Ткань космоса: Пространство, время и текстура реальности

Эти результаты, которые подтверждены экспериментом{138}, поражают: из-за включения даун-конверторов, которые потенциально могут обеспечить информацию выбора пути, мы теряем интерференционную картину, как на рис. 7.5а. А без интерференции мы, естественно, заключали, что каждый фотон проходил или вдоль правого пути, или вдоль левого. Но теперь мы узнали, что это заключение было поспешным. Путём аккуратного удаления потенциальной информации о выборе пути, переносимой некоторыми из холостых фотонов, мы можем уговорить данные отдать интерференционную картину, и это свидетельствует, что некоторые фотоны на самом деле двигаются обоими путями.

Отметим также самый яркий результат: три дополнительных светоделителя и четыре детектора холостых фотонов могут располагаться на другой стороне лаборатории или даже на другой стороне Вселенной, поскольку ничто в нашем обсуждении не зависело от того, получается ли данный холостой фотон до или после того, как его сигнальный партнёр попадёт на экран. Представим, что все эти приборы удалены на большое расстояние, для определённости — на десять световых лет, и подумаем, к чему это приведёт. Вы сегодня проводите эксперимент на рис. 7.5б, записывая — одно за другим — места падения гигантского числа сигнальных фотонов, и не наблюдаете признаков интерференции. Если кто-нибудь попросит вас объяснить результаты, может возникнуть соблазн сказать, что из-за наличия холостых фотонов имеет место информация о выборе пути, и значит каждый сигнальный фотон определённо шёл или вдоль левого, или вдоль правого пути, исключая любую возможность интерференции. Но, как видно выше, это будет опрометчивое заключение о происходящем; это будет совершенно непродуманное описание прошлого.

Десятью годами позднее вы увидите, что четыре детектора фотонов зарегистрируют — один за другим — холостые фотоны. Если затем вы получите информацию о том, какие холостые фотоны попали, скажем, в детектор 2 (например, первый, седьмой, девятый, двенадцатый... холостые фотоны), и вернётесь к данным, которые собрали годами ранее и выделите положения соответствующих сигнальных фотонов на экране (первого, седьмого, девятого, двенадцатого... сигнальных фотонов), вы обнаружите, что выделенные данные дают интерференционную картину, а это говорит о том, что соответствующие сигнальные фотоны должны описываться как прошедшие по обоим путям. Наоборот, если спустя 9 лет и 364 дня после того, как вы собрали данные по сигнальным фотонам, техник-шутник саботирует эксперимент путём удаления светоделителей «a» и «b» — гарантируя, что когда вспомогательные фотоны прибудут на следующий день, они все попадут в детектор 1 или детектор 4, что сохранит всю информацию о выборе пути, то когда вы получите эту информацию, вы сделаете заключение, что каждый сигнальный фотон двигался вдоль левого пути или вдоль правого пути, и интерференционная картина не может быть извлечена из данных по сигнальным фотонам. Таким образом, как убедительно показывает это обсуждение, история, которую вы пытаетесь рассказать, чтобы объяснить результаты регистрации сигнальных фотонов, существенно зависит от измерений, проведённых десятью годами позже сбора этих данных.

Позвольте мне ещё раз подчеркнуть, что будущие измерения совершенно не изменяют чего-либо из того, что имело место в вашем сегодняшнем эксперименте; будущие измерения никоим образом не изменяют данные, которые вы собрали сегодня. Но будущие измерения влияют на некоторые подробности того, как вы объясняете то, что произошло сегодня. До того как вы получите результаты измерений холостых фотонов, вы на самом деле совсем не можете сказать что-либо об истории выбора пути любого данного сигнального фотона. Однако когда вы получили результаты, вы заключаете, что сигнальные фотоны, холостые партнёры которых успешно использованы для получения информации о выборе пути, могут быть описаны как прошедшие — годы назад — либо слева, либо справа. Вы также придёте к заключению, что сигнальные фотоны, холостые партнёры которых уничтожили информацию выбора пути, не могут быть описаны как определённо прошедшие — годы назад — по одному или по другому пути (заключение, которое вы можете убедительно подтвердить с использованием вновь полученных данных по холостым фотонам, чтобы выявить ранее скрытую интерференционную картину среди этого последнего класса сигнальных фотонов). Таким образом, мы видим, что будущее помогает сформировать историю, которую вы рассказываете о прошлом.

Эти эксперименты конфликтуют с нашими обычными представлениями о пространстве и времени. Нечто, что имеет место намного позже и очень далеко от чего-то другого, тем не менее существенно для нашего описания этого чего-то другого. По любому классическому счёту — по здравому смыслу — это просто сумасшествие. Конечно, дело в этом: здравый смысл неприменим для использования в квантовой Вселенной. Из обсуждения парадокса Эйнштейна–Подольского–Розена мы узнали, что квантовая физика нелокальна в пространстве. Если вы полностью усвоили этот урок, то эксперименты, которые включают в себя запутывание и через пространство, и через время, не будут казаться такими уж странными. Но по стандартам повседневного опыта они определённо таковы.

Квантовая механика и опыт

Я помню своё воодушевление, когда впервые узнал об этих экспериментах. Я чувствовал, что мне дали мельком увидеть скрытую сторону реальности. Здравый смысл — земная, обыкновенная, повседневная деятельность — внезапно оказался частью классической шарады, скрывающей истинную природу нашего квантового мира. Мир повседневности внезапно оказался не чем иным, как вывернутым наизнанку магическим действием, внушившим своим зрителям веру в обычные, привычные концепции пространства и времени, в то время как удивительная истина квантовой реальности, ускользая от взгляда, тщательно защищена природой.

В последние годы физики приложили много усилий в попытках объяснить уловки природы, чтобы точно понять, как фундаментальные законы квантовой физики превращаются в классические законы, которые столь успешны при объяснении повседневного опыта, — в сущности, чтобы разобраться, как атомное и субатомное скидывают магическую таинственность, когда они объединяются, чтобы сформировать макроскопический объект. Исследования продолжаются, но многое уже понято. Посмотрим на некоторые вещи, особенно уместные в связи с вопросом о стреле времени, но теперь с точки зрения квантовой механики.

Классическая механика основывается на уравнениях, которые Ньютон открыл в конце 1600-х гг. Электромагнетизм основывается на уравнениях, которые Максвелл открыл в поздние 1800-е гг. Специальная теория относительности основывается на уравнениях, которые Эйнштейн открыл в 1905 г., а общая теория относительности основывается на уравнениях, которые он открыл в 1915 г. Что общего имеют все эти уравнения, и что является центральным для дилеммы стрелы времени (как объясняется в предыдущей главе), так это совершенно симметричная трактовка прошлого и будущего в них. Нигде, ни в одном из этих уравнений нет чего-либо, что отличает время, направленное «вперёд», от времени, направленного «назад». Прошлое и будущее рассматриваются на одинаковых основаниях.

Квантовая механика основывается на уравнении, которое Эрвин Шрёдингер открыл в 1926 г.{139} Вам не нужно знать подробностей об этом уравнении, кроме того факта, что в качестве входных данных в него входит квантово-механическая вероятностная волна в один момент времени, как на рис. 4.5, и оно позволяет определить, как вероятностная волна будет выглядеть в любой другой момент времени, более ранний или более поздний. Если вероятностная волна ассоциируется с частицей, такой как электрон, вы можете использовать её для предсказания вероятности, с которой в заданное время эксперимент обнаружит электрон в заданном месте. Подобно классическим законам Ньютона, Максвелла и Эйнштейна, квантовый закон Шрёдингера включает в себя равноправное рассмотрение будущего и прошлого. «Фильм», показывающий вероятностную волну стартующей в таком виде и заканчивающей в этаком, может быть запущен в обратном направлении, — показывая вероятностную волну, стартующую в этаком виде, а заканчивающую в таком, — и нет способа сказать, что одна эволюция правильна, а другая ложна. В уравнении Шрёдингера оба решения будут верны. Оба одинаково представляют осмысленные пути, по которым возможно развитие{140}.

Конечно, «фильм», о котором идёт речь, очень отличается от аналогов, использованных в предыдущей главе при анализе движения теннисного мяча или разбивающегося яйца. Мы не можем видеть волны вероятности непосредственно; не существует камеры, которая могла бы зафиксировать вероятностные волны на плёнку. Вместо этого мы можем описать вероятностные волны с использованием математических уравнений и представить себе простейшие из таких волн, имеющие форму как на рис. 4.5 и 4.6. Но единственный способ доступа к самим вероятностным волнам является косвенным, через процесс измерения.

То есть, как объяснялось в главе 4 и как видно в рассмотренных выше экспериментах, стандартная формулировка квантовой механики описывает эволюцию с использованием двух совершенно различных стадий. На первом этапе волна вероятности — или, точнее говоря, волновая функция — некоторого объекта, например электрона, эволюционирует в соответствии с уравнением, открытым Шрёдингером. Это уравнение гарантирует, что форма волновой функции изменяется гладко и постепенно, почти как волна на воде, когда она движется от одного берега озера к другому[141]. В стандартном описании второй стадии путём измерения положения электрона реализуется связь электрона с наблюдаемой реальностью, и когда мы это делаем, форма его волновой функции мелется резко и прерывисто. Волновая функция электрона не похожа на более привычные примеры волн на воде или звуковых волн: когда мы измеряем положение электрона, его волновая функция образует пик, т. е. коллапсирует, падая до нуля везде, где частица не найдена, и вырастает до 100%-й вероятности в единственном месте, где частица найдена измерением (как показано на рис. 4.7).

