Добавил:
ivanov666
Опубликованный материал нарушает ваши авторские права? Сообщите нам.
Вуз:
Предмет:
Файл:Физика невозможного
.pdf
ПАРАЛЛЕЛЬНЫЕ ВСЕЛЕННЫЕ
на такую интерпретацию своей теории; он говорил: «Если действительно придется всерьез относиться к этим чертовым квантовым переходам, то я пожалею, что вообще принимал участие
в этом деле».
Парадокс кошки Шрёдингера заключается в следующем:
поместим кошку в запечатанный ящик. Пусть в ящике имеется заряженное ружье, нацеленное на кошку (причем спусковой
крючок ружья связан со счетчиком Гейгера , рядом с которым
находится кусок урана). В обычных обстоятельствах, если атом
урана распадется, счетчик Гейгера сработает, ружье выстрелит,
и кошка будет убита. Атом урана либо распадется, либо нет.
Кошка либо будет жить, либо умрет. Это соответствует здравому смыслу.
Но в квантовой теории мы не можем знать наверняка, распался атом урана или нет. Поэтому мы должны сложить эти две
возможности, т. е. сложить волновую функцию распавшегося
атома с волновой функцией целого атома. Но это означает, что
для описания кошки нам придется сложить два ее состояния.
Так что кошка у нас окажется ни живой, ни мертвой. Она будет
представлена как сумма живой кошки и мертвой кошки !
Фейнман однажды написал, что квантово-механическое
описание природы «абсурдно с точки зрения здравого смысла,
и при этом оно полностью согласуется с экспериментом — так
что, я надеюсь, вы сможете принять эту природу в ее абсурдном
образе».
Эйнштейну и Шрёдингеру такой взгляд представлялся нелепым. Эйнштейн верил в «объективную реальность», здравый
смысл, ньютоновский взгляд на мир , где объекты существовали в одном определенном состоянии, а не как сумма множества
возможных состояний. Тем не менее в основе современной
цивилизации лежит именно такая необычная интерпретация.
Без нее не смогла бы существовать современная электроника
(да и атомы нашего тела тоже). (В обычном мире мы иногда шутим, что невозможно быть «немножко беременной». Но в кван-
331
ФИЗИКА НЕВОЗМОЖНОГО
товом мире дело обстоит еще хуже. Женщина в нем существовала бы как сумма одновременно всех возможных состояний ее
тела: она была бы одновременно небеременной, беременной,
девочкой, старухой, девушкой, деловой женщиной и т. п.)
Существует несколько способов разрешить этот неприятный парадокс. Основатели квантовой теории верили в так называемую копенгагенскую интерпретацию и считали, что, как
только вы откроете ящик, вы сможете провести измерения и
определить, жива кошка или мертва . После этого — все. Волновая функция «зафиксировалась» в одном из состояний; после этого здравый смысл берет верх. Волны исчезают, остаются одни частицы. Это означает, что кошка наконец приходит в
определенное состояние (или живое, или мертвое), и ее уже не
нельзя описывать волновыми функциями.
Таким образом, существует невидимый барьер, разделяющий причудливый мир атомов и макроскопический мир людей.
В атомном мире все описывается через волны вероятностей, и
атомы могут находиться в нескольких местах одновременно. Чем
больше волновая функция частицы в данной точке, тем больше
вероятность обнаружить частицу именно здесь. Но в мире больших объектов волновые функции уже зафиксированы, и объекты существуют в определенном состоянии. В макромире царит
здравый смысл.
(Когда к Эйнштейну приходили гости, он показывал на
Луну и спрашивал: «Неужели Луна существует потому, что на
нее смотрит мышь?» В каком-то смысле копенгагенская школа
давала на этот вопрос положительный ответ.)
В большинстве серьезных учебников по физике с религиозной точностью излагается точка зрения копенгагенской школы , но многие физики-исследователи от нее уже отказались.
