Как я только что дал понять, эта связь приводит к тому, что в квантовой космологии появляется легкий ретроградный элемент: обратная направленность во времени. Мы не следим за развитием Вселенной снизу вверх – по ходу времени, – так как мы больше не считаем, что у Вселенной есть объективная, не зависящая от наблюдателя история с определенной стартовой точкой и эволюцией. Совсем наоборот. В нашу триаду заложена контринтуитивная идея, что в некотором фундаментальном смысле – о нем я еще расскажу подробнее – история на самом глубоком уровне разворачивается в направлении, обратном ходу времени. Все происходит так, как будто постоянный поток квантовых актов наблюдения ретроактивно определяет исход Большого взрыва, от растущего количества измерений до появляющихся видов сил и частиц. Это ставит прошлое в зависимость от настоящего, ведет к дальнейшему устранению причинности – далеко за пределы даже того, что мог себе представить Бор.
Мы, конечно, давно знакомы с таким ретроградным мышлением: оно встречается и в других областях, где происходит эволюция, – от биологической эволюции до человеческой истории. В главе 1 я кратко остановился на том, как история на всех уровнях формируется случайными исходами бесчисленных событий ветвления. Эти «замороженные случайности» и вносят ретроспективную составляющую в изучение истории – ведь огромное количество информации, которое в их совокупности содержится, просто отсутствует в законах более низкого уровня. Извлечь эту информацию можно только ex post facto, ретроспективно, из экспериментов и наблюдений.
ВСЯ СОВОКУПНОСТЬ ФАКТОВ, КОТОРЫЕ ХАРАКТЕРИЗУЮТ ВСЕЛЕННУЮ ВОКРУГ НАС, ОТ СВОЙСТВ БИОСФЕРЫ ЗЕМЛИ ДО ЗАКОНОВ ФИЗИКИ НИЗКИХ ТЕМПЕРАТУР, СОСТАВЛЯЮТ ОДИН ГРАНДИОЗНЫЙ ВОПРОС, ЗАДАННЫЙ НАМИ КОСМОСУ.
В главе 1 я вспоминал, как дарвиновская теория эволюции гениально объединяет причинные объяснения с ретроспективной логикой в единую согласованную схему. Возьму на себя смелость заявить, что подобным же образом используя подход «сверху вниз» в космологии, – он воплощен во взаимосвязанной триаде на рис. 43, – мы нашли «золотую середину» между космологическими «почему» и «как». И как мы скоро увидим, наша триединая схема предсказаний обладает достаточной общностью и гибкостью, чтобы справиться с более глубокими вопросами, относящимися к «загадке замысла».
Но при этом ретроактивный характер квантовой космологии гораздо глубже ретроспективного подхода эволюции биологической. Биологи не станут говорить о множественных древах жизни, сосуществующих в призрачной суперпозиции друг с другом, пока не найдут ископаемых доказательств, подтверждающих их реальность. Пока этого не произошло, они предполагают, и вполне справедливо, что мы с самого начала были и остаемся частью данного древа жизни и что мы просто не знаем, какого именно, пока не сведем воедино все эти доказательства. Это различие происходит из того факта, что в биологической эволюции мы спокойно можем игнорировать квантовый уровень. В дарвиновской эволюции в любой точке ветвления различные возможные эволюционные пути тут же расходятся в разных направлениях, так как взаимодействующая среда, в которой развивается жизнь, немедленно размывает любую квантовую интерференцию. Другими словами, среда непрерывно, шаг за шагом преобразует суперпозицию древ жизни в отчетливо отделенные друг от друга древа эволюции, одно из которых – наше. В самом деле, для того чтобы генная мутация, вызванная квантовым событием, подверглась декогеренции, требуется лишь доля секунды. Следовательно, наше древо жизни эволюционировало независимо от других возможных древ задолго до того, как биологи принялись исследовать ископаемые окаменелости, пытаясь реконструировать историю древа, к которому они принадлежат. Сама физическая среда уже выполнила более фундаментальное квантовое наблюдение. Я не хочу, конечно, сказать, что то, что мы узнали о древе жизни, не имеет никакого значения – ведь, в отличие от среды, биологи способны интерпретировать свои находки и, возможно, даже использовать это знание, чтобы повлиять на будущие ветвления.
В отличие от биологии, квантовая космология задается вопросом о происхождении самой физической среды. Она спускается до самых основ, на уровень квантового наблюдения. И не только это – она стремится сделать это и в далекой области Большого взрыва, где предметом наблюдения становится то, как возникли сами законы физики. Переплетением призрачного мира суперпозиций здесь пренебрегать нельзя – оно приобретает критическое значение. Оно поднимает значение логики, направленной навстречу ходу времени, от простого ретроспективного элемента исследования истории Вселенной до ретроактивного компонента, который творит эту историю.
Именно на этом более глубоком уровне становятся критически важными нити, связывающие друг с другом три составные части нашей триады, которая уводит нас далеко за пределы ортодоксальной физики.