Первая стадия — эволюция волновой функции в соответствии с уравнением Шрёдингера — является математически строгой, совершенно недвусмысленной и полностью принятой физическим сообществом. Вторая стадия — коллапс волновой функции при измерении — наоборот, является чем-то, что на протяжении последних восьмидесяти лет держит физиков, в лучшем случае, в тихом смущении, а в худшем — провоцирует проблемы, загадки и потенциальные парадоксы, ради которых жертвуют карьерами. Трудность, как отмечалось в конце главы 4, состоит в том, что в соответствии с уравнением Шрёдингера волновые функции не коллапсируют. Коллапс волновой функции представляет собой что-то дополнительное. Оно, это дополнение, было введено после открытия Шрёдингером своего уравнения в попытке описать, что же видят экспериментаторы на самом деле. Хотя исходная, несколлапсированная волновая функция воплощает странную идею, что частица находится и тут, и там, экспериментаторы никогда не видят этого. Они всегда обнаруживают частицу определённо в том положении или другом; они никогда не видят её частично тут, а частично там; стрелка в измерительных приборах никогда не витает в состоянии некоторой призрачной смеси, указывая и на эту, и на ту величину.

То же самое происходит, конечно, при наших собственных повседневных наблюдениях окружающего мира. Мы никогда не видели, чтобы стул был и тут, и там; мы никогда не наблюдаем Луну одновременно в одной части ночного неба, а также и в другой; мы никогда не видим кота, который одновременно и жив, и мёртв. Понятие коллапса волновой функции присоединяется к нашему опыту путём постулирования, что акт измерения заставляет волновую функцию отказаться от квантовой неопределённости и сделать одну из множества потенциальных возможностей (частица здесь или частица там) действительной.

Загадка квантового измерения

Но почему проведение измерения экспериментатором заставляет волновую функцию коллапсировать? Фактически, действительно ли коллапс волновой функции происходит, и если он происходит, что реально происходит на микроскопическом уровне? Вызывает ли коллапс любое и всякое измерение? Когда происходит коллапс и как долго длится? Поскольку в соответствии с уравнением Шрёдингера волновая функция не коллапсирует, какое уравнение описывает вторую стадию квантовой эволюции и как это новое уравнение свергает с престола шрёдиигеровское, узурпируя его обычную нерушимую власть над квантовыми процессами? И, что важно в смысле обсуждения стрелы времени, в то время как уравнение Шрёдингера, которое управляет первой стадией, не делает различий между прямым и обратным направлением во времени, не вводит ли уравнение для второго этапа фундаментальную асимметрию между временем до и временем после измерения? То есть, не вводит ли квантовая механика, включая её связь с повседневным миром через измерения и наблюдения, стрелу времени в основные законы физики? В конце концов, мы обсуждали, как квантовая трактовка прошлого отличается от трактовки прошлого в классической физике, и под прошлым мы понимали то, что происходит перед тем, как имеет место определённое квантовое измерение. Поэтому не устанавливают ли измерения, воплощённые в коллапсе волновой функции, асимметрию между прошлым и будущим: между тем, что было до измерения, и тем, что будет после?

Эти вопросы упорно сопротивляются полному решению, и они остаются источником противоречий. Тем не менее спустя десятилетия успехов предсказательную мощь квантовой теории трудно скомпрометировать. Квантовая теория, включающая две стадии эволюции, хотя вторая стадия и остаётся таинственной и непонятной, правильно предсказывает вероятности результатов измерений. И эти предсказания подтверждаются повторением данного эксперимента снова и снова и проверкой частоты, с которой обнаруживаются те или иные результаты. Фантастический экспериментальный успех этого подхода намного перевешивает дискомфорт от отсутствия точного описания того, что на самом деле происходит на второй стадии.

Но дискомфорт всегда рядом. И это не означает просто, что некоторые детали коллапса волновой функции не вполне определены. Проблема квантового измерения, как она называется, является проблемой, имеющей отношение к пределам и универсальности квантовой механики. Это нетрудно увидеть. Подход с двумя различными стадиями эволюции вводит пропасть между тем, что наблюдается (например, электрон, или протон, или атом), и экспериментатором, проводящим наблюдения. Перед тем как экспериментатор появляется на сцене, волновая функция радостно и спокойно эволюционирует в соответствии с уравнением Шрёдингера. Но когда экспериментатор вмешивается в процесс для проведения измерения, правила игры неожиданно меняются. Уравнение Шрёдингера отбрасывается в сторону и наступает коллапс второй стадии эволюции. Теперь, поскольку нет разницы между атомами, протонами и электронами, которые составляют экспериментатора и оборудование, которое он использует, и атомами, протонами и электронами, которые он изучает, так почему же имеется столь большое различие в том, как их трактует квантовая механика? Если квантовая механика является универсальной теорией, которая применима без ограничений к чему угодно, наблюдаемое и наблюдатель должны рассматриваться в точности одинаковым образом.

Нильс Бор был не согласен. Он утверждал, что экспериментаторы и их оборудование действительно отличаются от элементарных частиц. Хотя они и сделаны из одинаковых частиц, они являются «большими» собраниями элементарных частиц и поэтому управляются законами классической физики. Где-то между мельчайшим миром отдельных атомов и субатомных частиц и привычным миром людей и их оборудования правила меняются, поскольку меняются размеры. Мотивировка для принятия этого разделения ясна: крохотные частицы, в соответствии с квантовой механикой, могут находиться в состоянии размытой смеси тут и там, тогда как мы не видим подобного поведения в большом, повседневном мире. Но где точно находится граница? И, что жизненно важно, как два набора правил согласуются, когда большой повседневный мир сталкивается с очень маленьким миром атомов, как в случае измерения? Бор настойчиво декларировал, что эти вопросы должны быть вынесены за границы обсуждения. Под этим он понимал, по правде говоря, что они находятся за границами того, на что он или кто-либо другой сможет дать ответ. И поскольку даже без ответа на эти вопросы теория даёт поразительно точные предсказания, долгое время такие проблемы находились в самой нижней части списка важнейших вопросов, которые рассматривались физиками.

Но для того чтобы полностью понять квантовую механику, чтобы определить до конца, что она говорит о реальности, и чтобы установить, какую роль она может играть в выборе направления стрелы времени, необходимо полное понимание проблемы квантового измерения.

В следующих двух разделах мы опишем некоторые из наиболее заметных и многообещающих попыток это сделать. Если вы захотите сразу перейти к последнему разделу, посвящённому стреле времени в квантовой механике, то отметим, что ответ таков. Множество хитроумных работ по проблеме квантовых измерений привело к значительным успехам, но принимаемое большинством решение проблемы, по-видимому, всё ещё находится вне пределов нашей досягаемости. Многие рассматривают это как самый важный пробел в формулировке квантовых законов.

Реальность и проблема квантового измерения

За время существования квантовой теории поступило множество предложений для решения проблемы квантового измерения. Ирония заключается в том, что, хотя они влекли за собой различные концепции реальности (некоторые — радикально различные), когда дело касалось предсказаний того, что исследователь будет измерять почти во всех экспериментах, все они были в согласии друг с другом и каждое работало подобно заклинанию. Каждое предложение показывало один и тот же спектакль, хотя, если вы посмотрите за кулисы, то увидите, что их способы действия существенно отличаются.

Когда речь идёт о развлечении, вы обычно не хотите знать, что происходит за кулисами; вы вполне удовлетворяетесь тем, что обращаете внимание исключительно на результат. Но когда речь идёт о понимании Вселенной, имеется непреодолимое желание отдёрнуть все шторы, открыть все двери и полностью обнажить глубинные внутренние механизмы реальности. Бор считал это побуждение безосновательным и вводящим в заблуждение. Для него реальность есть её представление. Как в монологе Сполдинга Грея[142], голые измерения экспериментатора и являются всем спектаклем. Ничего другого нет. Согласно Бору, «за кулисами» ничего нет. Идея попытаться проанализировать, как, когда и почему квантовая волновая функция отбрасывает все возможности, кроме одной, и даёт одно определённое число на измерительном приборе, — ошибочная идея. Измеренное число само по себе является всем, что заслуживает внимания.

Этот взгляд господствовал в течение десятилетий. Однако его успокаивающее действие на ум, пытающийся, несмотря ни на что, понять квантовую теорию, никак не способствует ощущению, что превосходная предсказательная сила квантовой механики означает, что это и есть проход в скрытую реальность, лежащую в основе нашей Вселенной. Успокаивающее действие этого подхода не может помочь идти дальше и понять, как квантовая механика связана с повседневным опытом — как она перекидывает мост через пропасть между волновой функцией и наблюдением, и какая скрытая реальность лежит в основе наблюдений. Многие исследователи приняли этот вызов; ниже приводятся некоторые разработанные ими подходы.

Один подход, исторические корни которого восходят к Гейзенбергу, заключается в отказе от взгляда на волновую функцию как на объективное свойство квантовой реальности и, вместо этого, во взгляде на неё только как на отражение наших знаний о реальности. Перед проведением эксперимента мы не знаем, где находится электрон, и, как предполагает этот взгляд, наше неведение относительно его расположения отражается электронной волновой функцией, описывающей электрон как находящийся, возможно, в ряде различных мест. Однако в момент, когда мы измеряем его положение, наше знание о том, где он находится, внезапно изменяется: теперь мы знаем его положение, в принципе, с абсолютной точностью. (В соответствии с принципом неопределённости, если мы знаем его положение, мы неизбежно оказываемся в неведении относительно его скорости, но это не является предметом текущего обсуждения.) Это резкое изменение наших знаний, в соответствии с данным взглядом, отражается в резком изменении электронной волновой функции: она внезапно коллапсирует и принимает форму резкого пика, как на рис. 4.7, фиксируя наше точное знание положения электрона. В таком подходе резкий коллапс волновой функции совершенно неудивителен: он есть не что иное, как резкое изменение в знании, которое мы все ощущаем, когда узнаём что-либо новое.

