Терри Пратчетт – Наука плоского мира IV: Судный день (страница 39)

Действительно ли законы наподобие гравитации можно считать особыми, уникальными утверждениями, которые в определенном смысле отражает универсальные истины. Придет ли в голову инопланетянам теория вроде всемирного тяготения, или же в падении яблок есть некая исключительно человеческая черта, которая наводит наш разум на мысль о лунных орбитах и солнечных система? Что если солнечные системы можно описать совершенно иным способом?

Когда Томсон начал развлекаться с катодно-лучевыми трубками, он точно так же не имел ни малейшего понятия, что занимается разделением электронных пучков, раскалывая атомы на части. Если бы мы начали не с электрона, а с какой-нибудь другой частицы, и попытались обнаружить зоопарк всех остальных частиц, отличался бы он от того зоопарка, который мы имеем сейчас? Или мы бы придумали совершенно иной зоопарк, который, тем не менее, описывает «реальный мир» так же точно, как и имеющийся в нашем распоряжении?

Физики в общем и целом не разделяют эту точку зрения; они верят в том, что эти частицы существуют в действительности, и научные изыскания в любом случае привели бы нас к одному и тому же зоопарку. Но ведь открывая тот или иной зоопарк, мы руководствуемся конкретной теоретической моделью. Десять лет назад у них был один зоопарк, а еще через десять лет…

Чтобы осветить этот вопрос более подробно, обратимся к развитию квантовой механики. Роль основного закона здесь играет уравнение Шредингера, которое описывает состояние квантовой системы в виде распространяющейся волны. Однако обнаружить саму волну экспериментальным путем, по-видимому, нельзя. Наблюдая за квантовой системой, мы получаем конкретные результаты, но каждое из наших наблюдений вносит искажения в эту гипотетическую волну. Поэтому у нас нет уверенности в том, что следующее наблюдение относится к той же самой волне. Эта, по-видимому, неустранимая неопределенность привела к тому, что в интерпретации квантовой теории появились кое-какие дополнительные особенности: квантовая волна стала считаться волной вероятности, которая сообщает нам шансы любого конкретного исхода, но ничего не говорит о текущем состоянии; в результате измерения волновая функция «коллапсирует» до единственного состояния и так далее. В наше время эта интерпретация стала напоминать общепринятую догму, а попытки альтернативных объяснений игнорируются без всякого разбора. Существует даже математическое утверждение, теорема Белла, которое якобы доказывает, что квантовая механика не является вложением более общей детерминированной локальной модели, то есть модели, запрещающей мгновенный обмен информацией между объектами, разделенными большим расстоянием.

Но вне зависимости от вышесказанного Pan narrans испытывает трудности с квантовой неопределенностью. Откуда природа знает, как ей поступить? Именно эта идея лежит в основе знаменитого высказывания Эйнштейна о боге, который (не) играет в кости. Поколения физиков свыклись с этой проблемой математики утверждают, что «все так и есть», и нет нужды беспокоиться об интерпретациях. Но это вовсе не так просто, потому что вывод следствий из математических выкладок требует некоторых вспомогательных допущений. Вопрос «На что это похоже?» вполне может быть следствием этих допущений, а не математической составляющей как таковой.

Интересно, что и мы, и Эйнштейн, используем игральную кость в качестве символа случайности. Игральная кость имеет форму куба, а ее броски и отскакивания подчиняются детерминистским законам механики. В принципе у вас должна быть возможность предсказывать исход броска сразу после того, как игральная кость вылетает из руки. Конечно, моделирование вызывает определенные затруднения, однако это утверждение должно быть истинным, если речь идет, по крайней мере, об идеальной модели. Тем не менее, это не так, и причиной тому служит увеличение крошечных погрешностей описания в уголках кости. Это разновидность хаоса, которая имеет отношение к эффекту бабочки, хотя и, строго говоря, от него отличается.

С математической точки зрения вероятности падения кости на одну из своих граней выводятся из динамических уравнений, где они играют роль так называемой инвариантной меры. Каждая грань имеет один шанс из шести. В некотором смысле инвариантная мера аналогична квантовой волновой функции. Ее можно рассчитать, исходя из динамических уравнений, и использовать для предсказания статистического поведения, однако ее прямое наблюдение невозможно. Она выводится на основе многократного повторения экспериментов. Кроме того, в определенном смысле эта волновая функция «коллапсирует» в результате наблюдения (конечного состояния кости). Стол и сила трения заставляют игральную кость перейти в одно из шести состояний равновесия. Наблюдаемое значение волновой функции зависит от скрытой динамики кости, которая катится и отскакивает от стола. В волновой функции она никоим образом не зашифрована. Она связана с дополнительными «скрытыми переменными».

