Карло Ровелли - Нереальная реальность. Путешествие по квантовой петле

В течение XX столетия список фундаментальных полей неоднократно обновлялся, и сегодня мы располагаем теорией, которая называется Стандартной моделью элементарных частиц и описывает почти всё, что мы видим, за исключением гравитации [76]в контексте квантовой теории поля. Выработка этой модели заняла у физиков большую часть прошлого века, и это было замечательное приключение, полное открытий. Я не буду подробно останавливаться на этом, а предпочту сосредоточиться на квантовой гравитации. Стандартная модель была завершена к 1970-м годам. Существует около пятнадцати полей, кванты которых являются элементарными частицами (это электроны, кварки, мюоны, нейтрино, бозоны Хиггса и кое-что еще), плюс несколько полей, подобных электромагнитному, которые описывают электромагнитное взаимодействие и другие силы, действующие в ядерных масштабах, кванты которых подобны фотонам.

Поначалу Стандартную модель не воспринимали слишком серьезно, поскольку она в каком-то смысле была слеплена на коленке и сильно отличалась от воздушной простоты уравнений общей теории относительности Максвелла и Дирака. Вопреки ожиданиям, однако, все ее предсказания подтвердились. В течение более чем 30 лет буквально каждый эксперимент в области физики элементарных частиц не приносил ничего, кроме очередного подтверждения Стандартной модели. Самое свежее ее подтверждение – открытие бозона Хиггса, которое стало сенсацией в 2013 году. Поле Хиггса, введенное для того чтобы добиться согласованности теории, было до некоторой степени искусственной придумкой, пока не удалось экспериментально пронаблюдать бозон Хиггса, квант этого поля, и не оказалось, что он имеет в точности те свойства, которые предсказывались Стандартной моделью [77]. (То, что его стали называть частицей Бога, настолько недостойно, что даже не заслуживает комментария.) Короче, несмотря на незаслуженно скромное название, Стандартная модель – это триумф физики.

Квантовая механика с ее полями и частицами предлагает сегодня поразительно эффективное описание природы. Мир состоит не из полей и частиц, но из единственной сущности – квантового поля. Больше нет частиц, которые движутся в пространстве с течением времени, но есть квантовые поля, элементарные события которых происходят в пространстве-времени. Наш мир странный, но простой (рис. 4.6).

Рис. 4.6.Из чего состоит мир?

Пришло время сделать некоторые выводы о том, что в точности говорит нам о мире квантовая механика. Это непростая задача, поскольку идеи квантовой механики не вполне прозрачны и ее подлинный смысл остается спорным, однако это необходимо, чтобы добиться ясности и двигаться дальше. Я считаю, что квантовая механика раскрывает три аспекта природы вещей: зернистость, неопределенность и реляционную структуру мира. Рассмотрим каждый из них более подробно.

Первый аспект состоит в существовании у природы фундаментальной зернистости . Зернистость вещества и света лежит в основе квантовой теории. Это, однако, не та зернистость, о которой догадывался Демокрит. Для Демокрита атомы были сродни маленьким камешкам, тогда как частицы в квантовой механике исчезают и возникают снова. И все же ключевая идея принципиальной зернистости мира прослеживается в древнем атомизме, а квантовая механика, усиленная столетиями экспериментов и мощной математической базой и обладающая поразительной способностью делать корректные предсказания, – это подлинное признание глубоких прозрений о природе вещей великого философа из Абдеры.

Допустим, мы производим измерение над физической системой и обнаруживаем ее в определенном состоянии. Например, мы измеряем амплитуду колебаний маятника и видим, что она имеет определенное значение, скажем, где-то между пятью и шестью сантиметрами (в физике не бывает абсолютно точных измерений). До появления квантовой механики мы бы сказали, что поскольку существует бесконечное число возможных значений между пятью и шестью сантиметрами (например, 5,1, 5,101, 5,101001…), имеется бесконечное число возможных состояний движения, в которых может пребывать маятник: степень нашего незнания о его состоянии остается бесконечной.

Напротив, квантовая механика говорит нам, что между пятью и шестью сантиметрами существует лишь конечное число возможных значений амплитуды, а значит, отсутствующая у нас информация о маятнике конечна .

Это распространяется на все возможные случаи [78]. Поэтому первый смысл квантовой механики состоит в существовании ограничения на информацию , которая может содержаться внутри системы, – ограничения на число различных состояний, в которых система может находиться. Это ограничение бесконечности составляет первый аспект теории – зернистость природы, замеченную еще Демокритом. Постоянная Планка h служит мерой масштаба этой зернистости.

Мир – это последовательность зернистых квантовых событий. Они дискретны, зернисты и индивидуальны; это отдельные взаимодействия одной физической системы с другой. Электрон, квант поля или фотон не следуют по траекториям в пространстве, но появляются в определенном месте и в определенное время, чтобы столкнуться с другим объектом. Когда и где они появляются? Не существует способа узнать это наверняка. Квантовая механика кладет в основу мира фундаментальную неопределенность . Будущее принципиально непредсказуемо. Это второй фундаментальный урок квантовой механики.

Из-за этой неопределенности в мире, описываемом квантовой механикой, вещи постоянно подвержены случайным изменениям. Все переменные непрерывно флуктуируют , как если бы в мельчайших масштабах всё постоянно вибрировало. Мы не видим этих вездесущих флуктуаций лишь из-за малости их масштаба; в крупном масштабе, когда мы следим за макроскопическими телами, они ненаблюдаемы. Если смотреть на камень, он останется неподвижным. Но если бы мы могли видеть его атомы, то наблюдали бы, как они безостановочно вибрируют, постоянно смещаясь то туда, то сюда. Квантовая механика говорит нам, что чем глубже мы вглядываемся в детали мира, тем менее постоянными они оказываются. Мир не состоит из крошечных камешков. Это мир вибраций и непрерывных флуктуаций, кишащий быстротечными микрособытиями.

Античный атомизм предвидел и этот аспект современной физики – проявление на глубинном уровне законов вероятности. Демокрит (как и Ньютон) предполагает, что движение атомов строго детерминировано столкновениями. Но его последователь Эпикур исправляет этот детерминизм учителя и вводит в атомизм представление о неопределенности таким же способом, каким Гейзенберг ввел неопределенность в ньютоновский детерминизм. По Эпикуру, атомы могут иногда случайно отклоняться от своего курса. Лукреций поэтично описывает эти отклонения как происходящие « incerto tempore… incertisque loci » – в неопределенное время, в неопределенном месте [79]. Такая же случайность, такое же проявление вероятности на фундаментальном уровне представляют собой второе ключевое открытие, касающееся свойств нашего мира, которое выражает квантовая механика.