Второй подход, предложенный в 1957 г. студентом Джона Уилера Хью Эвереттом, вообще отрицает, что волновая функция коллапсирует. Вместо этого любой и каждый потенциальный результат, включённый в волновую функцию, реализуется; однако происходит это в его собственной отдельной Вселенной. В этом подходе, известном как многомировая интерпретация, понятие «Вселенная» расширяется, чтобы включить бесчисленные «параллельные вселенные» — бесчисленные версии нашей Вселенной, — так что всё, что может произойти в соответствии с предсказаниям квантовой механики, даже с ничтожной вероятностью, действительно происходит, по меньшей мере в одной копии. Если волновая функция говорит, что электрон может быть здесь, там и где-нибудь далеко, тогда в одной вселенной копия вас самих найдёт его здесь; в другой вселенной другая ваша копия найдёт его там; а в третьей вселенной ещё одна ваша копия найдёт электрон очень далеко. Последовательность наблюдений, которую каждый из нас делает каждую секунду, таким образом, отражает реальность, имеющую место только в одной части этой чудовищной, бесконечной сети вселенных, каждая из которых населена копиями вас, меня и любого другого, кто ещё живёт во вселенной, в которой некоторое наблюдение дало определённый результат. В одной такой вселенной вы сейчас читаете эти слова, в другой вы прервались, чтобы походить по Интернету, ещё в другой вы с волнением дожидаетесь, когда поднимется занавес перед вашим дебютом на Бродвее. Это похоже на то, как если бы существовал не единственный блок пространства-времени, изображённый на рис. 5.1, а бесконечное количество, среди которых каждый реализует одну возможную последовательность событий. В многомировой интерпретации, следовательно, ни один потенциальный результат просто не остаётся потенциальным. Волновые функции не коллапсируют. Каждый потенциальный результат проявляется в одной из параллельных вселенных.

Третье предложение, разработанное в 1950-е гг. Дэвидом Бомом, — тем самым физиком, с которым мы сталкивались в главе 4, когда обсуждали парадокс Эйнштейна–Подольского–Розена, — использует совершенно другой подход{143}. Бом утверждал, что частицы, такие как электроны, обладают определёнными положениями и определёнными скоростями, точно как в классической физике и точно так, как надеялся Эйнштейн. Но, в соответствии с принципом неопределённости, эти свойства скрыты от взгляда; они являются примерами скрытых переменных, упоминавшихся в главе 4. Вы не можете определить обе переменные одновременно. По Бому, такая неопределённость представляет предел того, что мы можем знать, но ничего не предполагает о действительных атрибутах самих частиц. Его подход не противоречит результатам Белла, поскольку, как мы обсуждали в конце главы 4, обладание определёнными свойствами, запрещёнными принципом неопределённости, не исключено; исключена только локальность, а подход Бома нелокален{144}. Бом представил, что волновая функция частицы является другим, отдельным элементом реальности, таким, который существует в дополнение к самой частице. Нет частиц или волн, как полагала философия дополнительности Бора; в соответствии с Бомом, есть частицы и волны. Более того, Бом постулировал, что волновая функция частицы взаимодействует с самой частицей — она «направляет» частицу или «толкает» её — таким способом, что это определяет её последующее движение. В то время как этот подход полностью согласуется с правильными предсказаниями стандартной квантовой механики, Бом нашёл, что изменения волновой функции в одном месте могут немедленно сказаться на удалённой частице, что явно обнаруживает нелокальность его подхода. В эксперименте с двумя щелями, например, каждая частица проходит через одну щель или через другую, тогда как их волновая функция проходит через обе щели и допускает интерференцию. Поскольку волновая функция управляет движением частицы, то не столь уж и удивительно, что, как показывают уравнения, частица охотнее окажется там, где величина волновой функции велика, и неохотно там, где мала, объясняя данные на рис. 4.4. В подходе Бома нет отдельной стадии коллапса волновой функции, поскольку, если вы измеряете положение частицы и находите её здесь, то это действительно то место, где она была моментом раньше измерения.

Четвёртый подход, разработанный итальянскими физиками Джанкарло Жирарди, Альберто Римини и Туллио Вебером, смело изменяет уравнение Шрёдингера неким хитрым способом, который почти не сказывается на эволюции волновых функций отдельных частиц, но имеет существенное влияние на квантовую эволюцию, когда применяется к «большим» повседневным объектам. Предложенная модификация полагает, что волновые функции в своей основе нестабильны; даже без всякого вмешательства, предположили эти исследователи, рано или поздно каждая волновая функция коллапсирует к пикообразной форме по своему собственному желанию. Жирарди, Римини и Вебер постулировали, что для индивидуальной частицы коллапс волновой функции происходит спонтанно и хаотично, возникая в среднем только раз в каждый миллиард лет или около того{145}. Это настолько редко, что вносит только очень слабое изменение в обычное квантово-механическое описание отдельной частицы, и это хорошо, поскольку квантовая механика описывает микромир с беспрецедентной точностью. Но для больших объектов, таких как экспериментатор и его оборудование, которые имеют миллиарды и миллиарды частиц, вероятность будет настолько большой, что в мельчайшую долю любой заданной секунды постулированный спонтанный коллапс произойдёт по меньшей мере с одной отдельной частицей, заставив сколлапсировать её волновую функцию. И, как объясняют Жирарди, Римини, Вебер и другие, запутанная природа всех индивидуальных волновых функций в большом объекте обеспечивает, что этот коллапс инициирует разновидность квантового эффекта домино, при котором волновые функции всех составляющих частиц тоже коллапсируют. Так как это происходит в крошечную долю секунды, предлагаемая модификация обеспечивает, что большие объекты, по существу, всегда находятся в одной определённой конфигурации: стрелки на измерительных приборах всегда указывают на одну определённую величину; Луна всегда находится в одном определённом положении в небе; коты всегда или мертвы, или живы.

Каждый из этих подходов, равно как и ряд других, которые мы не хотим обсуждать, имеет своих сторонников и противников. Подход «волновой функции как знания» ловко обходит проблему коллапса волновой функции путём отрицания реальности волновых функций, сводя их вместо этого всего лишь к способу описания того, что мы знаем. Но почему, спросит противник, фундаментальная физика должна быть так тесно связана с человеческим знанием? Если бы здесь не было нас, чтобы наблюдать этот мир, то волновые функции никогда бы не коллапсировали или, может быть, вообще не существовало бы самой концепции волновой функции? Разве Вселенная была совершенно другой до того, как на планете Земля появилось человеческое сознание? Что если вместо экспериментаторов-людей наблюдателями являются только мыши, или муравьи, или амёбы, или компьютеры? Будет ли изменение в их «знании» достаточным, чтобы его можно было связать с коллапсом волновой функции?{146}

Напротив, многомировая интерпретация избегает самого понятия коллапса волновой функции, поскольку в этом подходе волновые функции не коллапсируют. Но ценой этого является чудовищное разрастание Вселенной, что многие противники этой интерпретации считают совершенно недопустимым{147}. Подход Бома также избегает коллапса волновой функции; но, утверждают его противники, допуская независимую реальность как частиц, так и волн, теория теряет экономичность. Более того, справедливо утверждают противники, в формулировке Бома волновые функции могут передавать влияние на частицы, которые они направляют, со скоростью, превышающей скорость света. Сторонники замечают, что первое возражение в лучшем случае субъективно, а последнее согласуется с нелокальностью, которая, как показал Белл, неизбежна, так что критика неубедительна. Тем не менее, может быть незаслуженно, подход Бома никогда не был популярным{148}. Подход Жирарди–Римини–Вебера прямо включает коллапс волновой функции путём добавления к уравнениям нового спонтанного механизма коллапса. Но, отмечают противники, тут всё ещё нет и намёка на экспериментальное подтверждение предложенной модификации уравнения Шрёдингера.

Поиск ясной и прозрачной связи между формализмом квантовой механики и опытом повседневной жизни будет, несомненно, продолжаться до конца, и трудно сказать, который из известных подходов, если среди них такой вообще есть, в конечном счёте будет принят большинством. Если бы физики сегодня проголосовали, я не думаю, что нашёлся бы несомненный фаворит. К несчастью, экспериментальные данные могут оказать ограниченную помощь. Хотя предложение Жирарди–Римини–Вебера даёт предсказания, которые могут в определённых ситуациях отличаться от стандартной квантовой механики с её двумя стадиями эволюции, отклонения слишком малы, чтобы их можно было зафиксировать современной технологией. Ситуация с другими тремя предложениями ещё хуже, поскольку они ещё более решительно препятствуют экспериментальной верификации. Они полностью согласуются со стандартным подходом, так что все они дают одинаковые предсказания для того, что можно было бы наблюдать или измерить. Они отличаются только в отношении того, что происходит за кулисами, если вообще что-то происходит. То есть они отличаются только в отношении того, что квантовая механика предполагает в качестве фундаментальной основы природы реальности.

Хотя проблема квантовых измерений остаётся нерешённой, на протяжении последних нескольких десятилетий был разработан подход, который, хотя ещё неполон, но имеет широкую поддержку как вероятный компонент любого жизнеспособного решения. Он называется декогеренция[149].

Декогеренция и квантовая реальность

Когда вы впервые сталкиваетесь с вероятностным аспектом квантовой механики, естественной реакцией является мысль, что это не более экзотично, чем вероятности, которые возникают при подбрасывании монетки или вращении рулетки. Но при знакомстве с квантовой интерференцией вы осознаёте, что вероятность в квантовой механике намного более фундаментальна. В повседневных примерах различным результатам — орёл против решки, красное против чёрного, один лотерейный номер против другого — присваиваются вероятности на основании понимания, что тот или иной результат определённо произойдёт и что каждый результат является конечным продуктом независимой, определённой истории. Когда монета подбрасывается, иногда вращательное движение таково, что выходит орёл, а временами таково, что выходит решка. Вероятность 50 на 50 мы относим не просто к конечному результату — орёл или решка, — но также к истории, которая привела к каждому результату. Половина возможных способов, которыми вы можете подбросить монету, приведут к орлу, а половина — к решке. Сами события, однако, являются совершенно отдельными, изолированными альтернативами. Нет смысла интересоваться, какие различные движения монеты усиливают друг друга, а какие гасят. Все они независимы.

Но в квантовой механике иная ситуация. Альтернативные пути, по которым электрон может следовать через две щели к детектору, — это не отдельные, изолированные истории. Возможные истории смешиваются, производя наблюдаемый результат. Некоторые пути усиливают друг друга, тогда как другие уничтожают друг друга. Такая квантовая интерференция между различными возможными историями отвечает за картину светлых и тёмных полос на детекторном экране. Так что основное различие между квантовым и классическим понятиями о вероятности заключается в том, что первое подвержено интерференции, а второе — нет.

