилетнего почти полного игнорирования эвереттовскую версию квантовой механики стал популяризировать знаменитый теоретик квантовой гравитации Брайс Девитт. Он называл эвереттовскую теорию многомировой интерпретацией, и это название вошло в научный обиход. Позднее я встречался с Брайсом, и он рассказал, как пожаловался Эверетту на то, что ему нравится математика теории, но сильно беспокоит то, что он не ощущает постоянного расщепления параллельных версий самого себя. Эверетт ответил вопросом на вопрос: «А вы чувствуете, что вращаетесь вокруг Солнца со скоростью 30 км/с?» «Туше!» — воскликнул Брайс и признал поражение. Так же, как классическая физика предсказывает то, что мы вращаемся вокруг Солнца и не должны этого чувствовать, Эверетт показал, что избавленная от коллапса квантовая физика предсказывает, что мы расщепляемся, никак не чувствуя этого.

Иногда бывает трудно примирить то, во что я верю, с тем, что я ощущаю. В мае 1999 года я ждал, что аист вот-вот принесёт мне первенца. Я беспокоился и надеялся, что роды скоро произойдут и окажутся успешными. При этом мои физические расчёты показывали, что в параллельных вселенных роды пройдут одновременно и успешно, и неудачно. Что, в таком случае, я имею в виду под надеждой? Возможно, я надеюсь оказаться в одной из вселенных, где всё кончилось хорошо? Нет: я окажусь во всех этих параллельных вселенных, в одних — ликующим, в других — подавленным. Или, может, это означает надежду на то, что в большинстве параллельных вселенных роды окажутся успешными? Нет: долю удачных исходов в принципе можно рассчитать с помощью уравнения Шрёдингера, и нелогично строить надежды относительно того, что предопределено. Однако, по-видимому — вероятно, к счастью, — мои эмоции не вполне логичны.

 

Иллюзия случайности

У меня есть и другие вопросы. Известно, что если повторять квантовый эксперимент много раз, обычно получаются разные результаты, которые кажутся случайными. Например, можно измерять направление спина множества одинаковым образом приготовленных атомов так, что получится внешне беспорядочная последовательность результатов, скажем, «по часовой стрелке», «против часовой стрелки» «по часовой стрелке», «по часовой стрелке», «против часовой стрелки» и т. д. Квантовая механика не предсказывает эти исходы, а говорит лишь о вероятности каждого из них. Но эти вероятностные дела завязаны на постулат копенгагенской интерпретации о коллапсе, от которого Эверетт отказался. Так как он заставляет квантовую механику предсказывать нечто случайное? В уравнении Шрёдингера нет ничего случайного: если вы знаете волновую функцию нашей Вселенной в данный момент, то с его помощью можете, в принципе, предсказать, какой будет волновая функция в любой момент в будущем.

Осенью 1991 года я записался на необычный курс по интерпретации квантовой механики, который читал аспирант Энди Элби. Его комната в общежитии находилась рядом с комнатой моей девушки. Дверь Энди украшали полезные советы в духе: «Прокрастинация: 7 простых шагов». Как и я, он очень интересовался подлинным смыслом квантовой механики и в качестве части своего курса предложил мне прочесть две лекции о работе Эверетта. Для меня это был обряд инициации: я в первый раз делал доклад по физике, и большую его часть я посвятил тому, как Эверетт объяснял случайность. Прежде всего, если вы ставите эксперимент с квантовыми картами (рис. 8.1), обе ваши копии (каждая в параллельной вселенной) будут видеть вполне определённый исход. Обе копии будут чувствовать, что этот исход случаен в том смысле, что его было невозможно предсказать: для любого предсказанного исхода противоположный ему случается в столь же реальной вселенной. Теперь к вопросу о вероятностях. Если вы повторите эксперимент с четырьмя картами, то получите 24 = 16 исходов (рис. 8.2), и в большинстве случаев вам покажется, что вероятность выигрыша — около 50 %. Лишь в 2 из 16 случаев вы все четыре раза получите одинаковый результат. По мере того, как число повторений эксперимента растёт, ситуация становится всё интереснее. Согласно теореме французского математика Эмиля Бореля, доказанной в 1909 году, если повторить эксперимент с картами бесконечно много раз, вы будете наблюдать выигрыш в 50 % проб почти во всех случаях (за исключением того, что в математике называется множеством меры нуль). Поэтому в окончательной суперпозиции почти все ваши копии будут считать, что законы вероятности действуют, невзирая на то, что в стоящей за ними физике (уравнении Шрёдингера) нет никакой случайности.

