Фрэнк Вильчек - Основы реальности

Думаю, я могу с уверенностью сказать, что никто не понимает квантовую механику.

Я считаю, что понимаю уравнение, если могу предсказать свойства его решений, не решая его.

Естественное человеческое восприятие плохо сочетается с квантовой механикой. В квантовом мире сосуществуют многие возможные конфигурации и варианты поведения. Если вы посмотрите (то есть проведете наблюдение), то увидите только один вариант из возможных — и не сможете заранее сказать, какой именно. Нельзя с помощью одного набора ощущений (то есть наблюдений) полностью оценить состояние квантовой системы [121].

Главная цель естественного человеческого восприятия — дать нам представление о мире в виде объектов с более или менее предсказуемыми свойствами, занимающих более или менее определенные положения в трехмерном пространстве. Это очень полезная информация для повседневной жизни, и мы легко ее получаем. Но фундаментальное понимание подсказывает: можно увидеть еще многое. А квантовая механика переводит эти возможности на другой уровень.

К счастью, способы адаптировать квантовый мир к естественному человеческому восприятию существуют, хотя пока мало изучены. Если мы можем вычислить интересующее нас состояние — скажем, состояние кварков и глюонов в протоне, или электронов и ядер в молекуле, или кубитов в квантовом компьютере, — мы также можем вычислить, какими оказались бы наши наблюдения этих состояний при большом количестве экспериментов, как если бы мы их выполнили . Мы можем даже представить все результаты этих вычислений параллельно на многих дисплеях. Таким образом физики, химики и туристы могли бы погрузиться в квантовый мир и, возможно, наконец прийти к его пониманию.

Познай себя.

Как ни странно, похожая проблема связана и с нашим восприятием себя. В мозгу происходит одновременно много вещей, но сознание позволяет нам в каждый момент заниматься только одной. В результате многое вообще от нас ускользает. Мы можем переключать внимание, но для нас сложно и неестественно сосредоточиваться одновременно на более чем одном деле [122].

По мере того как наша способность отслеживать и объяснять состояния мозга усовершенствуется, мы получим возможность представлять наше внутреннее «я» через визуальную систему на дисплеях, обходя фильтр естественного сознания. Мы будем получать больше информации, а пропускать — меньше. Люди по-новому и глубже узнают себя, а возможно, и других.

Хотя мы многое поняли об устройстве мира, в нем еще немало великих загадок. Вот три важные, пока не разгаданные тайны.

• Что спровоцировало Большой взрыв? Может ли он повториться?

• Есть ли значимые закономерности, скрытые в наблюдаемом разрастании сообщества элементарных частиц и сил?

• Как конкретно из материи возникает разум? (Или он возникает вообще не из материи?)

Давайте сосредоточимся на двух больших, но более конкретных тайнах. Поиск их разгадок находится на переднем крае науки и направлен на углубление нашего понимания основ физического мира.

Первая тайна связана со странной особенностью фундаментальных законов, которые остаются неизменными (почти, хотя и не совсем), если обратить время вспять. Вторая возникла в результате обескураживающего открытия: астрономы обнаружили новую силу, по всей видимости гравитационную, но непонятно откуда взявшуюся. На первый взгляд их наблюдения указывают на существование некой «темной стороны Вселенной» и двух новых элементов — темной материи и темной энергии. Оба они, хотя и составляют б о льшую часть массы Вселенной, каким-то образом раньше ускользали от внимания исследователей.

Недавно возникла многообещающая идея, которая, кажется, могла бы пролить свет на эти загадки. Проблема, связанная с обращением времени, заставила многих физиков заподозрить, что существует новый вид частиц — аксионы . Их долгоживущее послесвечение, оставшееся после Большого взрыва, обладает подходящими свойствами, чтобы оказаться темной материей. Шквал разработок, порожденных этой идеей, привел к азартной гонке за открытиями. В ней приняли участие сотни ученых со всего мира.

Зеркальное отражение времени

В нашей жизни не много аспектов столь же очевидных, сколь асимметрия между прошлым и будущим. Мы помним прошлое, но можем только догадываться о будущем. Если вы прокрутите фильм — скажем, «Огни большого города» Чарли Чаплина — в обратном направлении, последовательность событий на экране будет мало похожа на реальность. Этот перемотанный назад фильм никогда не перепутаешь с настоящим.

Тем не менее начиная с зарождения современной науки — классической механики Ньютона — и еще совсем недавно вид фундаментальных законов не менялся при обращении (перемене знака) времени. Следовательно, законы, которые вы хотите использовать для предсказания прошлых состояний исходя из настоящих, — те же, что и для предсказания будущих состояний. Например, если вы представите фильм о планетах, вращающихся вокруг Солнца по законам Ньютона, и прокрутите его назад, планеты в фильме по-прежнему будут вращаться по законам Ньютона. Эта особенность законов называется симметрией относительно обращения времени, или сокращенно T-инвариантностью.

T-инвариантность сохранялась и при расширении области применения законов — например, в уравнениях электромагнетизма Максвелла, и в модифицированных Эйнштейном уравнениях гравитации, и в квантовых версиях этих уравнений. И все наблюдения фундаментальных взаимодействий, казалось, подтверждали эту симметрию.

Контраст между повседневным опытом и фундаментальными законами рождает два вопроса. Один звучит так: как реальная Вселенная определяет предпочтительное течение времени? Мы получили ответ в главе 6и (особенно) в главе 7, где увидели, что гравитация вышла из равновесия [123]. Другой вопрос формулируется просто: почему? Почему в нашем фундаментальном описании природы есть эта Т-инвариантность, но в том мире, который дан нам в ощущениях, она явно отсутствует?

Почему? Первый подход — достижение дна

Родителей маленьких детей иногда раздражают их бесконечные «почему». ( Почему мне нужно ложиться спать? Потому что людям нужно отдыхать. Почему людям нужно отдыхать? Потому что их тела устают. Почему их тела устают? Потому что после того, как мы какое-то время напрягаем мышцы, они перестают работать. Почему они перестают работать? Потому что их топливо — пища, которую мы едим, а потом остается некоторое количество отходов, которые нужно убирать. Почему ? Потому что все деградирует, подчиняясь второму закону термодинамики. Почему ? Потому что во время Большого взрыва гравитация была в неравновесном состоянии…) В конце концов у вас закончатся ответы [124]. В какой-то момент вы поймете, что уже не можете найти достаточно простое объяснение — вы дошли до дна. И тогда вы скажете: «Просто это так».