Декогеренция является широко распространённым явлением, которое наводит мост между квантовой физикой малого и классической физикой не столь уж малого через подавление квантовой интерференции — т. е. путём резкого уменьшения того, что является ключевым различием квантовой и классической вероятности. Важность декогеренции была осознана давно, ещё в ранние времена квантовой теории, но её современное возрождение отсчитывается от плодотворной статьи немецкого физика Дитера Цея в 1970 г.{150}, и с тех пор разрабатывалось многими исследователями, включая Эрика Йоса, тоже из Германии, и Войцеха Цурека из Лос-Аламосской национальной лаборатории в Нью-Мексико.

Идея такова. Когда уравнение Шрёдингера применяется в простой ситуации, такой как прохождение отдельного изолированного фотона через экран с двумя щелями, оно приводит к известной интерференционной картине. Но этот лабораторный пример имеет две весьма специфические особенности, которые не характерны для событий реального мира. Первая состоит в том, что вещи, с которым мы сталкиваемся в повседневной жизни, больше и сложнее, чем отдельный фотон. Вторая — в том, что вещи, с которыми мы сталкиваемся в повседневной жизни, не изолированы: они взаимодействуют с нами и с окружением. Книга, находящаяся сейчас в ваших руках, подвергается контакту с человеком и, вообще, постоянно бомбардируется фотонами и молекулами воздуха. Более того, поскольку сама книга состоит из многих молекул и атомов, эти постоянно дрожащие составляющие непрерывно сталкиваются друг с другом. То же самое справедливо для стрелок измерительных приборов, для котов, для человеческих мозгов и просто для всего, с чем вы сталкиваетесь в повседневной жизни. На астрофизических масштабах Земля, Луна, астероиды и другие планеты непрерывно бомбардируются фотонами Солнца. Даже частичка пыли, плавающая в темноте космического пространства, подвергается непрерывным толчкам низкоэнергетических микроволновых фотонов, которые начали путешествовать по пространству спустя небольшое время после Большого взрыва. Итак, чтобы понять, что квантовая механика говорит о событиях реального мира, — в противоположность рафинированным лабораторным экспериментам, — мы должны применить уравнение Шрёдингера к этим более сложным, более беспорядочным ситуациям.

По существу, это было то, на что обратил внимание Цей. Его работа и работы многих других, кто последовал за ним, открыли нечто действительно удивительное. Хотя фотоны и молекулы воздуха слишком малы, чтобы оказать существенное влияние на движение большого объекта, например книги или кота, но они в состоянии сделать кое-что другое. Они непрерывно «толкают» волновую функцию большого объекта или, говоря на языке физики, они возмущают её когерентность: они размывают упорядоченную последовательность гребней и впадин, следующих друг за другом. Это критично, поскольку упорядоченность волновой функции является центральным свойством для генерирования интерференционных эффектов (см. рис. 4.2). Подобно тому как добавление маркирующих приборов в эксперимент с двумя щелями размазывает результирующую волновую функцию и поэтому размывает интерференционные эффекты, постоянная бомбардировка объектов составными частями окружающей среды также препятствует возникновению интерференционных явлений. С другой стороны, раз квантовая интерференция более невозможна, вероятности, присущие квантовой механике, с любой практической точки зрения ведут себя подобно вероятностям, присущим подбрасываемой монете и вращающейся рулетке. Когда декогеренция, вызванная взаимодействием с окружающей средой, размывает волновую функцию, экзотическая природа квантовых вероятностей растворяется в более привычных вероятностях повседневной жизни{151}. Это может означать решение загадки квантового измерения, которое, если действительно окажется решением, стало бы лучшим, на что мы можем надеяться. Я сначала опишу идею декогеренции в наиболее оптимистичном свете, а затем сделаю акцент на том, что ещё остаётся сделать.

Если волновая функция изолированного электрона показывает, что он имеет, скажем, 50% вероятности находиться здесь и 50% вероятности находиться там, мы должны интерпретировать эти вероятности, используя всю причудливость квантовой механики. Поскольку обе альтернативы могут проявить себя при смешивании и генерировать интерференционную картину, мы должны думать о них как о реальных в равной степени. Проще говоря, кажется, что электрон находится в обоих положениях. Что произойдёт, если мы измерим положение электрона неизолированными лабораторными инструментами обычного размера? Тогда в соответствии с неопределённостью местонахождения электрона стрелка инструмента имеет 50% вероятности указать на одно значение и 50% вероятности — на другое. Но вследствие декогеренции стрелка не будет находиться в призрачной смеси, указывая на обе величины; вследствие декогеренции мы можем интерпретировать эти вероятности в обычном, классическом, повседневном смысле. Как монета имеет 50%-й шанс упасть орлом и 50%-й шанс упасть решкой, но падает или орлом, или решкой, так и стрелка прибора имеет 50%-й шанс указать на одну величину и 50%-й шанс указать на другую величину, но она определённо укажет на одну или на другую.

Сходные рассуждения применимы и для всех других сложных неизолированных объектов. Если квантовые расчёты показывают, что кот, сидя з закрытом ящике, имеет 50% шансов быть мёртвым и 50% шансов быть живым — поскольку имеется 50% шансов, что электрон попадёт в счётчик и запустит устройство, которое отравит кота ядовитым газом, — то декогеренция означает, что кот не будет пребывать в некотором абсурдном смешанном состоянии жизни и смерти. Хотя десятилетия жарких дебатов были посвящены обсуждению проблемы типа: что означает для кота быть одновременно мёртвым и живым? Как открытие ящика и наблюдение кота заставляют его выбирать определённое состояние — смерти или жизни? Декогеренция означает, что задолго до того, как вы откроете ящик, окружающая среда уже завершила миллиарды наблюдений кота, которые почти совсем без затрат времени заменили все мистические квантовые вероятности на их менее мистические классические двойники. Задолго до того, как вы посмотрели внутрь, окружающая среда заставила кота принять одно единственное, определённое состояние. Декогеренция заставляет многие странности квантовой механики «утечь» из больших объектов, так как эти квантовые странности кусочек за кусочком удаляются прочь бесчисленными налетающими частицами окружения.

Трудно было бы представить более удовлетворительное решение проблемы квантового измерения. Будучи более реалистичными и отказываясь от упрощающего предположения, которое игнорирует окружающую среду, — упрощения, которое было критически важным на ранних этапах развития квантовой механики, — мы бы обнаружили, что квантовая механика имеет встроенное решение проблемы измерения. Сознание человека, люди-экспериментаторы и наблюдения людьми не играли бы больше особой роли, поскольку они (мы!) были бы просто элементами окружающей среды, подобными молекулам воздуха и фотонам, которые могут взаимодействовать с данной физической системой. Также больше не было бы пропасти между эволюцией объекта и эволюцией при измерении этого объекта экспериментатором. Всё сущее — наблюдаемое и наблюдатель — существовало бы на одинаковом основании. Всё сущее — наблюдаемое и наблюдатель — подчинялось бы в точности одним и тем же квантово-механическим законам, как установлено уравнением Шрёдингера. Акт измерения больше не являлся бы чем-то специальным; он просто был бы одним из специальных примеров взаимодействия системы с окружающей средой.

Вот оно? Декогеренция разрешила проблему квантового измерения? Декогеренция ответственна за то, что волновая функция закрывает дверь всем, кроме одного потенциального исхода, к которому она может привести? Некоторые так думают. Такие исследователи, как Роберт Гриффитс из Карнеги Меллон, Роланд Омнес из Орси, нобелевский лауреат Мюррей Гелл-Манн из института Санта-Фе и Джим Хартл из Калифорнийского университета в Санта-Барбаре достигли большого прогресса и утверждают, что они развили представление о декогеренции до состояния завершённой концепции (названной декогерентными историями), которая решает проблему измерения. Другие, вроде меня, заинтригованы, но ещё полностью не убеждены. Вы видите, что сила декогеренции в том, что она успешно удаляет искусственный барьер, установленный Бором между большими и малыми физическими системами, делая всё сущее управляемым одними и теми же квантово-механическим формулами. Это большой прогресс и, я думаю, Бор нашёл бы его вызывающим удовлетворение. Хотя нерешённая проблема квантового измерения никогда не мешала физикам проводить теоретические расчёты, согласующиеся с экспериментальными данными, она привела Бора и его коллег к квантово-механической системе взглядов с некоторыми явно неуклюжими свойствами. Многие находят, что система взглядов, нуждающаяся в неясном представлении о коллапсе волновой функции или неточном понятии «больших» систем, принадлежащих классической физике, слаба. Приняв во внимание декогеренцию, исследователи в значительной степени сделали эти смутные идеи необязательными.

Однако ключевая проблема, которую я обошёл в обсуждении, заключается в том, что хотя декогеренция подавляет квантовую интерференцию и поэтому заставляет таинственные квантовые вероятности быть похожими на их привычных классических двойников, каждый потенциальный результат, включённый в волновую функцию, всё ещё соперничает за реализацию. Так что мы всё ещё остаёмся в неведении, какой результат «победит» и куда «уйдут» другие возможности, когда это реально произойдёт. Когда подбрасывается монета, классическая физика даёт ответ на аналогичный вопрос. Она говорит, что если вы исследуете способ, которым подброшена монета, вы можете, в принципе, с адекватной точностью предсказать, упадёт она орлом или решкой. Следовательно, более внимательный анализ показывает, что деталями, которые вы сначала упустили, был определён в точности один результат. В квантовой физике нельзя сказать то же самое. Декогеренция позволяет интерпретировать квантовые вероятности почти как классические, но не даёт точных деталей, которые объясняют, как из множества возможных исходов выбирается один для действительной реализации.

Почти в духе Бора некоторые физики думают, что поиски объяснений таких вещей, как причина возникновения отдельного определённого результата, неконструктивны. Эти физики утверждают, что квантовая механика, дополненная теорией декогеренции, является жёстко сформулированной теорией, предсказания которой описывают поведение лабораторных измерительных приборов. И, в соответствии с этой точкой зрения, это и есть цель науки. Попытки отыскать объяснение, что реально происходит, попытки побороться за понимание, как получился частный результат в опыте, попытки отыскать другой уровень реальности за показаниями детектора и компьютерными распечатками представляются как неоправданная интеллектуальная жадность.