В конце 1970-х годов Джон Уилер предложил остроумный мысленный эксперимент, который во многом прояснил природу этого присущего квантовой Вселенной любопытного элемента обратной причинности. Эксперимент Уилера продемонстрировал, как в обычной квантовой механике частиц акт наблюдения может неуловимо повлиять на прошлое – и даже на отдаленное прошлое.
Уилер, наставник Фейнмана и Эверетта, работал с Бором над проблемой ядерного распада; затем во время Второй мировой войны он участвовал в Манхэттенском проекте. В 1950-х в Принстонском университете Уилер вдохнул новую жизнь в изучение общей теории относительности. Он начал с того места, на котором остановился Эйнштейн. В то время общая теория относительности сделалась глухой провинцией физической науки: она была подкреплена всего одним точным количественным наблюдением – измерением смещения перигелия Меркурия, и двумя качественными аргументами – расширением Вселенной и отклонением луча света в поле тяготения. В целом ее часто рассматривали просто как раздел математики, при этом даже не очень интересный. Но, как говорил Уилер, теория относительности слишком важна, чтобы доверять ее математикам. Поэтому он взялся за ее возрождение. Он прочел в Принстоне первый курс теории относительности. Слушатели этого курса получили самую фантастическую привилегию из всех, которой когда-либо удостаивались студенты-физики: выездное занятие в виде визита к Альберту Эйнштейну в его дом на Мерсер-стрит, с чаепитием и обсуждением физических проблем.
Как и Стивен, Уилер, по всей видимости, отличался безграничным научным оптимизмом. Его творческое воображение и способность сосредотачивать внимание на самых важных вопросах физики вдохновили целые направления исследований на десятилетия вперед. Когда в 2008 году в возрасте 97 лет он скончался, в его некрологе, помещенном в New York Times, было процитировано высказывание Фримена Дайсона: «Поэтически Уилера можно уподобить пророку – он, как Моисей, озирает с горной вершины Обетованную землю, которую его народ однажды унаследует».
Рис. 44. Джон Уилер читает лекцию о различиях между классической и квантовой механикой. Принстон, 1967 г.
В своем мысленном эксперименте, который должен был прояснить роль наблюдения и причинности в квантовой теории, Уилер для простоты рассматривал не вселенные, а частицы. Сегодня эта схема известна под названием эксперимента с отложенным выбором; она представляет собой вариант эксперимента с двойной щелью. Опыт с двойной щелью, облучаемой частицами света, впервые выполнил английский ученый-энциклопедист Томас Юнг в XVIII веке. В современной версии этого эксперимента свет падает на две параллельные щели, прорезанные в препятствии, и затем попадает на установленную позади них фотопластинку. На пластинке образуется интерференционная картина из светлых и темных полос, так как расстояния, которые световые волны преодолевают от каждой щели до данной точки экрана, вообще говоря, различны. Квантовая природа света начинает проявляться, когда мы резко уменьшаем интенсивность источника света, превращая поток волн в скудный ручеек фотонов, испускаемых поодиночке. Так же, как и в эксперименте с электронами, который я описал в главе 3, приход каждой индивидуальной частицы – фотона – проявляется как крошечное пятно на фотопластинке. Но если мы некоторое время будем проводить этот опыт в условиях столь низкой интенсивности, то совокупность точек столкновений фотонов с экраном начнет образовывать интерференционную картину. Квантовая механика объясняет это, описывая каждый индивидуальный фотон как распространяющуюся волновую функцию, которая на щелях разделяется на части, а за щелями распространяется дальше и переплетается сама с собой, создавая картину высоких и низких вероятностей того, где каждый фотон будет попадать на пластинку.
Но если экспериментатор решит «сжульничать», поставив вблизи каждой щели по детектору с целью отследить, какой из путей – или оба вместе – выберут фотоны, тогда интерференционная картина больше появляться не будет. Вместо нее фотонные пятна в совокупности образуют на пластинке две яркие параллельные полосы, два совершенно раздельных классических следа – напротив одной и другой щели. Это происходит потому, что приемники действуют, как и облачка частиц вблизи каждой щели на рис. 42, – они выполняют акт наблюдения, который заставляет волновые участки, выходящие из обеих щелей, разделяться. Спрашивая у фотонов, через какую из щелей они собираются проскользнуть, детекторы вынуждают волновые функции фотонов проявить корпускулярную природу света.
Уилер, однако, придумал остроумный вариант эксперимента Юнга, в котором детекторы размещены не вблизи щелей, а подальше – вблизи фотопластинки (см. рис. 45). По сути, он представил себе, что пластинка заменена на жалюзи и пара детекторов размещена позади них, причем каждый приемник направлен на одну из щелей. Если мы закроем жалюзи, эксперимент даст то же, что и прежде: волновые функции фрагментов фотона-волны переплетаются и образуют интерференционную картину. Но если мы откроем створки жалюзи, фотоны пройдут сквозь них и детекторы помогут нам определить, через какую щель они прошли. Таким образом, для каждого отдельного фотона экспериментатор сможет решить, в каком режиме проводить эксперимент – другими словами, какой вопрос задавать, и значит, выявлять ли корпускулярную или волновую природу частиц света.