Как появилась Вселенная? Большие и маленькие вопросы о космосе

В конце XIX века наука подбиралась к осознанию того, что всё состоит из атомов, а газы, изучению которых в основном и была посвящена термодинамика, тоже состоят из почти неисчислимого количества отдельных атомов, сталкивающихся друг с другом и снующих повсюду. Такие величины, как температура и давление, – просто проявления этой атомной суеты.

Здесь демоны!

Теоретически, если бы мы знали точные положения всех атомов в определённом количестве газа, а также скорости и направления их движения, мы могли бы вычислить их будущие траектории и столкновения. Тогда не было бы никакой нужды в термодинамике. Но на практике атомов и их индивидуальных движений просто-напросто слишком много, чтобы такие вычисления было можно выполнить. Джеймс Клерк Максвелл, который вывел уравнения электромагнетизма, тоже задавался этим вопросом. Размышляя о движениях атомов в газах, он представил себе действия воображаемого демона, крошечного существа, способного видеть каждый отдельный атом и точно знающего их параметры.[48] Этому демону были бы ещё известны точные положения и скорости всех атомов и фотонов во Вселенной. Тогда он мог бы вычислить последующую эволюцию каждого.

В милой и простой Вселенной Ньютона и Эйнштейна законы физики – абсолютно детерминистские. Всё, что требовалось бы от демона, – использовать все текущие положения и скорости как начальные условия и подставить их в уравнения Ньютона и Эйнштейна. Тогда мы могли бы сказать, где каждый атом и фотон окажется в будущем.

Конечно, никакого демона нет. И на практике такое предприятие было бы невозможно. Но, в теории, некое устройство, которое бы функционировало как этот демон, не противоречит никаким законам физики. Идея «демона Максвелла» обсуждается уже более полутораста лет, и споры не утихают. Её значение, которое состоит в том, что термодинамика связана с понятием информации, таит в себе противоречие.[49] Мы все представляем себе информацию как описание предмета или ситуации. А термодинамика, с другой стороны, сводится к теплоте и потоку энергии. Эти две концепции выглядят настолько разными, настолько несвязанными, что сам факт их возможной связи выглядит, скажем так, странно.

Некоторым кажется, что идея «демона Максвелла» заводит слишком далеко, а решения этого парадокса размывают связь между термодинамикой и информацией. Но многие предложения по поводу того, как избавиться от демона, основаны на инструменте, который мы сейчас считаем вполне надёжным: на квантовой физике.

Предсказания выглядят во многом иначе, когда мы рассматриваем квантовые законы. Как учит Гейзенберг, у частицы нет строго определённых положения и скорости, так что разговор заходит в тупик. Мы знаем, что физические законы на очень малых масштабах определяются квантовой механикой. Значит, придётся принимать её правила во внимание, если мы хотим вычислить ход развития Вселенной как целого. А квантовая механика описывает свойства частиц не положением и скоростью, а более эзотерической волновой функцией, о которой мы поговорим в следующем разделе. Индивидуальные же частицы на самом деле вовсе не индивидуальны, а «запутаны», связаны друг с другом. Так что группа индивидуальных электронов представляется не группой индивидуальных волновых функций, а единой волновой функцией, представляющей их все. Если мы распространим это представление на все атомы, частицы и фотоны во Вселенной, не значит ли это, что мы можем записать единую волновую функцию всего? Может быть, Вселенная – и правда квантовый объект?

Волновая функция – штука настолько хитрая, что физики до сих пор спорят о ней. Каждый лагерь воюет с остальными, отстаивая свою интерпретацию этого понятия. Эти лагеря иногда носят имена своих вождей: бомианцы, эвереттисты, «кубисты» (от QB – квантовое байесианство), «копенгагенцы»[50]

. Но в чём заключается интерпретация волновой функции и почему эта функция вообще нуждается в интерпретации[51]? Чтобы ответить, придётся снова отправиться в начало XX столетия.

Волна размером со Вселенную