Многие другие, включая меня, придерживаются другого взгляда. Объяснение данных — вот что является предметом науки. Многие физики думают, что наука должна включать в себя также и теории, которые, подтверждая экспериментальные данные, идут дальше к максимальному проникновению в природу реальности. Я сильно подозреваю, что ещё многое предстоит понять, чтобы сдвинуться в направлении полного решения проблемы измерений.

Так что, хотя многие согласны, что вызванная окружающей средой декогеренция является важнейшей частью структуры, перекидывающей мост над пропастью между квантовым и классическим, и в то время как многие надеются, что эти соображения однажды приведут к полной и убедительной связи между этими двумя областями, далеко не каждый убеждён, что мост уже полностью построен.

Квантовая механика и стрела времени

Итак, в каком же состоянии находится проблема измерений и что это означает для стрелы времени? Грубо говоря, имеется два класса предложений, для того чтобы связать здравый смысл с квантовой реальностью. В первом классе (например, волновая функция как знание, многомировая интерпретация, декогеренция) нет ничего, кроме уравнения Шрёдингера; все предложения просто обеспечивают различные способы интерпретации того, что уравнение означает для физической реальности.

Во втором классе (например, Бом, Жирарди–Римини–Вебер) уравнение Шрёдингера должно быть дополнено другими уравнениями (в случае подхода Бома уравнением, которое показывает, как волновая функция направляет частицу в её движении) или должно быть модифицировано (в случае подхода Жирарди–Римини–Вебера путём включения нового явного механизма коллапса). Ключевой вопрос для определения того, как эти предложения влияют на стрелу времени, заключается в том, вводят ли они фундаментальную асимметрию между разными направлениями во времени. Вспомним, что уравнение Шрёдингера, равно как и уравнения Ньютона, Максвелла и Эйнштейна, рассматривает прямое и обратное направления во времени совершенно одинаково. Это не обеспечивает стрелы для эволюции во времени. Меняют ли это положение какие-либо из предложений решения проблемы измерения?

В первом классе предложений шрёдингеровская система взглядов совсем не модифицируется, так что симметрия времени сохраняется. Во втором классе симметрия времени может уцелеть, а может и не уцелеть, в зависимости от деталей. Например, подход Бома, предложившего новое уравнение, трактует будущее и прошлое на равных основаниях, так что не вводит асимметрии. Однако предложение Жирарди–Римини–Вебера вводит механизм коллапса, который выделяет стрелу времени — «расколлапсирование», когда волновая функция изменяется от пикообразной формы, являющейся результатом коллапса, к распределённой форме без резких пиков, не удовлетворяя модифицированным уравнениям Шрёдингера. Так что, в зависимости от конкретного предложения, квантовая механика, вместе с решением загадки квантового измерения, либо трактует каждое направление времени одинаково, либо нет. Рассмотрим следствия каждой возможности.

Если симметрия времени сохраняется (я полагаю, так и будет), все обоснования и все заключения прошлой главы могут быть использованы с минимальными изменениями и для квантовой области. Суть той физики, которая инициировала наше обсуждение стрелы времени, заключалась в симметрии классической физики по отношению к обращению времени. В то время как язык и структура квантовой физики отличаются от классической физики — волновые функции вместо положений и скоростей; уравнение Шрёдингера вместо законов Ньютона, — симметрия по отношению к обращению времени всех квантовых уравнений гарантирует, что трактовка стрелы времени остаётся без изменений. Энтропия в квантовом мире может быть определена в основном так же, как в классической физике при условии, что мы описываем частицы в терминах их волновых функций. И вывод, что энтропия должна всегда возрастать, — как в направлении, которое мы называем будущим, так и в направлении, которое мы называем прошлым, — всё ещё будет действителен.

Так что мы приходим к той же головоломке, с которой мы столкнулись в главе 6. Если мы принимаем наши наблюдения мира прямо сейчас как данные, как неоспоримо реальные, и если энтропия должна возрастать как по направлению в будущее, так и по направлению в прошлое, как мы объясним, что мир имеет вид, который он имеет, и как он будет в последующем разворачиваться во времени? Снова присутствуют те же две возможности: или всё, что мы видим, неожиданно появилось в результате статистической флуктуации, возникновение которой можно ожидать время от времени в вечной Вселенной, которая растрачивает впустую значительную часть своего времени, оставаясь полностью разупорядоченной, или по некоторым причинам энтропия была поразительно низкой сразу после Большого взрыва и поэтому последние 14 млрд лет всё могло медленно развиваться и продолжит развиваться в будущем. Как и в главе 6, чтобы избежать трясины неверия в память и в записи и в законы физики, мы выберем вторую альтернативу — низкоэнтропийный взрыв — и попытаемся найти объяснение, как и почему всё началось в таком особом состоянии.

Если, с другой стороны, симметрия времени потеряна (если решение проблемы измерения, которое однажды станет общепризнанным, покажет фундаментально асимметричное рассмотрение будущего по отношению к прошлому в квантовой механике), это легко может обеспечить самое прямое объяснение стрелы времени. Может оказаться, например, что яйца разбиваются, но не собираются обратно, потому что существует решение квантово-механических уравнений для разбивающегося яйца, а для собирающегося обратно — нет, в отличие от того, что мы имели с использованием законов классической физики. Тогда обратный просмотр фильма о разбивающемся яйце покажет движение, которое не может произойти в реальном мире, что и объяснит, почему мы никогда такого не видим.

Возможно. Но, хотя это и выглядело бы как существенно иное объяснение стрелы времени, на самом деле оно может оказаться не настолько иным, как кажется. Как мы подчёркивали в главе 6, чтобы страницы романа «Война и мир» становились всё более разупорядоченными, они должны сначала быть упорядоченными; яйцо, чтобы стать неупорядоченным, когда оно разбито, должно быть сначала упорядоченным, целым яйцом; энтропия, чтобы возрастать по направлению в будущее, должна быть низкой в прошлом, так что вещи должны иметь потенциал упорядоченности, чтобы стать неупорядоченными. Однако только то, что закон трактует прошлое и будущее по-разному, не даёт гарантии, что закон предсказывает прошлое с более низкой энтропией. Закон всё ещё может подразумевать увеличение энтропии в направлении прошлого (возможно, энтропия будет расти по направлению в прошлое и в будущее асимметрично), и даже возможно, что асимметричный во времени закон будет вовсе неспособен сказать что-либо о прошлом. Последнее верно для предложения Жирарди–Римини–Вебера, одного из существующих предложений, в которых нарушается симметрия времени. Когда предложенный ими механизм коллапса выполняет свой трюк, то нет способа отменить его — нет способа начать от сколлапсировавшей волновой функции и вернуть её к первоначальной форме. Точная форма волновой функции теряется в коллапсе (она превращается в узкий пик), так что невозможно только на основании этого пика реконструировать волновую функцию до коллапса.

Таким образом, хотя асимметричный во времени закон мог бы обеспечить частичное объяснение того, почему вещи разворачиваются в одном временно́м порядке и никогда в обратном, он может потребовать того же ключевого дополнения, которого требуют и симметричные во времени законы: объяснение того, почему энтропия была низкой в удалённом прошлом. Определённо, это верно для асимметричных во времени модификаций квантовой механики, которые были предложены до настоящего времени. Итак, если только какое-то будущее открытие не продемонстрирует две особенности, которые я рассматриваю как маловероятные, — асимметричное во времени решение проблемы квантовых измерений, которое бы дополнительно гарантировало, что энтропия уменьшается по направлению в прошлое, — наши усилия объяснить стрелу времени снова приведут нас к происхождению Вселенной, теме следующей части книги.

Как будет ясно из этих глав, анализ проблем космологии проходит через многие тайны и ведёт к самому сердцу пространства, времени и материи. Так что в путешествии по направлению к современным космологическим представлениям о стреле времени будет полезнее не нестись галопом вперёд, а скорее совершить обстоятельную прогулку по космической истории.

Часть III. Пространство-время и космология

Глава 8. О снежинках и пространстве-времени

Симметрия и эволюция космоса

Ричард Фейнман однажды сказал, что если бы ему пришлось описать самое важное открытие современной науки в одном предложении, он выбрал бы «Мир состоит из атомов». Когда мы осознаём, что наше понимание Вселенной так зависит от свойств и взаимодействий атомов, — начиная с причин, по которым светят звёзды и небо голубое, и до объяснения, почему вы чувствуете эту книгу в своих руках и видите эти слова своими глазами, — мы способны правильно оценить выбор Фейнмана для выделения квинтэссенции нашего научного наследия. Многие из сегодняшних ведущих учёных согласны, что если бы было предложено второе высказывание, они бы выбрали «Симметрия лежит в основе законов Вселенной». На протяжении последних нескольких сотен лет в науке было много переворотов, но самые прочные открытия имеют общую особенность: они определяют свойства естественного мира, которые остаются неизменными, даже когда подвергаются широкому набору преобразований. Эти неизменяемые свойства отражают то, что физики называют симметриями, и они имеют всё возрастающее и жизненно важное значение во многих крупнейших достижениях. Это даёт достаточное доказательство того, что симметрия — во всех её таинственных и тонких проявлениях — излучает яркий свет в темноту, где истина ожидает своего открытия.

Мы увидим, что история Вселенной — это в значительной степени история симметрии. Самые главные моменты эволюции Вселенной — это те, в которых равновесие и порядок внезапно изменялись, создавая космические арены, качественно отличные от арен предшествующих эпох. Современная теория придерживается точки зрения, что Вселенная пережила несколько таких переходов на протяжении самых ранних моментов её существования и что всё, с чем мы когда-либо сталкивались, является материальным следом более ранней, более симметричной космической эпохи. Но имеется даже ещё более глубокий смысл, сверхсмысл, в котором симметрия является ядром эволюционирующего космоса. Само время тесно переплетено с симметрией. Как станет ясно, практический скрытый смысл времени как меры изменения, точно так же как само существование той разновидности космического времени, которая позволяет осмысленно говорить о вещах вроде «возраста и эволюции Вселенной в целом», ощутимо зависит от свойств симметрии. И когда учёные исследуют эту эволюцию, бросая взгляды назад, к началу, в поиске истинной природы пространства и времени, симметрия оказывается самым надёжным гидом, приводящим к догадкам и ответам, которые иначе были бы недостижимы.