Теперь у нас есть нанотехнологии , мы можем оперировать
отдельными атомами — и получается, что атомами, которые
то возникают, то исчезают, тоже можно произвольно манипулировать, хотя бы при помощи туннельного сканирующего
332
ПАРАЛЛЕЛЬНЫЕ ВСЕЛЕННЫЕ
микро скопа. Таким образом, невидимой «стены», разделяющей
микромир и макромир, не существует. Мир един.
В настоящее время у физиков нет единого мнения о том,
как разрешить эту проблему, лежащую в самом сердце современной физики. На конференциях происходят жаркие споры,
сталкиваются многочисленные теории. Кое-кто полагает, что
должно существовать некое «космическое сознание », пронизывающее Вселенную . Объекты возникают, начинают существовать, когда производятся измерения, а измерения производят
существа, обладающие сознанием. Следовательно, должно существовать единое космическое сознание, которое пронизывает всю Вселенную и определяет, в каком состоянии мы находимся. Некоторые подобно нобелевскому лауреату Юджину
Вигнеру утверждают, что это доказывает существование Бога
или, по крайней мере, некоего космического сознания. (Вигнер
писал: «Невозможно было сформулировать законы [квантовой
теории ] совершенно последовательно без ссылки на сознание».
Он даже проявил интерес к ведической философии индуизма ,
согласно которой нашу Вселенную пронизывает единое всеобъемлющее сознание.)
Еще один взгляд на парадокс кошки — идея «множественности миров» , предложенная Хью Эвереттом в 1957 г. Эта теория утверждает, что Вселенная просто расщепляется надвое,
причем в одной половине кошка остается живой, в другой —
мертвой. Это означает, что каждый раз, когда происходит квантовое событие, параллельные вселенные размножаются или
ветвятся . Существует любая вселенная, какая только может
существовать. Чем причудливее вселенная, тем она менее вероятна, но все же такие вселенные существуют. Это означает, что
существует параллельный мир, где нацисты выиграли Вторую
мировую войну , и мир, где Великая испанская армада не была
разбита и все теперь говорят по-испански. Другими словами,
волновые функции никогда не схлопываются и не фиксируются в каком-то определенном состоянии. Они продолжают жить
333
ФИЗИКА НЕВОЗМОЖНОГО
своей жизнью, а Вселенная жизнерадостно ветвится и расщепляется на бесконечное число параллельных вселенных .
Физик Алан Гут из Массачусетского технологического института говорит: «Существует вселенная, где Элвис до сих пор
жив, а Альберт Гор стал президентом». Нобелевский лауреат
Фрэнк Вильчек говорит: «Нас мучает сознание того, что бесчисленное количество наших почти точных копий живет своей
параллельной жизнью и что каждое мгновение возникает еще
больше наших дублей, чтобы разделить с нами множество вариантов нашего будущего ».
В настоящее время среди физиков набирает популярность концепция так называемой декогерентности. Эта теория
утверждает, что все параллельные вселенные возможны, но
наша волновая функция потеряла когерентность с ними (т. е.
уже не колеблется в унисон с другими вселенными ) и потому
не может с ними взаимодействовать. Это означает, что вы в
собственной гостиной сосуществуете с волновыми функциями
динозавров, инопланетных пришельцев, пиратов, единорогов
и каждый из обитателей свято верит в то, что именно его вселенная является «настоящей»; но все эти сосуществующие вселенные больше не «настроены в тон» друг с другом.
Нобелевский лауреат Стивен Вайнберг сравнивает такую
ситуацию с настройкой радиоприемника. Вы прекрасно знаете, что ваша гостиная буквально затоплена сигналами десятков
радиостанций со всех концов страны и мира. Но ваше радио
настраивается только на одну частоту и, соответственно, только на одну станцию. При этом она «теряет когерентность» с
остальными передающими станциями. (Суммируя, Вайнберг
замечает, что концепция множественности миров — «убогая
идея, но все остальные еще хуже».)
