Зкзикигаитве чааю

С

Вселенной,

Рис. 2. Некоторые данные для фридма!

«заполненной звездной

Эйнштейна для замкнутой Вселенной, то они позволяют пред­сказать ряд других интересных значений и среди них расчетное время порядка 60-10⁹ лет для интервала от большого взрыва до большой остановки (big stop). (Готт и др. [18] сомневают­ся, что Вселенная содержит достаточно вещества, чтобы искри­вить ее до замыкания.) Иногда говорят, что наиболее заме­чательным предсказанием теоретической физики является то, которое позволило предсказать (и предсказать в основном правильно), что должно было произойти, когда впервые в исто­рии человечества кусок звезды был спущен на Землю во время взрыва в пустыне Аламагордо в Нью-Мексико в 5 ч 30 мин

542

Дж Уилер

утра 16 июля 1945 г.¹). Однако как еще более впечатляющее свидетельство способности человека проникать в неизвестное можно рассматривать тот факт, что стандартная (1915 г.) гео­метрическая теория гравитации Эйнштейна предсказала, пред­сказала правильно и вопреки всем ожиданиям столь фантасти­ческое явление, как расширение Вселенной²).

Та же самая геометрическая теория гравитации предсказы­вает коллапс в черную дыру достаточно массивного образова­ния из холодной материи. Сегодня имеются впечатляющие кос­венные указания, что один из членов двойной звездной системы с периодом в 5,6 дня в созвездии Лебедя (рентгеновский источ­ник Cyg XI) является черной дырой с массой порядка десяти солнечных масс [17].

Эти достижения космологии и физики черных дыр придают новую силу некоторым наиболее замечательным следствиям стандартной теории Эйнштейна:

1. Вселенная не может быть статической.

2. Объем замкнутой Вселенной не является постоянным.

3. Полная энергия и полный угловой момент для замкнутой Вселенной не MoiyT быть определены — они являются бессмыс­ ленными понятиями. Для такой системы никакой глобальный закон сохранения энергии и углового момента не имеет смысла или значения.

4. Барионное число и лептонное число являются хорошо определенными величинами для обычной звезды; но когда эта звезда коллапсирует в черную дыру, хорошо установленные за­ коны сохранения этих чисел теряют всяк\ю применимость.

Трудно объединить все эти выводы в более кратком утверж-» дении, чем следующее: природа ничего не сохраняет, в физике нет константы, которая не теряла бы своего смысла, или, од­ним словом, изменчивость есть закон природы.

На рис. 3 символически представлена изменчивость в виде лестницы существующих и утрачивающих силу законов. Тот день, когда Архимед выскочил из ванны с криком «Эврика!», может символизировать первые точные измерения одной из ха­рактеристик вещества — плотности. Позднее мы научились под­вергать вещество столь высокому давлению, что можно было вызвать заметное изменение плотности В результате этого плотность перестала быть тем, что можно было бы рассматри­вать как «сохраняющуюся величину». На более поздней стадии большое значение приобрело понятие валентности, используе-

' ) Имеется в виду испытание первой атомной бомбы, осуществленное в США — Прим. перев

²) Эти слова, разумеется, следует отнести к результату советского уче­ного А А Фридмана, который в 1922 г. предсказал расширение Вселенной на основе теории Эйнштейна — Прим перев.

// Квант и Вселенная

543

Все законы физики, выраженные в терминах пространства.

и времени.

Законы сохранения энергии, заряда, и углового момента

Законы сохранения 1>а.рионного_ и лептонного чисел

Порядковый, номер и массовое число для ядра

Остановлено пояятиг плотности („Эврака

коллапсе иаржши смысл любой заят физики

•Захтаг авсраяениж эяергии, заряда и угяяовг машеята ^ хошсжтифвг лшяяупвй всалеижи

Химическая

валентность

Л ивии coxpanxrzzjc Зля аяеиттюрнчх частиц ягеряоа гчыгп в fax: ■ черных дкр

Понятие вал&гтности теряет при высохой температуре

Применение достаточно высокого давления изменяет плотность

Ядерные превращения

Рис 3 Изменчивость¹ лестница существующих ■ утраивающих саду законов.