Симметрия и законы физики

Симметрия встречается на каждом шагу. Возьмите в руку бильярдный шар и покрутите его по-всякому — поверните его вокруг любой оси, — и он будет выглядеть в точности таким же. Поместите простую круглую обеденную тарелку на подставку и вращайте относительно её центра: она выглядит абсолютно неизменно. Осторожно поймайте недавно образовавшуюся снежинку и поверните её так, чтобы каждая вершина переместилась в положение, которое ранее занимала соседняя вершина, и вы с трудом сможете заметить, что вообще что-то делали с ней. Возьмите букву «А», поверните её относительно вертикальной оси, проходящей через вершину, и вы получите совершенную копию оригинала.

Как ясно из этих примеров, симметрии объекта — это манипуляции над ним, настоящие или воображаемые, при которых его внешний вид не подвергается изменениям. Чем разнообразнее преобразования, которые объект может перенести без заметного влияния на свой внешний вид, тем более симметричным он является. Идеальная сфера имеет очень высокую симметрию, поскольку любое вращение вокруг её центра — вокруг вертикальной оси, горизонтальной оси или, фактически, любой оси — не меняет её вида. Куб менее симметричен, поскольку только вращения на углы по 90° относительно осей, которые проходят через центры его граней (или комбинации таких вращений), оставляют его неизменным. Конечно, если кто-то осуществит любое другое вращение, как на рис. 8.1в, вы всё ещё можете распознать куб, но также ясно увидите, что кто-то его поворачивал. Наоборот, симметрии похожи на самого ловкого вора; это преобразования, которые не оставляют улик.

Рис. 8.1. Если куб, такой как на (а), поворачивать на 90° один или несколько раз относительно осей, проходящих через любую из его граней, он выглядит не изменившимся, как на (б). Но любые другие вращения можно заметить (в)

Всё это примеры симметрий объектов в пространстве. Симметрии, лежащие в основе известных законов физики, тесно связаны с этими симметриями, но сконцентрируемся на более абстрактном вопросе: какие манипуляции — реальные или воображаемые — могут быть проделаны над вами или над окружающей средой, такие что они совершенно не будут влиять на законы, которые описывают наблюдаемые вами физические явления? Отметим, что для того чтобы быть симметриями, преобразования не обязательно должны оставлять ваши наблюдения неизменными. Вместо этого мы интересуемся, изменяются ли законы, управляющие такими наблюдениями, — остаются ли неизменными законы, которые объясняют, что вы видели до некоторых манипуляций, и законы, которые объясняют то, что вы видите после некоторых манипуляций. Поскольку это центральная идея, рассмотрим её в действии на некоторых примерах.

Представьте себе, что вы олимпийский гимнаст и в течение последних четырёх лет вы старательно тренировались в вашем гимнастическом центре в Коннектикуте. Постоянными повторениями вы довели каждое движение вашей программы до совершенства — вы знаете точно, как сильно надо оттолкнуться от перекладины для выполнения соскока, как высоко надо подпрыгнуть в упражнении на ковре для выхода с двойным пируэтом, как быстро надо крутануться на брусьях, чтобы запустить ваше тело в восхитительный соскок с двойным кульбитом. В сущности, вашему телу присуще врождённое чувство законов Ньютона, поскольку это именно те законы, которые управляют движением вашего тела. Теперь, когда вы, наконец, выполняете упражнения перед переполненным залом в Нью-Йорке, месте проведения олимпийских состязаний, вы рассчитываете, что будут выполняться те же самые законы, поэтому вы планируете выполнить ваши упражнения в точности так, как на тренировке. Всё, что мы знаем о законах Ньютона, заставляет вас верить в свою стратегию. Законы Ньютона не зависят от местоположения. Они не действуют по-разному в Коннектикуте и в Нью-Йорке. Наоборот, мы верим, что эти законы работают в точности одинаково вне зависимости от того, где вы находитесь. Даже если вы измените местоположение, законы, которые управляют движением вашего тела, останутся неизменными, как это было с внешним видом поворачивающегося бильярдного шара.

Эта симметрия известна как трансляционная симметрия или трансляционная инвариантность. Она применима не только к законам Ньютона, но также и к законам электромагнетизма Максвелла, к специальной и общей теориям относительности Эйнштейна, к квантовой механике и к любому серьёзному утверждению современной физики.

Тем не менее отметим один важный момент. Ваши наблюдения и ощущения могут и иногда будут изменяться в зависимости от местоположения. Если вы будете выполнять гимнастические упражнения на Луне, то обнаружите, что высота прыжка в ответ на ту же силу толчка будет совсем другой. Но мы вполне понимаем это частное отличие, и оно уже встроено в сами законы. Луна менее массивна, чем Земля, поэтому на ней действует меньшее гравитационное притяжение; в итоге ваше тело двигается по другой траектории. И этот факт — что гравитационное притяжение тела зависит от его массы — является составной частью ньютоновского закона гравитации (так же как и составной частью более точной общей теории относительности Эйнштейна). Разница между вашими земными и лунными ощущениями не означает, что закон гравитации изменился из-за местоположения. В действительности, эта разница просто отражает отличия окружающей среды, с которыми закон гравитации уже согласован. Итак, когда мы говорим, что известные законы физики одинаково применимы в Коннектикуте или в Нью-Йорке (или на Луне), это будет верно, но помните, что может потребоваться учёт отличий в окружающей среде. Тем не менее, и это ключевое заключение, обеспечиваемая законами природы система объяснений совершенно не меняется при изменении местоположения. Изменение в местоположении не требует от физика возврата к грифельной доске для вывода новых законов.

Законы физики не обязаны действовать таким образом. Мы можем представить Вселенную, в которой физические законы меняются так же, как местные и национальные правительства; мы можем представить Вселенную, в которой законы физики, с которыми мы обычно имеем дело, ничего не говорят о законах физики на Луне, в галактике Андромеды, в Крабовидной туманности или на другом конце Вселенной. Фактически, мы не можем быть абсолютно уверены, что законы, которые работают здесь, являются теми же, которые работают в дальних уголках космоса. Но мы знаем, что если законы каким-то образом и отличаются, то это должно происходить где-то очень далеко, так как всё более точные астрономические наблюдения обеспечивают всё более убедительные свидетельства в пользу того, что законы однородны в пространстве, по крайней мере в видимом нами пространстве. Это показывает поразительную силу симметрии. Мы связаны с планетой Земля и её окрестностями. И всё же, благодаря трансляционной симметрии мы можем, не покидая дома, получить знания о фундаментальных законах, работающих во всей Вселенной, поскольку законы, которые мы открываем здесь, являются законами и там.

Вращательная симметрия, или вращательная инвариантность, является близкой родственницей трансляционной инвариантности. Она основывается на идее, что каждое пространственное направление равноправно с любым другим. Вид с Земли определённо не приводит вас к такому заключению. Когда вы смотрите вверх, вы видите вещи, очень отличающиеся от тех, что вы видите внизу. Но, опять, это отражает детали окружения; это не характеризует фундаментальные законы сами по себе. Если вы покинули Землю и плаваете в пустом пространстве, далеко от любых звёзд, галактик или иных небесных тел, симметрия становится очевидной: там нет ничего, что отличило бы одно частное направление в чёрной пустоте от другого. Они все равноправны. Вы даже не станете задумываться, в каком положении должна находиться в глубоком космосе лаборатория, созданная для исследования свойств материи или сил, поскольку основополагающие законы нечувствительны к такому выбору. Если однажды ночью некий шутник изменит установки лабораторных гироскопов, вынудив их повернуться на некоторое число градусов относительно некоторой специальной оси, можно ожидать, что это не будет иметь каких-либо следствий для законов физики, изучаемых вашими экспериментами. Каждое измерение будет подтверждать это ожидание. Таким образом, мы уверены, что законы, которые управляют вашими экспериментами и объясняют найденные результаты, нечувствительны к вашему местоположению (это трансляционная симметрия), а также к тому, как вы сориентированы в пространстве (это вращательная симметрия){152}.

Как мы обсуждали в главе 3, Галилей и другие были хорошо осведомлены и о другой симметрии, которую должны соблюдать законы физики. Если ваша удалённая в пространстве лаборатория двигается с постоянной скоростью — не имеет значения, двигаетесь ли вы со скоростью 5 км/ч туда или 100 000 км/ч сюда, — движение абсолютно не должно влиять на законы, которые объясняют ваши наблюдения, поскольку вы так же правы, как и ваш сосед, утверждая, что покоитесь вы, а двигается что-то другое. Как мы видели, Эйнштейн расширил эту симметрию совершенно неожиданным образом, включив скорость света в число наблюдений, которые не зависят ни от вашего движения, ни от движения источника света. Это был ошеломляющий ход, поскольку мы обычно считаем информацию о скорости объекта второстепенными деталями окружения, полагая, что в общем случае наблюдаемая скорость зависит от движения наблюдателя. Но Эйнштейн, различая сияние симметрии сквозь трещины фасада ньютоновской природы, вознёс скорость света на уровень несокрушимого закона природы, объявив её независимой от движения, как вид бильярдного шара не зависит от его поворотов.

