Черные дыры и молодые вселенные - Хокинг Стивен Уильям - Страница 9

По моему мнению, невысказанная вера в независимую от модели реальность и является глубинной причиной тех трудностей, с которыми философы науки сталкиваются при изучении квантовой механики и принципа неопределенности. Существует знаменитый мысленный эксперимент, называемый «кошкой Шрёдингера». Кошку помещают в запечатанный ящик. На ящик направлена пушка, которая выстрелит, если радиоактивный нуклид распадется. Вероятность этого 50 процентов (сегодня никто не посмеет предположить такую вещь даже для мысленного эксперимента, но во времена Шрёдингера никто не слышал о правах животных).

Если откроют ящик, то обнаружат кошку живой или мертвой. Но до того, как его откроют, квантовое состояние кошки будет смесью состояния мертвой кошки с состоянием живой. Философам науки очень трудно допустить это. Кошка не может быть наполовину застреленной, а наполовину незастреленной, как нельзя быть наполовину беременной. Эта трудность возникает оттого, что они косвенно пользуются классической концепцией реальности, где объект имеет определенную и единственную предысторию. Но весь фокус в том, что у квантовой механики другой взгляд на реальность. Согласно ему, объект имеет не единственную предысторию, но все возможные предыстории. В большинстве случаев вероятность какой-то одной предыстории отменяется вероятностью несколько иной предыстории, но в определенных случаях вероятности соседних предысторий усиливают друг друга. И одну из этих усиленных предысторий мы видим как предысторию объекта.

В случае с кошкой Шрёдингера две возможные предыстории усилили друг друга. В одной кошку застрелили, а в другой она осталась жива. В квантовой теории обе возможности могут существовать вместе. Но некоторые философы сбиваются с толку, поскольку косвенно предполагают, что кошка может иметь только одну предысторию.

Природа времени — еще один пример области, где физическая теория определяет нашу концепцию реальности. Принято считать очевидным, что время течет всегда, независимо от того, что происходит; но теория относительности, соединяя время и пространство, говорит, что и то и другое может искривляться или деформироваться материей Вселенной. Так что наше восприятие природы времени изменилось: раньше считалось, что оно независимо от Вселенной, а теперь считается, что оно ею формируется. И тогда становится возможным понять, что время до какого-то определенного момента было просто не определено; если двинуться во времени вспять, то можно натолкнуться на непреодолимый барьер — сингулярность, за которую не зайти. В таком случае имело бы смысл спросить, что произвело Большой Взрыв. Если мы говорим о причинности, это неявно подразумевает, что до Большого Взрыва сингулярности что-то было. Но как нам известно уже двадцать пять лет, общая теория относительности Эйнштейна говорит, что время должно было начаться с сингулярности пятнадцать миллиардов лет назад. Однако философы не подхватили эту идею. Их все еще заботят основы квантовой механики, заложенные шестьдесят пять лет назад. Они не понимают, что передовой край физики продвинулся дальше.

Еще хуже обстоит дело с математическим понятием мнимого времени, с помощью которого Джим Хартл и я предположили, что Вселенная, возможно, не имеет начала и конца. За слова о мнимом времени на меня яростно набросился один философ науки. «Как может математическая хитрость вроде мнимого времени иметь что-то общее с реальной Вселенной!» — восклицал он. Думаю, этот философ перепутал математические термины «вещественное число» и «мнимое число» с соответствующими словами, которые мы используем в повседневной жизни. Это только иллюстрирует мою точку зрения: как можем мы знать, что такое реальное, независимо от теории или модели, при помощи которой мы это интерпретируем?

Я воспользовался примерами из теории относительности и квантовой механики, чтобы показать проблемы, с которыми мы сталкиваемся, пытаясь осмыслить Вселенную. И на самом деле не важно, разбираетесь ли вы в теории относительности и квантовой механике Или нет и даже верны ли эти теории. Надеюсь, я продемонстрировал, что только нечто вроде такого позитивистского подхода, когда теория рассматривается как модель, может помочь понять Вселенную — по крайней мере, физикам-теоретикам. Я полон надежд, что мы найдем стройную и непротиворечивую модель, описывающую все во Вселенной, и тогда это будет истинным триумфом человечества.

7. Виден ли конец теоретической физике?[12]

На этих страницах я хочу обсудить вопрос, может ли конечная цель теоретической физики быть достигнута в не столь отдаленном будущем — скажем, к концу XX столетия. Под этим я понимаю возможность построить полную, гармоничную и всеобщую теорию физических взаимодействий, которая описала бы все доступные нам наблюдения. Конечно, в таких предположениях нужно быть очень осторожным. Мы уже по крайней мере дважды думали, что находимся на грани окончательного построения. В начале века верилось, что все можно понять в терминах непрерывной механики, нужно только измерить некоторые коэффициенты: упругость, вязкость, проводимость и т. п. Эти надежды были разбиты открытием квантовой механики и строения атома. В двадцатых годах Макс Борн сказал группе ученых, приехавших в Гёттинген: «Физика, как мы теперь понимаем, через полгода будет исчерпана». Это произошло вскоре после открытия Полем Дираком, предыдущим главой люкасовской кафедры, уравнения, описывающего поведение электрона. Предполагали, что аналогичное уравнение должно существовать и для протона — второй из двух известных тогда частиц. Однако открытие нейтрона и ядерных сил развеяло эти надежды. Теперь мы знаем, что ни протон, ни нейтрон не являются элементарными, а состоят из еще меньших частиц. Тем не менее за последние годы мы достигли большого npoгpecca, и, как я покажу дальше, есть некоторые основания для осторожного оптимизма: мы можем создать полную теорию еще при жизни тех, кто сейчас читает эти страницы.

Но даже если мы и достигнем полной теории, мы не сможем детально предсказать ничего, кроме простейших ситуаций. Например, нам уже известно, как физические законы управляют тем, с чем мы сталкиваемся в повседневной жизни. Как определил сам Дирак, его уравнение стало основой «для большей части физики и для всей химии». Однако мы можем решить это уравнение только для очень простой системы — атома водорода, состоящего из одного протона и одного электрона. Для более сложных атомов с большим числом электронов, не говоря уж о молекулах из нескольких ядер, нам остается прибегать к аппроксимациям и интуитивным догадкам сомнительной надежности. Для макроскопических систем, состоящих, например, из 1023 частиц, нам приходится прибегать к статистическим методам, и мы вынуждены расстаться со своими притязаниями на точное решение уравнения. Хотя в принципе нам известны уравнения, управляющие всеми биологическими процессами, мы не можем свести исследование человеческого поведения к отрасли прикладной математики.

Что же мы назвали бы всеобщей физической теорией? Наши попытки смоделировать физическую реальность, как правило, состоят из двух частей. Это а) множество частных законов, которым подчиняются различные физические величины, и б) множество граничных условий, которые сообщают нам о состоянии некоторых областей Вселенной в определенное время и о тех эффектах, которые распространяются затем в нее из этих областей.

Многие заявили бы, что роль науки ограничивается первой частью, и когда мы получим полный набор частных физических законов, теоретическая физика достигнет своей цели. Вопрос о начальных условиях для Вселенной они отнесли бы к области метафизики или религии. Некоторым образом это похоже на то, как в прежние века препятствовали научным изысканиям, говоря, что все природные явления — деяния Бога и не следует выяснять их причины. Думаю, что начальные условия Вселенной — такой же подходящий предмет для научных исследований и теорий, как и частные физические законы. Мы не получим завершенной теории, пока не сможем чего-то большего, чем просто сказать: «Вещи таковы, каковы они есть, потому что они были такими, какими были».