Скотт Бембенек - Механизм Вселенной: как законы науки управляют миром и как мы об этом узнали

В 1917 году Эйнштейн уже выразил «беспокойство», связанное с квантовой механикой и внутренне присущей ей вероятностной природой. Тем не менее он продолжал делать существенный вклад в науку, и его последним значительным усилием стали три статьи, посвященные идеальному квантовому газу и написанные в 1924–1925 годах. В течение последних тридцати лет жизни Эйнштейна его научная деятельность была сосредоточена на поисках единой теории поля . Разумно предположить, что в тот переломный момент в 1917 году он уже думал об этих поисках и к 1920-м годам сконцентрировался на них.

Первой и наиболее важной для него была попытка объединить гравитацию (описываемую его же собственной общей теорией относительности) и электромагнетизм (описываемый уравнениями Максвелла).

Более того, он хотел, чтобы известные физике частицы были выведены как частные решения окончательных уравнений той теории. Наконец, что немаловажно, Эйнштейн требовал, чтобы такая теория была полностью причинной. Другими словами, новая теория должна была объяснять (вдобавок к другим вещам) всю ту квантовую механику, которую так успешно смогли объяснить до нее, но уже без необходимости в квантовой вероятности.

Эйнштейн умер больнице в Принстоне 18 апреля 1955 года. По-видимому, он до последнего работал, но потерпел неудачу в поиске единой теории, которую он так желал найти. Однако попытки подобного объединения и сегодня остаются активной областью исследований, главным образом в виде теории струн [215].

Если квантовая механика с квантовой вероятностью для вас недостаточно странные, вот вам: буквальная физическая интерпретация математики уравнения Шрёдингера позволяет представить квантовую систему, находящуюся в двух или более квантовых состояниях — их суперпозиции — одновременно. Это в какой-то мере сотрясает наше мировосприятие, поскольку не похоже, чтобы знакомый нам по опыту мир демонстрировал такую безумную смесь реальности.

В квантовой механике принято считать, что определенный исход возникает из-за того, что при наблюдении волновая функция «коллапсирует» в четко определенное квантовое состояние. Вспомним, что, когда мы рассматривали опыт с двумя щелями, мы помещали детектор у каждой щели, надеясь разобраться в загадочной интерференции электронов при их прохождении через щели. Вместо этого мы увидели только четко определенное квантовое состояние, в котором один электрон проходил либо через одну щель, либо через другую, а интерференционная картина полностью пропала. Коллапс волновой функции входит в копенгагенскую интерпретацию квантовой механики и в течение некоторого времени оставался стандартным явлением.

Однако у Хью Эверетта III (1930–1982) на этот счет было совсем другое мнение. Вместо того чтобы искусственно вводить коллапс волновой функции в одно из квантовых состояний при наблюдениях, Эверетт предпочел допустить все возможные исходы. Хитрость состоит в том, что все они будут возникать в различных параллельных вселенных . Так что пока мы наблюдаем данный исход в нашей Вселенной, за другими исходами в других Вселенных следят предполагаемые наблюдатели вроде нас или, возможно, даже наши копии. Концепция такой Мультивселенной встречается не только в квантовой механике. Она появляется и в теории относительности, космологии и других областях [216].

В своей повседневной жизни мы пришли к убеждению, что определенные вещи никогда не случатся: разбитый стакан никогда не соберется обратно; воздух никогда не переместится полностью из одной половины комнаты в другую, оставив нас бездыханными (слава Богу!). Как мы узнали, подобные процессы (или переходы) не случаются потому, что это не позволяет их необратимость. Более того, необратимость тесно связана с естественной тенденцией Вселенной увеличивать свою энтропию, что вовсе не упоминается в первом начале термодинамики, но вместо этого ложится в основу второго. Размышляя, например, о разбитом стакане, можно наверняка прийти к заключению, что когда-то в прошлом он был цел. Иначе говоря, стрела времени [217]направлена так, что возрастание энтропии указывает на настоящее или будущее, но не на прошлое.