Общая теория относительности, следующее великое открытие Эйнштейна, встала на путь теорий с ещё большей симметрией. Точно так, как вы можете думать о специальной теории относительности как о теории, устанавливающей симметрию среди всех наблюдателей, двигающихся друг относительно друга с постоянной скоростью, вы можете думать об общей теории относительности как о теории, идущей на шаг дальше и устанавливающей симметрию также и среди всех ускоренных систем отсчёта. Это экстраординарно, поскольку, как мы подчёркивали, хотя вы и не можете чувствовать движение с постоянной скоростью, но вы можете почувствовать ускоренное движение. Может показаться, что законы физики, описывающие ваши наблюдения, должны непременно изменяться при ускорении, чтобы оценить добавочные силы, которые вы чувствуете. Это так в случае ньютоновского подхода; его законы — это первое, что появляется во всех учебниках по физике для первого года обучения, и они должны быть изменены, если используются ускоренным наблюдателем. Но благодаря принципу эквивалентности, который обсуждался в главе 3, Эйнштейн осознал, что силы, ощущаемые при ускоренном движении, неотличимы от сил, которые вы чувствуете в гравитационном поле подходящей интенсивности (чем больше ускорение, тем больше гравитационное поле). Так что в соответствии с эйнштейновской, более тонкой точкой зрения, когда вы ускоряетесь, законы физики не изменяются, коль скоро вы включаете подходящее гравитационное поле в описание окружения. Общая теория относительности рассматривает всех наблюдателей, даже тех, которые двигаются с произвольной переменной скоростью, одинаково, — они полностью симметричны, — поскольку каждый может утверждать, что он покоится при условии отнесения различных сил, которые он чувствует, к влиянию различных гравитационных полей. Различия в наблюдениях различных ускоренных наблюдателей, следовательно, более не являются удивительными и говорят об изменении законов природы не больше, чем отличия при выполнении гимнастических упражнений на Земле или на Луне{153}.

Эти примеры дают некоторое представление, почему многие считают (и, я думаю, Фейнман согласился бы с ними), что многочисленные симметрии, лежащие в основании законов природы, занимают (с минимальным отрывом) второе место вслед за атомной гипотезой в списке наших наиболее глубоких научных достижений. Но это ещё не всё. В течение последних нескольких десятилетий физики подняли принципы симметрии на самую верхнюю ступеньку лестницы научных объяснений. Когда вы сталкиваетесь с возможным законом природы, естественные вопросы, которые должны быть заданы, таковы: почему этот закон? почему специальная теория относительности? почему общая теория относительности? почему максвелловская теория электромагнетизма? почему теория Янга–Миллса сильных и слабых ядерных сил (которую мы коротко рассмотрим)? Один важный ответ состоит в том, что эти теории дают предсказания, которые раз за разом подтверждаются точными экспериментами. Это существенно для доверия, которое физики испытывают к этим теориям, но за кадром остаётся нечто важное.

Физики также верят этим теориям, потому что в некотором трудно объяснимом смысле они это непосредственно ощущают, и идея симметрии существенна для этого ощущения. Непосредственно ощущается, что во Вселенной нет места, которое как-то специально выделено по сравнению с любым другим, поэтому физики доверяют утверждению, что трансляционная симметрия должна быть среди симметрий законов природы. Непосредственно ощущается, что нет выделенного движения с постоянной скоростью, поэтому физики доверяют утверждению, что специальная теория относительности, полностью отражая симметрию между всеми наблюдателями, движущимися с постоянной скоростью, является существенной частью законов природы. Более того, непосредственно ощущается, что любая точка отсчёта для наблюдения — независимо от её возможного ускоренного движения — должна быть так же применима, как и любая другая, так что физики верят, что общая теория относительности, простейшая теория, включающая эту симметрию, находится среди глубоких истин, управляющих природными явлениями. И, как мы скоро увидим, теории трёх сил, отличных от гравитации, — электромагнетизма, сильного и слабого ядерных взаимодействий — основываются на других, несколько более абстрактных, но равно убедительных принципах симметрии. Так что симметрии природы не являются просто следствиями законов природы. С нашей современной точки зрения симметрии являются почвой, из которой произрастают законы.

Симметрия и время

Кроме своей роли в определении характера законов, управляющих силами природы, идеи симметрии жизненно важны и для концепции самого времени. Никто пока не нашёл ясного, фундаментального определения времени, но, несомненно, часть роли времени в структуре космоса заключается в том, что оно является счетоводом изменений. Мы ощущаем, что время пролетело, замечаем, что вещи теперь отличаются от того, какими они были раньше. Часовая стрелка на часах указывает на другую цифру, солнце занимает на небе другое положение, страницы в непереплетённом экземпляре книги «Война и мир» стали более перемешанными, углекислый газ, который вырвался из бутылки колы, занял больший объём, — всё это говорит о том, что вещи изменились, и время есть то, что обеспечивает возможность осуществления таких изменений. Перефразируя Джона Уилера, время есть способ природы удержания всего — т. е. всех изменений — так, чтобы всё не произошло сразу.

Таким образом, существование времени связано с отсутствием определённой симметрии: вещи во Вселенной должны изменяться от момента к моменту, для того чтобы мы вообще могли определить понятие от момента к моменту, которое как-то представляет наше интуитивное представление времени. Если имеется полная симметрия между существующим положением вещей, и тем, что было, и изменения от момента к моменту имеют не больше последствий, чем изменения при повороте бильярдного шара, время, в нашем обычном представлении, не могло бы существовать{154}. Это не означает, что экспансия пространства-времени, схематически показанная на рис. 5.1, не могла бы существовать — она могла бы. Но, поскольку вдоль оси времени всё было бы совершенно однородно, не было бы никакого смысла, в котором Вселенная эволюционирует или изменяется. Время было бы абстрактным свойством такой арены реальности — четвёртым измерением в пространственно-временно́м континууме, — но, с другой стороны, оно было бы нераспознаваемым.

Тем не менее, хотя существование времени равнозначно отсутствию некоторой определённой симметрии, его применение в космических масштабах требует от Вселенной уважительно относиться к другой симметрии. Идея проста и отвечает на вопрос, который мог появиться у вас при чтении главы 3. Если теория относительности учит нас, что течение времени зависит от того, как быстро вы двигаетесь, и от гравитационного поля, в котором вы находитесь, тогда что должны означать слова астрономов и физиков о всей Вселенной, имеющей определённый возраст — возраст, который в наши дни оценивается приблизительно в 14 млрд лет? 14 млрд лет по отношению к кому? 14 млрд лет по каким часам? Придут ли существа, живущие в далёкой галактике Головастика, к заключению, что Вселенной 14 млрд лет, и если так, что будет гарантировать, что их часы тикают синхронно нашим? Ответ связан с симметрией — симметрией в пространстве.

Если бы ваши глаза могли видеть свет, длина волны которого значительно больше, чем у оранжевого или красного света, вы могли бы не только видеть внутренности вашей микроволновой печки в момент её включения, но также видели бы слабое и почти однородное зарево на том, что мы воспринимаем как тёмное ночное небо. Более сорока лет назад учёные открыли, что Вселенная наполнена микроволновым излучением — светом с большой длиной волны, — которое является холодным остатком жарких условий сразу после Большого взрыва{155}. Это космическое микроволновое фоновое излучение совершенно безопасно. Раньше оно было значительно горячее, но в ходе эволюции и расширения Вселенной плотность излучения постепенно снижалась и температура падала. Сегодня его температура составляет всего около 2,7° выше абсолютного нуля, и самое заметное его проявление в качестве источника неприятностей заключается в его вкладе в небольшую часть «снега», который вы видите по телевизору при отключённом кабеле или при настройке на канал, по которому не ведётся вещание.

Но эти слабые радиопомехи дают астрономам то же, что кости тираннозавров дают палеонтологам: окно в ранние эпохи, которое играет ключевую роль в реконструкции того, что происходило в удалённом прошлом. Существенное свойство излучения, обнаруженное точными спутниковыми измерениями на протяжении последнего десятилетия, состоит в том, что оно предельно однородно. Температура излучения в одной части неба отличается от температуры в другой части неба менее чем на тысячную долю градуса. На земле такая симметрия сделала бы телевизионные каналы с прогнозом погоды неинтересными. Если в Джакарте 30°C, вы бы знали наверняка, что в Аделаиде, Шанхае, Кливленде, Анкоридже и где угодно температура будет между 29,999°C и 30,001°C. Наоборот, в космических масштабах однородность температуры излучения чрезвычайно интересна, так как она позволяет прийти к двум очень важным выводам.

Во-первых, она обеспечивает наблюдательное свидетельство того, что на ранних этапах развития Вселенная не была заполнена большими и тяжёлыми высокоэнтропийными скоплениями материи, такими как чёрные дыры, поскольку такая неоднородная среда должна была бы оставить отпечаток неоднородности и на излучении. Наоборот, однородность температуры излучения подтверждает, что молодая Вселенная была однородной; и, как мы видели в главе 6, однородность означает низкую энтропию, если гравитация играет важную роль, — как это и было в ранней плотной Вселенной. И это хорошо, поскольку наше обсуждение стрелы времени существенно опиралось на то, что Вселенная стартовала с низкой энтропией. Продвинуться в объяснении этого наблюдения как можно дальше — это одна из наших целей в этой части книги. Мы хотим понять, как могло возникнуть однородное, низкоэнтропийное и очень маловероятное, состояние ранней Вселенной. Это позволит нам сделать большой шаг к пониманию причин стрелы времени.

Во-вторых, хотя Вселенная эволюционировала после Большого взрыва, в среднем эволюция должна была быть почти одинаковой в разных местах космоса. Ввиду того что температуры здесь, и в галактике Водоворот, и в скоплении галактик Волосы Вероники, и где угодно ещё согласуются с точностью до четвёртого знака после запятой, физические условия в каждой области пространства должны изменяться после Большого взрыва существенно одинаковым образом. Это важный вывод, но нужно правильно его интерпретировать. Взгляд на ночное небо определённо показывает разнообразие космоса: различные планеты и звёзды разбросаны там и тут по пространству. Суть, однако, в том, что когда мы анализируем эволюцию целой Вселенной, мы рассматриваем макроскопическую перспективу, которая получается усреднением по этим «мелкомасштабным» отклонениям, и крупномасштабные средние оказываются почти совершенно однородными. Представьте себе стакан воды. В масштабе молекул вода в высшей степени неоднородна: здесь имеется молекула H₂O, затем пустое пространство, затем другая молекула H₂O и т. д. Но если мы усредним по мелкомасштабной молекулярной неоднородности и исследуем воду в «больших», повседневных масштабах, мы можем увидеть невооружённым глазом, что вода в стакане выглядит совершенно однородной. Неоднородность, которую мы видим, глядя на небо, подобна микроскопическому виду на отдельные молекулы H₂O. Но, как и в случае стакана воды, когда Вселенная изучается в достаточно больших масштабах, — масштабах порядка сотен миллионов световых лет[156], — она становится предельно однородной. Таким образом, однородность излучения является «ископаемым» свидетельством однородности как законов физики, так и деталей среды везде в космосе.