Подведем итог. Существует ли зловещая Федерация планет, которая грабит более слабые планеты и убивает без разбору своих врагов? Возможно, существует, но, если это так, мы
потеряли когерентность с этой вселенной.
334
ПАРАЛЛЕЛЬНЫЕ ВСЕЛЕННЫЕ
Квантовые вселенные
Хью Эверетт , конечно, пытался обсуждать свою теорию «множественности миров» с другими физиками , но получал в ответ
только удивление или безразличие. Один из физиков, Брайс
Девитт из Техасского университета, даже выступил против теории Эверетта, сказав: «Я просто не в состоянии почувствовать
себя расщепленным». Но Эверетту такая реакция напомнила
реакцию критиков Галилея, говоривших, что они не ощущают движения Земли. (Со временем Девитт перешел на сторону
Эверетта и стал одним из ведущих сторонников этой теории.)
В течение нескольких десятилетий теория множественности миров прозябала в безвестности. Она просто казалась слишком фантастичной, чтобы быть верной. Джон Уилер , принстонский консультант Эверетта , в конце концов пришел к выводу,
что эта концепция тянет за собой слишком много «лишнего багажа». Но в какой-то момент теория Эверетта неожиданно вошла в моду и сейчас она пользуется в мире физики серьезным
интересом. Дело в том, что физики в настоящий момент пытаются применить квантовую теорию к последней области, которая до сих пор оставалась «неквантованной»: к самой Вселенной . А попытка применить принцип неопределенности ко всей
Вселенной в целом естественным образом вызывает к жизни
понятие Мультивселенной.
Понятие «квантовой космологии» на первый взгляд представляется терминологически противоречивым: ведь квантовая теория имеет дело с крохотным миром атомов, а в космологии идет речь о Вселенной в целом. Но подумайте вот о чем:
в момент Большого взрыва Вселенная была гораздо меньше
электрона. Любой физик согласится, что электрон следует рассматривать с точки зрения квантовой теории; это означает, что
электрон описывается вероятностным волновым уравнением
(уравнением Дирака ) и может существовать в нескольких параллельных состояниях. Но если электрон следует квантовать,
335
ФИЗИКА НЕВОЗМОЖНОГО
а Вселенная была когда-то меньше электрона, значит, Вселенная тоже должна квантоваться и существовать в параллельных
состояниях. Значит, эта теория естественным образом ведет
к представлению о множественности миров.
Однако копенгагенская интерпретация Нильса Бора в приложении к целой Вселенной сталкивается с серьезными трудностями. Вообще, копенгагенская интерпретация, хотя ее и
изучают в каждом курсе квантовой механики для аспирантов,
нуждается в «наблюдателе», наблюдения которого, собственно,
и вызывают схлопывание волновой функции. Получается, что
для фиксации макромира в определенном состоянии процесс
наблюдения совершенно необходим. Но как можно находиться
«вне» Вселенной и наблюдать за Вселенной со стороны? Если
Вселенную описывает некая волновая функция, то как может
«внешний» наблюдатель определить конкретное состояние
Вселенной и заставить эту функцию схлопнуться? Более того,
некоторые ученые считают невозможность пронаблюдать Вселенную «извне» критическим, даже фатальным недостатком
копенгагенской интерпретации.
В концепции «множественных миров» эта проблема решается очень просто: Вселенная просто существует одновременно
во множестве параллельных состояний, которые определяются
главной волновой функцией, известной под названием волновая
функция Вселенной. Согласно квантовой космологии, Вселенная
возникла как квантовая флуктуация вакуума, т. е. как крошечный пузырек пространственно-временной пены. Большинство
новорожденных вселенных пространственно-временной пены
переживает большой взрыв, а затем сразу — большое сжатие.
Это означает, что даже в «пустоте» кипит непрекращающаяся
активность, возникают и тут же пропадают крошечные вселенные, но масштаб этих событий слишком мал для наших грубых
приборов. Однажды по какой-то причине один из пузырьков
пространственно-временной пены не схлопнулся обратно и не
исчез в собственном Большом сжатии , а продолжал расширяться.
