Предсказание и понимание
Несмотря на все противоречия, сама по себе квантовая механика является не менее успешной, как и любая другая теория в истории физических идей. Как мы видели, причина этого в том, что для определённых типов экспериментов, которые можно поставить в лаборатории, а также для многих наблюдений астрофизических процессов, у нас есть «квантовый алгоритм», выдающий проверяемые предсказания. С помощью уравнения Шрёдингера вычислите эволюцию рассматриваемой волны вероятности и воспользуйтесь полученными результатами — различными высотами волны — для предсказания вероятности возникновения того или иного исхода. Что касается самих предсказаний, то почему этот алгоритм работает — схлопывается ли волна при измерении, реализуется ли каждая возможность в своей собственной вселенной, идёт ли при этом ещё какой-нибудь процесс — это совершенно вторично.
Некоторые физики утверждают, что даже называя этот вопрос вторичным, мы придаём ему больше веса, чем он заслуживает. По их мнению, роль физики состоит исключительно в том, чтобы делать предсказания, и если разные подходы не влияют на конечный ответ, то почему нас должно волновать, какой из них на самом деле правильный? Я приведу три причины.
Во-первых, кроме предсказаний физические теории должны быть математически непротиворечивы. Усилия Копенгагенской школы заслуживают только похвалы, но их метод не соответствует приведённому выше стандарту: в критический момент наблюдения метод прячется в кусты.{78} Такая брешь в подходе весьма существенна. Многомировой метод нацелен на преодоление этого недочёта.
Во-вторых, в некоторых ситуациях предсказания многомирового подхода дают отличный от предсказаний Копенгагенской школы результат. В копенгагенском подходе процесс схлопывания приведёт к пересмотру картинки на рис. 8.16а — будет один пик вместо двух. Так что если вы сможете заставить две волны, изображённые на этом рисунке, соответствующие макроскопически различным ситуациям, интерферировать, порождая узор, как на рис. 8.2в, это будет свидетельствовать о том, что копенгагенское схлопывание волны не произошло. Как обсуждалось ранее, по причине декогерентности достичь этого невероятно сложно, но, по крайней мере, теоретически копенгагенский и многомировой подходы приводят к различным предсказаниям.{79} Это важный и принципиальный момент. Копенгагенский и многомировой подходы часто считаются разными «интерпретациями» квантовой механики. Так говорить неправильно. Если два подхода могут привести к различным предсказаниям, то вы не можете называть их всего лишь интерпретациями. Конечно, вы можете. И многие так делают. Но эта терминология неверна.
В-третьих, физика — это не только способ делать предсказания. Если однажды мы найдём чёрный ящик, всегда аккуратно предсказывающий результаты наших экспериментов по физике частиц, а также астрономических наблюдений, то существование этого ящика не приведёт к окончанию исследований в этих областях. Есть разница между продуцированием и пониманием предсказаний. Прелесть физики, смысл её существования в том, что она предлагает понимание того, почему вещи во Вселенной ведут себя так, а не иначе. Способность предсказывать является существенной частью мощи физической науки, но сама её суть исчезнет, если она не приведёт нас к глубокому пониманию скрытой реальности, лежащей за нашими наблюдениями. И если многомировой подход верен, то насколько захватывающая реальность откроется благодаря нашему неистребимому стремлению к истолкованию предсказаний.
Я не жду, что на моём веку мы достигнем теоретического или экспериментального консенсуса относительно того, какой из вариантов реальности — одна вселенная, мультивселенная, или что-то совсем другое — реализуется в квантовой механике. Но я не сомневаюсь, что будущие поколения, оглянувшись назад, сочтут нашу работу в двадцатом и двадцать первом столетиях превосходным фундаментом для картины, которая, в конце концов, проявится.
Глава 9. Чёрные дыры и голограммыГолографическая мультивселенная
Платон говорил, что наши взгляды на мир сродни взглядам древних предков, наблюдающих за пляшущими тенями на скудно освещённых стенах пещеры. Он утверждал, что наши ощущения — это не более чем слабое отражение гораздо более богатой реальности, проблёскивающей за пределами досягаемости. Похоже, что два тысячелетия спустя пещера Платона может стать чем-то бо́льшим, чем просто метафорой. Переворачивая с ног на голову его рассуждения, может оказаться, что реальный мир — а не просто его тень — живёт на удалённой граничной поверхности, в то время как всё, что мы видим в трёх привычных пространственных измерениях, это проекция происходящего где-то там далеко. Можно сказать, что реальность похожа на голограмму. Или, на самом деле, на голографическое кино.
Являясь, возможно, наиболее странной реализацией идеи о параллельных мирах, голографический принцип предполагает, что всё, что мы ощущаем, может быть полностью эквивалентным образом описано в виде нечто, происходящего на тонкой и удалённой поверхности. Он утверждает, что если было бы возможно понять законы, управляющие физикой на этой удалённой поверхности, и то, как происходящие там явления связаны с нашим опытом здесь, мы смогли бы полностью разобраться в окружающей действительности. Версия мира теней Платона — параллельное, но совершенно непривычное воплощение повседневных явлений — станет реальностью.