Это заключение является весьма примечательным, поскольку однородность Вселенной позволяет определить концепцию времени, применимую для Вселенной как целого. Если мы принимаем меру изменений в качестве рабочего определения истёкшего времени, то однородность условий везде в пространстве является свидетельством однородности изменений везде в космосе, что предполагает также и однородность прошедшего времени. Точно так же, как однородность земной геологической структуры позволяет геологу в Америке, и такому же геологу в Африке, и другому в Азии прийти к согласию относительно возраста земной истории, однородность космической эволюции всюду в пространстве позволяет физику в галактике Млечного Пути, и такому же физику в галактике Андромеды и другому в галактике Головастика прийти в целом к согласию по поводу возраста и истории Вселенной. Конкретно, однородная эволюция Вселенной означает, что часы здесь, часы в галактике Андромеды и часы в галактике Головастика будут в среднем отсчитывать время примерно одинаковым образом. Таким образом, однородность пространства обеспечивает универсальную синхронизацию.

Поскольку я отложил важные детали (такие как расширение пространства, освещаемое в следующем разделе), выделим ядро проблемы: время располагается на перепутье симметрии. Если Вселенная имеет абсолютную временную симметрию — если она совершенно не меняется, — было бы трудно определить даже, что время означает. С другой стороны, если Вселенная не имеет симметрии в пространстве — если, например, фоновое излучение было бы совершенно случайным, имея сильно различающуюся температуру в разных областях, — время с космологической точки зрения имело бы мало смысла. Часы в разных местах отсчитывали бы время с разной скоростью, так что, если бы вы спросили, что было, когда возраст Вселенной составлял 3 млрд лет, ответ зависел бы от того, по чьим часам вы отмеряете эти 3 млрд лет. Вот тогда было бы сложно. К счастью, наша Вселенная не имеет столько симметрии, чтобы сделать время бессмысленным, но имеет достаточно симметрии, чтобы мы могли избежать таких сложностей, позволяя нам говорить о её общем возрасте и её общей эволюции во времени.

Итак, теперь обратим внимание на эту эволюцию и рассмотрим историю Вселенной.

Растяжение ткани

История Вселенной звучит как нечто грандиозное, но в рамках грубого, эскизного наброска является неожиданно простой и зависит по большому счёту всего от одного существенного факта: Вселенная расширяется. Поскольку это является самым центральным элементом космической истории и, несомненно, вообще является одним из наиболее глубоких открытий, сделанных когда-либо, рассмотрим прежде, как это стало известно.

В 1929 г. Эдвин Хаббл, используя 100-дюймовый телескоп в обсерватории Маунт-Вильсон в Пасадене, штат Калифорния, обнаружил, что пара дюжин галактик, которые он смог обнаружить, все разбегаются в стороны{157}. Фактически Хаббл выяснил, что чем дальше галактика, тем быстрее она удаляется. Чтобы дать представление о величинах, заметим, что более полные версии оригинальных наблюдений Хаббла (изучались тысячи галактик, в том числе с использованием космического телескопа «Хаббл») показывают, что галактики, которые удалены от нас на 100 млн световых лет, удаляются со скоростью около 10,2 млн км/ч, те же, до которых 200 млн световых лет, удаляются в два раза быстрее, около 20,4 млн км/ч, а те, до которых 300 млн световых лет, улетают в три раза быстрее, около 30,6 млн км/ч, и т. д. Открытие Хаббла было шокирующим, поскольку господствовавшие научные и философские убеждения состояли в том, что Вселенная, в большом масштабе, должна быть статической, вечной и неизменной. Но Хаббл одним ударом вдребезги разбил эту точку зрения. И в поразительном соответствии теории и эксперимента, общая теория относительности Эйнштейна оказалась способной обеспечить прекрасное объяснение открытия Хаббла.

Действительно, не нужно думать, что получить объяснение слишком сложно. В конце концов, если вы, проходя мимо завода, вдруг увидите, что во все стороны от него летят различные материалы, то вероятно подумаете, что на заводе что-то взорвалось. Если вы проследите назад по времени пути металлических кусков и бетонных блоков, вы найдёте, что все они сходятся в месте, которое является вероятным кандидатом на место взрыва. По тем же самым причинам, поскольку вид с Земли — как свидетельствуют наблюдения Хаббла и последующие — показывает, что галактики разлетаются, вы можете подумать, что наше положение в пространстве было местом древнего взрыва, который однородно разбросал исходный материал звёзд и галактик. Проблема с этой теорией в том, что она выделяет одну область в пространстве — нашу область — как уникальную, поскольку делает её местом рождения Вселенной. Будь так, это повлекло бы за собой глубокую асимметрию: физические условия в областях, удалённых от изначального взрыва — удалённых от нас, — сильно отличались бы от условий здесь. Поскольку в астрономических данных нет подтверждения такой асимметрии и, более того, поскольку мы с большим подозрением относимся к антропоцентрическим объяснениям, замешанным на докоперниковском мышлении, требуется более изощрённая интерпретация открытия Хаббла, в которой наше положение не занимает выделенного места в космосе.

Общая теория относительности обеспечивает такую интерпретацию. В этой теории Эйнштейн выяснил, что пространство и время являются подвижными и растяжимыми, а не жёсткими и раз и навсегда фиксированными; и он дал уравнения, которые точно говорят, как пространство и время откликаются на присутствие материи и энергии. В 1920-е гг. русский математик и метеоролог Александр Фридман и бельгийский священник и астроном Жорж Леметр независимо проанализировали уравнения Эйнштейна применительно ко всей Вселенной, и оба нашли нечто поразительное. Точно так же, как из-за гравитационного притяжения Земли бейсбольный мяч, запущенный кетчером свечой вверх, должен либо двигаться вверх, либо падать вниз, но, определённо, не может стоять на месте (исключая одно мгновение, когда он достигает своей высшей точки), так и Фридман и Леметр обнаружили, что из-за гравитационного притяжения материи и излучения, распространяющегося по всему космосу, ткань пространства должна либо растягиваться, либо сжиматься, но что она не может сохранять фиксированного размера. Фактически, это один из редких примеров, в которых метафора схватывает не только суть физики, но также и её математическое содержание, поскольку, как оказалось, уравнения, управляющие высотой полёта бейсбольного мяча над землёй, почти идентичны уравнениям Эйнштейна, управляющим размером Вселенной{158}.

Подвижность пространства в общей теории относительности даёт способ для глубокого объяснения открытия Хаббла. Вместо того чтобы объяснять разбегание галактик космической версией взрыва на заводе, общая теория относительности говорит, что в течение миллиардов лет пространство растягивается. И по мере разбухания пространство растаскивает галактики друг от друга, подобно тому как чёрные пятнышки на посыпанном маком пироге удаляются друг от друга, когда тесто поднимается в печи. Так что причина движения галактик в разные стороны не во взрыве, который имел место внутри пространства. Нет, движение в разные стороны возникает из непрекращающегося растяжения самого пространства.

Чтобы лучше ухватить эту ключевую идею, подумаем также о чрезвычайно полезной модели расширяющейся Вселенной в виде воздушного шара, которую часто используют физики (аналогия, столь же давняя, как весёлая карикатура, которую вы можете увидеть в примечании{159} и которая появилась в голландской газете в 1930 г. после интервью с Виллемом де Ситтером, учёным, который внёс большой вклад в космологию). Эта аналогия уподобляет наше трёхмерное пространство двумерной поверхности сферического воздушного шара (как на рис. 8.2а), который раздувается до всё большего и большего размера. Галактики представлены многочисленными равномерно распределёнными монетками пенни с портретом Линкольна, приклеенными к поверхности шара. Так как шар раздувается, все монетки удаляются друг от друга, обеспечивая простую аналогию того, как расширяющееся пространство разносит галактики.

Рис. 8.2. (а) Если равномерно распределённые монетки приклеены к поверхности сферы, вид, который увидит один Линкольн, изображённый на монетке, будет таким же, который увидит любой другой. Это соответствует тому, что вид из любой галактики во Вселенной в среднем будет таким же, как из любой другой. (б) Если сфера раздувается, расстояния между всеми монетками увеличиваются. Более того, чем дальше монетки друг от друга разнесены на (а), тем больше увеличится между ними расстояние на (б). Это хорошо согласуется с измерениями, которые показывают, что чем более удалена от данной точки отсчёта галактика, тем быстрее она удаляется от этой точки. Отметим, что ни одна монетка не была выделена как специальная, что также согласуется с нашей уверенностью, что во Вселенной ни одна галактика не является как-то выделенной или центром расширения пространства

Важная особенность этой модели состоит в том, что имеется полная симметрия монеток, поскольку вид, который наблюдает какой-либо отдельно взятый Линкольн, будет таким же, как и вид, который наблюдает любой другой Линкольн. Чтобы показать это, представьте, что вы уменьшились, попали на монетку и обозреваете все направления вдоль поверхности шара (вспомним, что в этой аналогии поверхность шара представляет всё пространство, так что взгляд не вдоль поверхности шара лишён смысла). Что вы будете видеть? Конечно, вы увидите монетки, удаляющиеся от вас во всех направлениях, так как шар раздувается. А если вы перейдёте на другую монетку, что вы будете наблюдать? Симметрия гарантирует, что вы будете видеть то же самое: монетки, разбегающиеся во всех направлениях. Этот осязаемый образ хорошо подкрепляет наши убеждения — при поддержке всё более точных астрономических исследований, — что наблюдатель в любой из более чем 100 млрд галактик Вселенной, вглядывающийся в своё ночное небо через мощный телескоп, будет в среднем видеть образ, сходный с тем, что видим мы: окружающие галактики, удаляющиеся прочь во всех направлениях.