336
ПАРАЛЛЕЛЬНЫЕ ВСЕЛЕННЫЕ
Это и была наша Вселенная. Если послушать Алана Гута , то получится, что вся наша Вселенная — одна большая халява.
В квантовой космологии физики берут для начала аналог уравнения Шрёдингера , описывающего волновые функции электронов и атомов. Они используют также уравнение
Девитта–Уилера , действующего на «волновой функции Вселенной ». Обычно волновая функция Шрёдингера определена
в каждой точке пространства и времени , поэтому мы можем
вычислить вероятность обнаружения электрона в любой заданной точке пространства и времени. Но «волновая функция
Вселенной» определена на множестве всех возможных вселенных. Если окажется, что эта волновая функция для конкретной
вселенной велика, это будет означать, что данная Вселенная
с большой вероятностью находится именно в этом состоянии.
Хокинг поддерживает именно эту точку зрения . Он утверждает, что наша Вселенная особая, она уникальна и отличается от
всех прочих вселенных. Если волновая функция нашей Вселенной
велика, то для большинства остальных она почти равна нулю. Получается, что существует ненулевая, но очень небольшая вероятность того, что в Мультивселенной могут существовать и другие
вселенные, кроме нашей, но наша Вселенная существует с максимальной вероятностью. Вообще, Хокинг пытается таким образом
логически обосновать явление инфляции. В этой картине мира
вселенная, в которой начинается процесс инфляции, просто более
вероятна, чем вселенная, где ничего подобного не происходит,
поэтому в нашей Вселенной такой процесс имел место.
Теория о происхождении нашей Вселенной из «пустоты»
пространственно-временной пены на первый взгляд представляется совершенно непроверяемой; тем не менее она согласуется с несколькими простыми наблюдениями. Во-первых, многие физики указывали на тот поразительный факт, что сумма
положительного и отрицательного электрического заряда в нашей Вселенной равняется нулю — по крайней мере в пределах
экспериментальной погрешности. Нам кажется естественным,
337
ФИЗИКА НЕВОЗМОЖНОГО
что доминирующей силой в космосе является гравитация , но
ведь происходит это лишь потому, что отрицательные и положительные заряды в точности компенсируют друг друга. Если
бы на Земле существовал хотя бы малейший дисбаланс между
положительными и отрицательными зарядами, электрические
силы, вполне возможно, преодолели бы силы гравитационного притяжения, связывающие Землю воедино, и просто разорвали бы нашу планету. Точное равновесие между суммарным
положительным и отрицательным зарядами можно легко объяснить, в частности, тем, что Вселенная возникла из «ничего»,
а «ничто» обладает нулевым электрическим зарядом.
Во-вторых, наша Вселенная обладает нулевым спином .
Курт Гёдель много лет пытался доказать, что наша Вселенная
вращается, путем анализа и суммирования спинов различных
галактик, но на сегодняшний день астрономы убеждены: суммарный спин нашей Вселенной равен нулю. Опять же этот факт
можно легко объяснить тем, что Вселенная возникла из «ничего», а «ничто» обладает нулевым спином.
В-третьих, возникновение Вселенной из ничего помогло
бы объяснить, почему суммарное содержание в ней веществаэнергии так мало, а возможно, вообще равно нулю. Если сложить
положительную энергию вещества и отрицательную энергию ,
связанную с гравитацией , то, судя по всему, они в точности скомпенсируют друг друга. Согласно общей теории относительности ,
если Вселенная замкнута и конечна, то суммарное количество
вещества-энергии в ней должно равняться в точности нулю. (Если
Вселенная незамкнута и бесконечна, это не обязательно верно, но
инфляционная теория указывает все же, что суммарное количество вещества-энергии в нашей Вселенной чрезвычайно мало.)
