Юрий Артамонов - Ли Смолин. Возрожденное время: От кризиса в физике к будущему вселенной

Брюс ДеВитт, Джон Уилер, Чарльз Мизнер и Стивен Хокинг все были пионерами, которые тогда были на полпути к созданию новой дисциплины: квантовой космологии. Изобретенный ими брак ОТО и квантовой теории был вершиной нашего восхождения к вневременному миру современной физики. В квантовой вселенной, которую они описали, время не только является излишним, оно полностью исчезает. Квантовый космос не эволюционирует и не меняется, он не расширяется и не сжимается, он просто есть.

Эта тема, что нужно подчеркнуть, представляет собой в высшей степени умозрительную и поэтическую область теоретической физики, пока без твердой привязки к наблюдениям. Заключениям, которым вы можете вывести из нее, недостает авторитета картины природы, даваемой теорией относительности, которая снова и снова триумфально подтверждается экспериментально и продолжает удивлять нас точностью своих предсказаний.

Мы начнем с квантовой механики, которая является триумфом метода изучения физики в ящике. Мне нужно будет объяснить только несколько базовых вещей по поводу того, как подсистемы вселенной моделируются в квантовой механике, чтобы проложить путь к двухэтапной экстраполяции нашей современной физики. Первый этап, мы должны унифицировать квантовую механику с ОТО, чтобы получить квантовую теорию гравитации. Имеются разные подходы к этой унификации, и до сих пор нет экспериментов, чтобы сделать выбор среди них, но достаточно известно о том, как должна быть сформулирована такая теория, чтобы допустить нас ко второму этапу, который есть включение целой вселенной в квантовую теорию.

Мы увидим, что результатом является вневременная картина природы.

Квантовая механика предлагает весьма успешное описание микроскопических систем, таких как атомы и молекулы. Но она загадочна. В результате людских попыток придать ей смысл было изобретено несколько радикально отличающихся способов говорить о ней. Они отличаются своими

к оглавлению

выводами относительно времени и тем, может ли квантовая теория быть применена к целой вселенной, - оба вопроса важнейшие для нашего обсуждения здесь [2].

С моей точки зрения лучший способ объяснить квантовую механику - начать с разговора о том, для чего нужна наука. Многие из нас думают, что целью науки является описание того, какова природа на самом деле, - чтобы дать картину мира, в правильность которой мы могли бы поверить, даже если нас нет рядом, чтобы ее увидеть. Если вы думаете о науке подобным образом, вы будете разочарованы квантовой механикой, поскольку она не дает картины, которая исходит из индивидуального эксперимента.

Нильс Бор, один из основателей квантовой теории, утверждал, что те, кто был разочарован подобным образом, имели ошибочное представление о том, для чего нужна наука. Проблема не в теории, а в том, что мы ожидаем, чтобы теория сделала для нас. Бор провозгласил, что целью научной теории является не описание природы, а выдача нам правил для манипулирования объектами в мире и языка, который мы можем использовать для представления результатов.

Язык квантовой теории предполагает активное вмешательство в природу, для этого говорят о том, как экспериментатор опрашивает микроскопическую систему. Он может приготовить систему так, что она будет изолирована и готова для изучения. Он может трансформировать ее, подвергая ее различным внешним воздействиям. А затем он может измерять ее путем введения приборов, которые считывают ответы на вопросы, которые он сумел задать о системе. Математический язык квантовой механики представляет каждый из этапов подготовки, преобразования и измерения. Поскольку акцент делается на том, что мы делаем с квантовой системой, это может быть названо операционалистским подходом к квантовой физике.

Центральный математический объект в квантовом описании системы называется квантовым состоянием . Оно содержит всю информацию, которую наблюдатель может знать о квантовой системе в результате ее приготовления и измерения. Эта информация ограничена, и в большинстве случаев ее недостаточно, чтобы точно предсказать, где находятся составляющие систему частицы. Вместо этого квантовое состояние дает вероятности того, где мы можем найти частицы, если мы должны измерить их положения.

к оглавлению

Рассмотрим атом, состоящий из ядра и нескольких электронов вокруг него. Самое точное описание, которое мы могли бы дать атому, было бы сказать, где находится каждый электрон. Каждое расположение электронов есть конфигурация. Лучшее квантовомеханическое описание дает вместо этого вероятность каждой возможной конфигурации, в которой могут быть найдены электроны [3].

Как вы можете проверить предсказания теории, если эти предсказания только вероятностные? Подумайте о предсказании, что подброшенная монета упадет лицевой стороной вверх в 50 процентах случаев. Чтобы проверить это, вы не можете подбросить монету только один раз; результат будет или аверс или реверс, и тот или другой согласуется с предсказанием, что каждый вариант появляется в половине случаев. Вам необходимо подбрасывать монету много раз и записывать, какая доля бросков закончилась падением аверсом вверх. Когда вы бросаете монету все больше и больше раз, доля падений аверсом вверх будет стремиться к 50 процентам. То же самое с вероятностными предсказаниями квантовой механики: Чтобы подтвердить их, вам нужно проводить эксперимент много раз [4]. Измерение отдельной квантовой системы подобно однократному подбрасыванию монеты: Какой бы хаотический результат вы не получили, он будет согласовываться почти с любым предсказанием теории.

Этот метод имеет смысл только в применении к малой изолированной системе вроде атома водорода. Чтобы проверить предсказания, нам требуется большое количество идентичных копий системы; если у нас есть только одна, мы не можем проверить предсказания - поскольку они вероятностные! Мы также должны быть в состоянии манипулировать этой коллекцией систем, приготавливая их изначально в том квантовом состоянии, в котором мы заинтересованы, а затем измеряя что-либо по поводу этих систем. Но если мы имеем множество копий системы в мире, тогда каждая копия должна быть только малой частью того, что существует. Среди вещей, которые не являются частью системы, находятся инструменты и координатные оси, которые мы используем для измерения конфигураций системы.

Так что применимость квантовой механики оказывается ограниченной изолированными системами. Это развитие Ньютоновской парадигмы - изучение физики в ящике. Чтобы увидеть, насколько сильно метод квантовой механики базируется на изучении изолированных систем, посмотрим, как описывается изменение во времени.