Для анализа этой весьма своеобразной возможности требуются глубокие и обширные знания — из общей теории относительности, теории чёрных дыр, термодинамики, квантовой механики, а также самые современные исследования по теории струн. Нитью, объединяющей эти несхожие области, является природа информации в квантовой вселенной.
Джон Уилер помимо способности находить и взращивать очень талантливых молодых учёных (помимо Хью Эверетта, его студентами были Ричард Фейнман, Кип Торн и, как мы вскоре увидим, Якоб Бекенштейн) обладал необъяснимой способностью ставить вопросы, изучение которых может изменить наши фундаментальные представления об устройстве природы. Однажды во время ланча в Принстоне в 1998 году я спросил его, что по его мнению будет доминантной темой в физике в последующие десятилетия. Он наклонил голову, как уже не раз делал в тот день, будто его стареющий скелет устал поддерживать такой могучий интеллект. Однако, теперь пауза затянулась, что заставило меня сомневаться, хочет ли он отвечать на мой вопрос или вообще забыл о нём. Но затем он медленно поднял свой взгляд на меня и промолвил одно единственное слово: «Информация».
Я не удивился. В течение некоторого времени он придерживался совершенно отличной точки зрения на физические законы по сравнению с тем, чему молодых физиков обучают в стандартных университетских курсах. Традиционно физика рассматривает объекты — планеты, камни, атомы, частицы, поля — и изучает силы, влияющие на их поведение и управляющие их взаимодействиями. Уилер полагал, что объекты — вещество и излучение — следует рассматривать как вторичные, как носителей более абстрактной и более фундаментальной сущности: информации. Уилер не утверждал, что вещество и излучение являются в том или ином смысле эфемерными; он считал, что их следует рассматривать как материальные проявления чего-то более фундаментального. Он считал, что информация — то, где частица находится, каков её спин, положителен её заряд или отрицателен, и так далее — образует цельное ядро в сердце реальности. То, что такая информация реализуется в реальных частицах, занимающих реальные положения, имеющие определённые спины и заряды, чем-то похоже на то, как рисунок архитектора воплощается в построенном небоскрёбе. Фундаментальная информация отражена в рисунке. Небоскрёб — это всего лишь реализация заложенной в проекте архитектора информации.
С этой точки зрения нашу вселенную можно рассматривать как информационный процессор. Он берёт информацию, касающуюся устройства вещей сейчас, и порождает информацию, характеризующую устройство вещей в следующем сейчас, и в последующем сейчас. Наши чувства улавливают этот процесс, замечая изменения окружающей среды во времени. Но окружающая среда сама является производной; она возникает из фундаментального ингредиента, информации, и развивается согласно фундаментальным правилам, законом природы.
Я не знаю, будет ли такая информационно-теоретическая установка доминировать в физике, как считал Уилер. Однако недавно, во многом благодаря работам физиков Герарда т’Хоофта и Леонарда Сасскинда, в сознании учёных произошёл сдвиг, вызванный изучением нетривиальных вопросов, касающихся поведения информации в одном особенном экзотическом контексте: в чёрных дырах.
Чёрные дыры
В течение года после публикации общей теории относительности немецкий астроном Карл Шварцшильд нашёл первое точное решение уравнений Эйнштейна, которое определяет форму пространства и времени в окрестности массивного сферического объекта, подобного звезде или планете. Замечательно не только то, что Шварцшильд нашёл своё решение, занимаясь вычислением траекторий артиллерийских снарядов на русском фронте во время Первой мировой войны, но также то, что он обыграл самого мастера игры — к тому моменту Эйнштейн нашёл лишь приближённые решения уравнений общей теории относительности. Эйнштейн был очень впечатлён и огласил достижения Шварцшильда, представив его работу перед Прусской академией наук; но даже он не смог увидеть то, что станет самым важным звеном наследия Шварцшильда.
Решение Шварцшильда показывает, что обычные тела, такие как Солнце и Земля, не сильно искривляют пространство, порождая очень мягкое давление на пространственно-временной батут, который в их отсутствие оставался бы плоским. Это хорошо соответствовало приближённым решениям Эйнштейна, которые ему удалось найти ранее. Но Шварцшильд смог выйти за рамки приближений. Его точное решение обладало поразительным свойством: если достаточное количество массы сжать до объёма небольшого шара, то возникнет гравитационная пропасть. Пространственно-временная кривизна станет настолько экстремальной, что всё, что отважится оказаться слишком близко, будет захвачено в ловушку. Поскольку это «всё» включает свет, такие области потемнеют и станут чёрными, что явилось причиной исходного термина «чёрные звёзды». Экстремальное искривление заставит замереть на краю звезды даже время: отсюда возник другой термин — «замёрзшие звёзды». Спустя полвека Уилер, который столь же хорошо умел рекламировать вещи, как и заниматься физикой, сделал популярными такие звёзды как среди научной общественности, так и у любителей науки, дав им более запоминающееся имя: «чёрные дыры». Название прижилось.