Контакт между вселенными
Все это оставляет открытым один интересный вопрос. Если
физики не могут исключить возможность существования не-
338
ПАРАЛЛЕЛЬНЫЕ ВСЕЛЕННЫЕ
скольких типов параллельных вселенных , то можно ли вступить
с ними в контакт ? Посетить их? Или, может быть, существа из
других вселенных уже бывали в нашем мире?
Контакт с другими квантовыми вселенными, которые потеряли синхронность с нашей, представляется весьма маловероятным. Причина того, что наша Вселенная потеряла синхронность с другими вселенными, заключается в том, что наши
атомы постоянно сталкивались с другими атомами окружающего мира. Каждый раз при столкновении волновая функция
атома слегка «сжимается»; а значит, число параллельных вселенных уменьшается. Каждое столкновение уменьшает число
возможных вариантов . Триллионы подобных атомных «миниколлапсов» создают в результате иллюзию того, что все атомы
нашего тела полностью схлопнулись и застыли в определенном
состоянии. «Объективная реальность» Эйнштейна — всего
лишь иллюзия, возникающая благодаря тому, что громадное
число атомов в нашем теле постоянно сталкивается друг с другом; и при каждом таком столкновении уменьшается количество возможных вселенных.
Эту ситуацию можно сравнить с расфокусированным изображением в объективе фотокамеры. Точно так же и в микромире все выглядит переменчивым и неопределенным. Но стоит
вам чуть подправить фокусировку камеры, и на изображении
появляются новые детали; с каждой поправкой картинка в
целом становится все резче и резче. Так и триллионы крохотных столкновений атомов с соседними атомами раз за разом
уменьшают число возможных вселенных . Таким образом, мы
плавно переходим от переменчивого микромира к стабильному макромиру.
Поэтому вероятность взаимодействия с другой, подобной
нашей, квантовой вселенной если и не равняется нулю, то стремительно падает вместе с ростом числа атомов в вашем теле.
Но атомов в каждом из нас триллионы и триллионы, поэтому
шанс наладить связь с другой вселенной, населенной динозав-
339
ФИЗИКА НЕВОЗМОЖНОГО
рами или инопланетянами, бесконечно мал. Можно посчитать,
что ждать подобного события придется много дольше, чем будет существовать Вселенная .
Итак, мы не можем полностью исключить контакт с параллельными квантовыми вселенными, но очевидно , что событие это будет чрезвычайно редким — ведь наша Вселенная
утратила когерентность с ними. Но в космологии мы встречаем
и другой тип параллельной вселенной: это Мультивселенная,
которая состоит из вселенных, сосуществующих одна с другой
подобно мыльным пузырям в пенной ванне. Контакт с иной
вселенной внутри Мультивселенной — совсем другая история.
Это, безусловно, трудная проблема, но не исключено, что цивилизация III типа сумеет решить ее.
Как мы уже обсуждали, для того чтобы открыть дыру в пространстве или увеличить пространственно-временную пену,
необходима энергия , сравнимая по порядку величины с планковской энергией , при которой рушатся вообще все известные
физические законы. Пространство и время при этой энергии
нестабильны, что открывает возможность покинуть нашу Вселенную (предполагая, разумеется, что иные вселенные существуют и мы не погибнем в процессе перехода).
Вопрос этот, вообще говоря, нельзя назвать чисто академическим, потому что когда-нибудь перед разумной жизнью
во Вселенной обязательно встанет проблема гибели Вселенной.
В конце концов теория Мультивселенной может оказаться спасительной для всей разумной жизни нашей Вселенной. Недавно
полученные со спутника WMAP данные подтверждают тот факт,
что Вселенная расширяется с ускорением, и не исключено, что
когда-нибудь всем нам будет грозить гибель в виде так называемого Большого мороза . Со временем вся Вселенная почернеет;
все звезды в небесах погаснут и во Вселенной останутся только
мертвые звезды, нейтронные звезды и черные дыры . Даже атомы наших тел, возможно, начнут распадаться. Температура упадет почти до абсолютного нуля, и жизнь станет невозможна.
340
Соседние файлы в предмете [НЕСОРТИРОВАННОЕ]