Иными словами, субъективное восприятие вашей копии в типичной параллельной вселенной — внешне случайная последовательность выигрышей и проигрышей, как если бы она генерировалась случайным процессом с вероятностью 50 % для каждого исхода. Строгость эксперимента можно повысить, если делать пометки, записывая 1 всякий раз, когда вы выигрываете, и 0 при проигрыше, а перед всеми цифрами поставить нуль и десятичную запятую. Например, если ваша последовательность такова: проигрыш, проигрыш, выигрыш, проигрыш, выигрыш, выигрыш, выигрыш, проигрыш, проигрыш, выигрыш, то вы записываете: 0,0 010 111 001. Но именно так выглядят вещественные числа между 0 и 1, если записывать их в двоичной системе счисления, которую используют компьютеры для хранения данных в памяти! Если представить себе, что эксперимент с квантовыми картами повторяется бесконечное число раз, то на вашем листе бумаги появится бесконечно много цифр, что позволяет сопоставить каждой параллельной вселенной число между 0 и 1. Теперь вспомним, что согласно теореме Бореля, почти во всех этих числах половина цифр равна 0, половина — 1, а это означает, что почти во всех параллельных вселенных в половине случаев вы выигрываете, а в половине — проигрываете. Причём дело не только в долях исходов. Число 0,010 101 010 101… содержит 50 % нулей, но, очевидно, не является случайным, поскольку оно содержит простой повторяющийся шаблон. Теорему Бореля можно обобщить, показав, что почти все числа состоят из последовательности цифр случайного вида, без каких-либо шаблонов. То есть почти во всех параллельных вселенных III уровня последовательности ваших выигрышей и проигрышей также будут совершенно случайными, а значит, всё, что можно предсказать, — это то, что вы будете выигрывать в половине случаев.

Рис. 8.2. Происхождение квантовых вероятностей. В квантовой физике карта, идеально сбалансированная на своём ребре, будет падать, не теряя симметрии, сразу в обоих направлениях (это называется суперпозицией). Если вы поставите деньги на то, что дама упадёт лицом вверх, то состояние мира станет суперпозицией двух исходов: вас, улыбающегося, с дамой лицом вверх, и вас, опечаленного, с дамой лицом вниз. Если вы повторите эксперимент с четырьмя картами, получится 2 × 2 × 2 × 2 = 16 исходов. В большинстве случаев вам будет казаться, что дама выпадает случайно с вероятностью около 50 %. Лишь в 2 из 16 случаев вы получите один и тот же результат все 4 раза. Если вы повторите эксперимент 400 раз, то из 2400 исходов около 50 % будут дамами (справа вверху). Согласно знаменитой теореме, в пределе, когда вы повторяете эксперимент с картой бесконечное число раз, дама будет наблюдаться в 50 % раз почти во всех случаях. Таким образом, в окончательной суперпозиции почти все ваши копии будут считать, что закон вероятности действует несмотря на то, что в стоящей за ним физике нет ничего случайного и, как говорил Эйнштейн, «Бог не играет в кости».