Больцман учил, что предпочтительному для системы макросостоянию соответствует много микросостояний, и поэтому его энтропия максимальна (при данном наборе величин, характеризующих условия, в которых находится система, например температура, давление и т. д.). В самом деле, у разбитого стакана больше микросостояний (микроскопических расположений атомов, составляющих стекло), чем в одном-единственном варианте, когда он не разбит (если быть точным, склеивание его осколков вместе не делает его снова не разбитым). И хотя объяснение Больцмана приносит некоторое облегчение, не достает чего-то фундаментального, а именно — ответа на вопрос: каков глубинный механизм, который в реальности направляет Вселенную (или систему) в первую очередь в сторону возрастания энтропии? Честно говоря, мы до сих пор его не знаем.

Я бы мог продолжать дальше, но придется оставить вас наедине со всем этим множеством вещей, которые мы уже обсудили, и я надеюсь, что это поможет вам найти свою страсть к науке.

Aitchison, Ian J. R., David A. MacManus, and Thomas M. Snyder. “Understanding Heisenberg’s ‘Magical’ Paper of July 1925: A New Look at the Calculational Details.” American Journal of Physics 72 (2004): 1370–1379.

Antognazza, Maria R. Leibniz: An Intellectual Biography. New York: Cambridge University Press, 2008.

Badino, Massimiliano. “Probability and Statistics in Boltzmann’s Early Papers on Kinetic Theory.” PhilSci-Archive: An Archive for Preprints in Philosophy of Science. http://philsci-archive.pitt.edu/2276/ (accessed 2016).

“The Odd Couple: Boltzmann, Planck and the Application of Statistics to Physics (1900–1913).” Annalen Der Physik 18 (2009): 81–101.

Banach, David. “Plato’s Theory of Forms.” David Banach Homepage (Philosophy 105). http://www.anselm.edu/homepage/dbanach/platform.htm (accessed 2016).

“Some Main Points of Aristotle’s Thought.” David Banach Homepage (Philosophy 105). http://www.anselm.edu/homepage/dbanach/arist.htm (accessed 2016).

Boas, Marie. “The Establishment of the Mechanical Philosophy.” Osiris 10 (1952): 412–541.

Bose, Satyendra N. “Planck’s Law and the Light Quantum Hypothesis (Translated by O. Theimer and Budh Ram).” American Journal of Physics 44 (1976): 1056–1057.

Boyle, Robert. The Sceptical Chymist. Mineola: Dover Publications, 2003.

Brush, Stephen G. “How Ideas Became Knowledge: The Light-Quantum Hypothesis 1905–1935.” Historical Studies in the Physical and Biological Sciences 37 (2007): 205–246.

“The Development of the Kinetic Theory of Gases.” Archive for History of Exact Sciences 12 (1974): 1–88.

The Kinetic Theory of Gases: An Anthology of Classic Papers with Historical Commentary (History of Modern Physical Sciences, Vol. 1). London: Imperial College Press, 2003.

Burnham, Douglas. “Gottfried Leibniz: Metaphysics.” The Internet Encyclopedia of Philosophy. http://www.iep.utm.edu/leib-met/ (accessed 2016).

Campbell, Gordon. “Empedocles.” The Internet Encyclopedia of Philosophy. http://www.iep.utm.edu/empedocl/ (accessed 2016).

Cassidy, David C. Uncertainty: The Life and Science of Werner Heisenberg. New York: W. H. Freeman, 1992.

Cercignani, Carlo. Ludwig Boltzmann: The Man Who Trusted Atoms. New York: Oxford University Press, 1998.

Clausius, Rudolf. The Mechanical Theory of Heat: With Its Applications to the Steam-Engine and to the Physical Properties of Bodies. Edited by Thomas A. Hirst. J. Van Voorst, 1867.