Артамонов Юрий Александрович
Шрифт:
Мы прошли длинный путь в истории изгнания времени из физической концепции природы. Мы начинали, как начинали Галилей и Декарт, с удерживания движения и замораживания времени через их графический метод, в котором время представлено так, как если бы оно было еще одной размерностью пространства. В теории относительности эти картины движения, выложенные во времени, стали пространством-временем, вневременной картиной истории
вселенной, в которой нет ничего реального, кроме настоящего момента. Относительность одновременности говорит нам, что мы не можем пойти назад и отделить время от пространства. Мы можем только идти вперед к картине монолитной вселенной, в которой история вселенной представлена как вневременное целое. С СТО и ОТО, хорошо подтвержденными экспериментом, мы, физики, на самом деле имеем куда больше оснований принять безвременную картину реальности.
7
Квантовая космология и конец времени
Во время рождественских каникул в конце моего первого семестра в Хемпшир Колледже я вернулся в Нью-Йорк, чтобы остановиться в квартире моей кузины на Гринвич Виллидж. Утром я поехал на метро на окраину на мою первую физическую конференцию, грандиозно названную Шестым Техасским Симпозиумом по Релятивистской Астрофизике, которая заняла разукрашенный отель в Центральном Манхэттене. Я не был приглашен и не думал регистрироваться, но мой профессор физики Херб Бернстайн подсказал мне, как проникнуть. Я никого там не знал, но как-то познакомился к Кипом Торном из Калтеха, который сказал мне, что для хорошего изучения ОТО я должен проштудировать учебник, который он написал вместе с Чарльзом Мизнером и Джоном Арчибальдом Уилером [1]. Я познакомился с Лэйном Хьюстоном, молодым американским математиком, обучающимся в Оксфорде, который говорил час, чтобы объяснить мне новую революционную теорию твисторов, а затем познакомить меня с ее изобретателем Роджером Пенроузом.
На одной из сессий я занял место в проходе, когда мужчина в инвалидной коляске проехал вблизи меня. Стивен Хокинг был уже знаменит своими трудами в ОТО, и это было за год до его поразительного открытия, что черные дыры излучают. Высокий бородатый мужчина с
элегантными манерами остановился, чтобы поболтать с ним, а затем был вызван на сцену. Это был Брюс ДеВитт. Я не вспомню, о чем он говорил, но я слышал о нем и о его уравнениях, описывающих квантовые вселенные. У меня не набралось смелости поговорить с кем-нибудь из них, и я, определенно, никогда не предполагал, что когда я семью годами позже завершу свою диссертацию на степень доктора философии, эти два гиганта современной физики пригласят меня работать с ними.
Брюс ДеВитт, Джон Уилер, Чарльз Мизнер и Стивен Хокинг все были пионерами, которые тогда были на полпути к созданию новой дисциплины: квантовой космологии. Изобретенный ими брак ОТО и квантовой теории был вершиной нашего восхождения к вневременному миру современной физики. В квантовой вселенной, которую они описали, время не только является излишним, оно полностью исчезает. Квантовый космос не эволюционирует и не меняется, он не расширяется и не сжимается, он просто есть.
Эта тема, что нужно подчеркнуть, представляет собой в высшей степени умозрительную и поэтическую область теоретической физики, пока без твердой привязки к наблюдениям. Заключениям, которым вы можете вывести из нее, недостает авторитета картины природы, даваемой теорией относительности, которая снова и снова триумфально подтверждается экспериментально и продолжает удивлять нас точностью своих предсказаний.
Мы начнем с квантовой механики, которая является триумфом метода изучения физики в ящике. Мне нужно будет объяснить только несколько базовых вещей по поводу того, как подсистемы вселенной моделируются в квантовой механике, чтобы проложить путь к двухэтапной экстраполяции нашей современной физики. Первый этап, мы должны унифицировать квантовую механику с ОТО, чтобы получить квантовую теорию гравитации. Имеются разные подходы к этой унификации, и до сих пор нет экспериментов, чтобы сделать выбор среди них, но достаточно известно о том, как должна быть сформулирована такая теория, чтобы допустить нас ко второму этапу, который есть включение целой вселенной в квантовую теорию.
Мы увидим, что результатом является вневременная картина природы.
Квантовая механика предлагает весьма успешное описание микроскопических систем, таких как атомы и молекулы. Но она загадочна. В результате людских попыток придать ей смысл было изобретено несколько радикально отличающихся способов говорить о ней. Они отличаются своими
выводами относительно времени и тем, может ли квантовая теория быть применена к целой вселенной, - оба вопроса важнейшие для нашего обсуждения здесь [2].
С моей точки зрения лучший способ объяснить квантовую механику - начать с разговора о том, для чего нужна наука. Многие из нас думают, что целью науки является описание того, какова природа на самом деле, - чтобы дать картину мира, в правильность которой мы могли бы поверить, даже если нас нет рядом, чтобы ее увидеть. Если вы думаете о науке подобным образом, вы будете разочарованы квантовой механикой, поскольку она не дает картины, которая исходит из индивидуального эксперимента.
Нильс Бор, один из основателей квантовой теории, утверждал, что те, кто был разочарован подобным образом, имели ошибочное представление о том, для чего нужна наука. Проблема не в теории, а в том, что мы ожидаем, чтобы теория сделала для нас. Бор провозгласил, что целью научной теории является не описание природы, а выдача нам правил для манипулирования объектами в мире и языка, который мы можем использовать для представления результатов.
Язык квантовой теории предполагает активное вмешательство в природу, для этого говорят о том, как экспериментатор опрашивает микроскопическую систему. Он может приготовить систему так, что она будет изолирована и готова для изучения. Он может трансформировать ее, подвергая ее различным внешним воздействиям. А затем он может измерять ее путем введения приборов, которые считывают ответы на вопросы, которые он сумел задать о системе. Математический язык квантовой механики представляет каждый из этапов подготовки, преобразования и измерения. Поскольку акцент делается на том, что мы делаем с квантовой системой, это может быть названо операционалистским подходом к квантовой физике.