Постепенно до меня дошло, что фокус с иллюзией случайности вовсе не специфичен для квантовой механики. Допустим, некая технология будущего позволила клонировать вас во сне и две ваши копии помещены в комнаты №№ 0 и 1 (рис. 8.3). Когда они проснутся, они будут ощущать, что номер на двери их комнаты совершенно непредсказуем и случаен. Если в будущем появится возможность загружать своё сознание в компьютер, то, что я сейчас говорю, покажется совершенно очевидным, поскольку клонировать себя будет не сложнее, чем скопировать программу. Если вы многократно повторите эксперимент по клонированию (рис. 8.3) и запишете найденные номера комнат, то почти во всех случаях вы увидите, что зафиксированная последовательность нулей и единиц выглядит случайной, и нуль встречается в номере примерно в половине случаев.

Рис. 8.3. Иллюзия случайности возникает всякий раз, когда вы клонируете себя, так что здесь нет ничего специфически квантово-механического. Если некая технология будущего позволит клонировать моего сына Филиппа, пока он спит, и две его копии будут помещены в комнаты с номерами 0 и 1, обеим копиям будет казаться, что номер комнаты непредсказуем и случаен.

Иными словами, обычная физика будет порождать иллюзию случайности (с вашей, субъективной точки зрения) в любой ситуации, когда вас клонируют. Фундаментальная причина того, что квантовая механика кажется случайной несмотря на то, что волновая функция эволюционирует детерминистически, состоит в том, что, согласно уравнению Шрёдингера, волновая функция с единственным вашим экземпляром может эволюционировать в такую, согласно которой ваши клоны существуют в параллельных вселенных.

Так что вы ощущаете, когда вас клонируют? Вы чувствуете случайность! И каждый раз, когда с вами происходит нечто кажущееся случайным на фундаментальном уровне, когда исход нельзя предсказать даже в принципе, это признак того, что вас клонировали.

Работа Хью Эверетта всё ещё остаётся спорной, но, я думаю, он всё-таки был прав и волновая функция никогда не коллапсирует. Я считаю, что однажды его признают гением, равным Ньютону и Эйнштейну — по крайней мере, в большинстве параллельных вселенных. К сожалению, в нашей Вселенной его теорию десятилетиями игнорировали. Он забросил физику, ожесточился и стал замкнутым, начал курить, много пить и скончался от сердечного приступа в 1982 году. Я многое узнал о нём, недавно познакомившись с его сыном Марком на съёмках документального фильма «Параллельные миры, параллельные жизни». Продюсер хотел, чтобы я объяснил Марку суть работ его отца, и я был этим счастлив и горд: когда-то, в той книжной лавке для радикалов, я и в самых смелых мечтах не мог представить, что однажды у меня появится такая связь с одним из моих физических супергероев. Марк — рок-звезда, если вы смотрели «Шрека», то слышали, как он поёт. Судьба его отца причинила большие страдания семье. Марк и его сестра почти не общались с отцом, несмотря на то, что жили вместе с ним. Сестра покончила с собой, оставив записку о том, что собирается встретиться с отцом в параллельной вселенной.

Поскольку я считаю, что параллельные вселенные Хью Эверетта реальны, я не могу не задумываться о том, что они собой представляют. В нашей Вселенной его не приняли в аспирантуру физического факультета Принстонского университета, и он поступил на математический факультет, через год всё-таки перейдя на физический. Из-за нехватки времени диссертация по квантовой физике осталась единственной работой Эверетта. Во многих других вселенных, я думаю, его приняли на физический факультет сразу же, и у него нашлось достаточно времени, чтобы сначала добиться успеха в более привычных областях, и это затруднило игнорирование его последующих квантовых идей. Это стало для него началом карьеры, подобной той, что сделал Эйнштейн. Специальную теорию относительности тоже встретили с подозрением (особенно учитывая тот факт, что её выдвинул не представитель академического сообщества, а служащий патентного бюро), но её нельзя было игнорировать, поскольку Эйнштейн уже сделал себе имя другими открытиями. Так же, как Эйнштейн, войдя в академическую среду, смог открыть общую теорию относительности, Эверетт, получив профессорскую должность, сделал новые прорывы столь же замечательные, как и первый, — как бы я хотел знать, что именно он открыл…