мое для предсказания хода химических реакций. Однако в дальнейшем научились достигать столь высоких температур, при которых термин «химическая валентность» в обычном смысле этого слова теряет применимость.

Большой шаг вперед был сделан после того, как атомному ядру научились приписывать порядковый номер и массовое число. Однако от той точки зрения, что эти числа вечно остают­ся неизменными, пришлось отказаться, когда ядерные реакции показали, что можно изменять порядковый номер ядра и его массовое число. По мере того как скальаель фязмп двигался от ядра к миру элементарных частиц, представляюсь, что нет более простого и надежного руководящего правда, чем закон сохранения барионного числа и соответствующий закон сохра­нения лептонною числа. Однако когда мы обращаемся к чер­ной дыре, то попадаем в область, где эти законы сохранения физики элементарных частиц, насколько мы можем сегодня су­дить, не нарушаются, но теряют силу (мы выходим за рамки их применимости). Никто не в состоянии даже в принципе предложить метод, с помощью которого можно различить три черные дыры с одинаковыми массами, зарядами и угловыми моментами, из которых одна образуется путем захвата веще­ства, вторая — антивещества, а третья — чистого излучения. Никакой сигнал не может выйти за горизонт черной дыры и от­ветить на вопрос, что вошло в нее При этом ьестественно, что «давка» в центре черной дыры в принципе неотличима

544

Дж. Уилер

( и является частью) от конечного гравитационного коллапса, предсказываемого для самой Вселенной в момент большой остановки. Что касается современного положения дел, то в на­стоящее время не видно какой-либо возможности для разум­ного применения законов сохранения для частиц в царстве фи­зики черных дыр.

Остаются ли в силе по крайней мере законы сохранения заряда, массы и углового момента? Нет, даже эти законы те­ряют смысл, когда мы переходим от локальных систем ко всей замкнутой Вселенной. Это можно объяснить двумя простыми способами. Во-первых, всякий метод определения массы-энер­гии системы в конечном счете эквивалентен помещению пла-> неты на орбиту вокруг системы и применению закона Кеплера

(масса-энергия) = (угловая частота)²(большая полуось)³.

Однако в случае замкнутой Вселенной понятия «вне» не суще­ствует, т. е. нет способа поместить планету на орбиту вокруг нее. Второй путь рассмотрения того же вопроса состоит в соот­ветствующем использовании теоремы Гаусса, чтобы связать объемный интеграл массы-энергии в некоторой области с по­верхностным интегралом от потока через границу этой области. Чтобы получить все более и более полную информацию, этот объемный интеграл распространяют на все большую и большую часть Вселенной. В этом математическом процессе граничная поверхность в конце концов достигнет «главной кривой Вселен­ной» и стянется в нуль в диаметрально противоположной обла-i сти. В математической записи закон сохранения энергии, если-применять его к замкнутой Вселенной, сводится к вакуумному тождеству 0 = 0. То, что было сказано относительно массы-энергии, в равной мере применимо к заряду и угловому мо­менту. Эти три знаменитых закона сохранения не нарушаются, когда мы переходим от обычных ситуаций к физике замкнутой Вселенной: они теряют силу—еще один шаг по лестнице, изо­браженной на рис. 3. Наконец, мы пришли к последней ступеньке. Не было законов физики, которые не требовали бы для своего выражения привлечения понятий пространства и времени. При гравитационном коллапсе Вселенной теряется основа всего, что называют законом физики.

Если законы сохранения чисел частиц теряют смысл в фи* зике черных дыр, если все динамические законы теряют смысл при коллапсе Вселенной, если законы и постоянные физики, вначале фиксированные как начальные данные на ранней фазе большого взрыва, стираются на конечной стадии гравитацион* ного коллапса, то тогда само понятие размерности едва ли мо~ жет быть ограждено от этой универсальной изменчивости.