Сам собой напрашивается вопрос: может быть, нечто подобное происходит и в квантовой мире? Возможно, квантовая волновая функция это лишь часть всей истории.

На момент создания квантовой механики теории хаоса еще не существовало. В противном случае ее развитие вполне могло пойти по другому пути, так как теория хаоса утверждает, что случайность можно идеально имитировать в рамках детерминированной динамики. Если не обращать внимания на тончайшие детали детерминированной системы, то внешне она будет выглядеть, как случайные броски монеты. Так вот, если вы не понимаете, что детерминизм способен имитировать случайность, то вам никогда не удастся связать видимость случайного поведения квантовых систем с какими-либо детерминистскими законами. Впрочем, с теоремой Белла эта идея все равно становится бесперспективной. Вот только… на самом деле это не так. Существуют хаотические системы, которые весьма похожи на квантовые, порождают видимую случайность детерминированным образом и, что особенно важно, совершенно не противоречат теореме Белла.

Но даже если это возможно, потребуется затратить гораздо больше усилий, прежде чем эти модели смогут составить настоящую конкуренцию традиционной квантовой теории. Здесь дает о себе знать проблема Роллс-Ройса: если мы станет отбирать только те конструкции автомобиля, которые способны превзойти Роллер, то инновации станут невозможны. Ни один новичок не сможет сместить то, что уже заняло прочную позицию. И все же мы не можем удержаться от вопроса: что если бы теория хаоса появилась до первых работ в области квантовой механики? Создали бы ученые ту же самую теорию, если бы их работа происходила в совершенно ином контексте, допускающем непротиворечивое сочетание детерминированных моделей с видимой случайностью?

Может быть однако некоторые аспекты стандартной теории во многом кажутся бессмысленными. В частности, с математической точки зрения наблюдение представляет собой простой и понятный процесс, в то время как для реальных наблюдений требуются измерительные приборы, описание которых на квантово-механическом уровне навсегда останется непостижимым из-за своей огромной сложности. Большая часть парадоксальных черт квантовой теории основаны на нестыковках между особым дополнением к уравнению Шредингера и фактическим процессом наблюдения, но не уравнениях как таковых. А значит, можно предположить, что в перезапущенной истории наш «закон», описывающий квантовые системы, мог оказаться совершенно иным, а Шредингеру не пришлось бы знакомить нам со своим загадочным котом.

Возможно, современные законы физики обладают неповторимостью и уникальностью, а возможно, их место вполне мог занять другой набор утверждений, но законах в целом можно сказать кое-что еще. А также об их исключениях и особенно об их преодолении. Этот слово вовсе не означает, что законы нарушаются. Мы хотим лишь сказать, что законы могут утратить свое значение из-за изменившегося контекста аэробус, к примеру, преодолевает гравитацию, используя воздушные потоки позади крыльев.

В качестве примера мы возьмем закон Ома, потому что он выглядит простым.

По отношению к электричеству материя в сущности делится на два вида изоляторы и проводники. Если она является проводником, то к ней применим закон Ома: сила тока равна напряжению, деленному на сопротивление. Таким образом при фиксированном сопротивлении для получения большей силы тока требуется большее напряжение. Однако сопротивление может меняться, и именно эта возможность лежит в основе некоторых природных явлений молния, к примеру, превращает изолирующий атмосферный газ в проводящий ионизированный канал для электрического удара или шаровую молнию, которая по сути сворачивается в поверхность шара. Как аномалии, эти явления непроизвольно привлекают к себе интерес. Еще мы можем выделывать разные фокусы, используя проводники с переменным сопротивлением от термоэлектронных ламп 1920-х до (на данный момент) полупроводников типа транзисторов. Этот фокус лежит в основе компьютерной индустрия.

Открытие сверхпроводящих то есть лишенных сопротивления сплавов вблизи абсолютного нуля стало довольно интересной аномалией, которая по мере появления сплавов, не проявляющих электрического сопротивления при все более высоких температурах, обещает открыть перед нами совершенно новую энергетическую технологию. Интерес представляет все, что не вписывается в картину закона Ома: ведьмы, космические корабли.