//. Квант и Вселенная

545

Обзор одного за другим фиксированных положений физики не оставил ни одного из них ни неоспоримым, ни «постоянным», ни принципиальным. Трудно найти какой-либо другой способ резюмировать создавшуюся ситуацию, чем следующий: не су­ ществует никакого закона, кроме того закона, что нет никаких законов. Или, короче: безграничная ИЗМЕНЧИВОСТЬ являет- i ся главным свойством физики [38]. ~

Современный анализ дает лишь слабую надежду думать о Вселенной как образованной из «некоторого простейшего ~> поля» или «построенной на основе некоторой простейшей гео- '* метрии». Мы приходим к мысли, что Вселенная удивительно эфемерна. Трудно представить себе какой-нибудь взгляд на природу, более отличный от старой мечты Лапласа о машине, которая движется своим детерминированным путем в течение бесконечного времени. Трудно поверить, что какая-либо точка зрения может быть близка к истине, если она не концентри­руется на всех антилапласовских свойствах природы, резюми­рованных в квантовом принципе. Если утверждают, что глав­ным свойством природы является хаос, пусть будет так. Тогда мы не имеем другого выбора, кроме как принять хаос за основу всего.

Для физики не ново встретиться с хаосом и подчинить его правилам разума. Никаким другим путем нельзя было прийти к пониманию температуры и тепла как аспектов молекулярной физики для большого числа частиц.

Квант

Нужно ли спрашивать, имеет ли квантовый принцип какое-либо отношение к строению мира? В настоящее время мы при­выкли к использованию метода Гамялыош два атомов, частиц и полей и настолько хорошо знакомы с нртеиешкм стандарт-

ных методов квантовой механики, извлекающее следствия из •соответствующих гамильтонианов, что легко можво подумать,

-будто мир физических законов и гамильтонианов «уже здесь», а квантовая механика служит только «смазкой» для этого уже существующего механизма. Однако для более внимательного рассмотрения ситуации удобно перенести внимание с квантово-механического формализма на нечто более глубокое — на кван­товый принцип. Он говорит о том, что может быть измерено, а что нет. Это рассказ о дополнительности и индетерминизме. Это наиболее странная особенность этой странной Вселенной. Мы знаем, как резюмировать всякую другую великую идею физики несколькими простыми словами, но только не идею кванта. Для многих даже сегодня идея кванта представляется •странной и нежелательной и кажется привносимой извне

546

Дж. Уилер

п ротив нашей воли. Напротив, если кто-либо действительно по­нял ее сущность и необходимость для построения мира, он дол­жен быть в состоянии сформулировать ее в виде одного ясного и простого предложения. Пока мы не увидим квантовый прин­цип во всей его простоте, мы может считать, что не знаем са­мого главного о Вселенной, о нас самих и о нашем месте во Вселенной.

Очень хорошо говорить о построении термодинамики из хаоса молекулярных столкновений. Но кто имеет хотя бы ма­лейшее представление о том, как Вселенная должна быть по­строена из хаоса отдельных квантово-механических наблюдений? Стоит только задать этот вопрос, чтобы понять, как невероятно далеки мы от выхода из этой ситуации. Можно, конечно, ска­зать: «Не пора ли прекратить попытки продвинуться вперед по такой трудной местности? Пойдем домой и сделаем что-ни­будь другое». Напротив, более разумной должна казаться пря­мо противоположная оценка ситуации. Никогда мы не имели более серьезных оснований сомневаться в совершенстве некото­рого основного поля, основной геометрии или основной матема­тики, которые претендовали бы «объяснить все». Никогда мы не имели более серьезного повода обратиться к более внима­тельному рассмотрению величайшего из всех ключей к стран­ности этой Вселенной — квантового принципа.

Что касается квантового принципа, нет ничего более стран­ного, чем место, которое он предоставляет наблюдателю для участия в создании реальности. Левая часть рас. 4 символизи­рует старый взгляд на реальность как нечто, надежно изолиро­ванное от наблюдателя стеклянной стеной толщиной 1 м. Пра­вая часть рисунка является напоминанием, что даже для на­блюдения такого микроскопического объекта, как электрон, в действительности требуется разбить это стекло, выйти за его пределы и измерить некоторую характеристику движения электрона. Невозможно установить в одном и том же месте и в одно и то же время аппаратуру, которая измеряла бы поло­жение электрона, и аппаратуру, которая измеряла бы его им­пульс. Необходимо сделать выбор. Более того, сам акт измере­ния вызывает непредсказуемые последствия для будущего по­ведения электрона. Тот, кто думает о себе просто как о наблю­дателе, оказывается участником. В некотором странном смысле это является участием в создании Вселенной. В этом состоит центральный вывод для проблемы «квант и Вселенная», хотя мы сегодня далеки от того, чтобы видеть, как разобраться в ней. «Этот квантовый вопрос так невероятно важен и тру­ден,— писал Эйнштейн Лаубу в 1908 г.,— что каждый должен им заниматься». Рассмотрим более внимательно этот аспект участия, начав с небольшой истории.

//. Квант и Вселенная

547

Рис 4. Квантовая механика простого «наблюдателя реальности» превращает в «участника в создании реальности». Она опровергает точку зрения, что Все­ленная находится «вне».

Все мы помним игру в 20 вопросов. Один из компании иг­рающих покидает комнату, а остальные сообща задумывают некоторое слозо. Потом ушедшей возвращается в начинает за­давать вопросы. «Является ли это одушевленным предметом?»— «Нет.» — «Принадлежит ли он к минералам?» — «Да.» Вопро­сы задаются до тех пор, пока слово не отгадмвается. Если вы смогли отгадать слово за 20 или менее вошлок, вы побед ел и. В противном случае — проиграли.

Я вспоминаю вечер, когда вышел из комнаты, а возвратив­шись, заметил улыбки у всех на липах, что оэаачало шутку или заговор. Я простодушно начал задавать вопросы. Но с каж­дым вопросом все больше времени уходило на ответ; это было странно, поскольку сам ответ мог быть лишь просто «да» или «нет». Наконец, чувствуя, что я напал на след. я спросил: «Это слово — облако?> Ответ был «да», и все разразились смехом. Потом мне объяснили, что когда я вышел, все решили вообще не задумывать какого-либо слова. Каждый мог отвечать «да»

_I

548

Дж. Уилер

и ли «нет», как ему нравилось, независимо от того, какой вопрос я ему задавал. Однако когда он отвечал, то должен был заду­мать слово, соответствующее как его собственному ответу, так и всем ответам, которые были даны ранее. Не удивительно, что ответ требовал времени!

Естественно сравнить эту игру в ее двух вариантах с физи­кой в двух формулировках — классической и квантовой. Во-первых, я думал, что слово уже существует «вне», подобно тому, как в физике одно время считали, что положение и им­пульс электрона существуют «вне» независимо от любого спо­соба наблюдения. Во-вторых, информация о слове появлялась-шаг за шагом посредством вопросов, которые я задавал, по­добно тому как информация об электроне получается шаг за шагом с помощью экспериментов, которые выбирает и прово­дит наблюдатель. В-третьих, если бы я решил задать другие вопросы, я получил бы другое слово, подобно тому как экспе­риментатор должен получить другие сведения о поведении электрона, если он провел другие эксперименты или те же эксперименты в другой последовательности. В-четвертых, какие бы усилия я ни прилагал, я мог лишь частично повлиять на результат. Главная часть решения находилась в руках других участников. Аналогично экспериментатор оказывает некоторое существенное воздействие на то, что случится с электроном, посредством выбора проводимых экспериментов; но он хорошо сознает, что существует значительная непредсказуемость отно­сительно того, что обнаружит любое :'з его измерении. В-пятых,. имеется «правило игры», которое требует от каждого участ­ника, чтобы его выбор «да» или «нет» был совместим с неко­торым словом. Аналогично существует согласованность наблю­дений, проводимых в физике. Каждый экспериментатор может сказать другому ясным языком, что он обнаружил, и тот можег проверить это наблюдение. Хотя это сравнение между миром физики и игрой интересно, существует важное различие. Игра имеет ограниченное число участников и оканчивается после конечного числа шагов. В отличие от этого проведение экспе­риментов есть непрерывный процесс. Более того, чрезвычайна трудно установить четко и ясно, где начинается и где кончается общность наблюдателя и участника. Однако нет необходимости понимать решительно все, относящееся к квантовому принципу, для того чтобы понимать что-либо в нем. Среди всех выводов, которые возникают при сравнении мира квантовых наблюдений-с игрой в 20 вопросов, нет более важного, чем следующий: ни­какое элементарное явление нельзя считать явлением, пока оно не наблюдалось, подобно тому как в игре никакое слово не является словом, пока это слово не будет реализовано пу­тем выбора задаваемых вопросов и ответов на них.