О происхождении времени. Последняя теория Стивена Хокинга

В 1911 году по приглашению бельгийского промышленника Эрнеста Сольвея пионеры квантовой теории собрались в Брюсселе на одну из самых первых международных физических конференций. Это было время, когда международное сотрудничество культивировалось в Бельгии на уровне государственной политики. Сольвей был свободомыслящим мечтателем, который, впрочем, сколотил состояние на том, что изобрел новый процесс синтеза кальцинированной соды и создал разветвленную сеть ее производства и доставки. Потом он отошел от дел и стал заядлым альпинистом – несколько раз совершал восхождения на Маттерхорн и даже сумел увлечь альпинизмом бельгийского короля Альберта I, что в конечном счете привело к непредвиденным и катастрофическим последствиям[94].

Первый Сольвеевский конгресс, проходивший в шикарном отеле «Метрополь» в центре Брюсселя, быстро приобрел поистине легендарный статус: именно на нем ученые наконец осознали грандиозное революционное значение ранних квантовых идей. Он обозначил водораздел между классической физикой XIX века и физикой квантов, которой суждено было царить в веке XX. Председательствовал на конгрессе знаменитый голландский физик Хендрик Лоренц; в его вступительной речи ясно слышались растерянность и ошеломление, которые этот мэтр классической физики чувствовал при первом столкновении с квантовым миром. «Современные исследователи сталкиваются со все более и более серьезными трудностями, когда пытаются описать движение малых частиц вещества… В настоящее время мы еще далеки от полностью удовлетворительных результатов… Напротив, мы сейчас видим, что оказались в тупике: старые теории оказались не в состоянии проникнуть сквозь тьму, обступившую нас со всех сторон»[95]. Однако на этой конференции, обсудив все, не договорились ни о чем. По-прежнему не было согласия по вопросу о том, можно ли каким-то образом подлатать классическую физику, чтобы она могла приспособиться к существованию квантов. Общее настроение хорошо выразил Эйнштейн: «Квантовая болезнь выглядит все более безнадежной. Никто ничего, в сущности, не знает. Вся эта история доставила бы наслаждение отцам-иезуитам. Общее впечатление от конференции – плач на развалинах Иерусалима».

Все изменилось в середине 1920-х, когда новое поколение квантовых физиков разработало для описания взаимодействия атомов и субатомных частиц фундаментально новый аппарат: квантовую механику.

Центральным положением новой механики стал знаменитый принцип неопределенности, сформулированный молодым немецким гением Вернером Гейзенбергом: невозможно одновременно знать и точное положение частицы, и ее скорость. Сам Гейзенберг выразил это так: «Чем более точно определено положение [частицы], тем с меньшей точностью в этот момент времени известно ее количество движения [или скорость], и наоборот»[96]. Максимум, на что можно надеяться в квантовой механике, – это «размытая картинка», в которой положения и скорости частиц известны приближенно.

В сущности, все измеримые величины подвержены квантовой неопределенности в степени, определяемой принципом Гейзенберга. Эту неопределенность невозможно устранить более внимательным рассмотрением ситуации или измерением параметров частиц при помощи какого-нибудь хитроумного способа, позволяющего обойти указанный принцип. В этом отношении дело обстоит не так, как, скажем, при случайных изменениях курсов акций на фондовой бирже, которые только кажутся непредсказуемыми, – просто люди не располагают всей полнотой информации, необходимой для вычисления будущего поведения курсов ценных бумаг. Квантовая неопределенность Гейзенберга имеет совершенно иную, фундаментальную природу. Соотношение Гейзенберга налагает жесткие ограничения на количество информации, которое в принципе можно извлечь из физических систем. Получается любопытная вещь: квантовая механика оказывается теорией, которая рассказывает нам не только о том, что именно мы знаем, но и о том, чего мы не можем узнать. Именно эта странная особенность окажется ключевой, когда в главах 6 и 7 мы будем рассматривать мультивселенную с квантовой точки зрения.

Великолепным достижением основателей квантовой механики середины 1920-х было описание этой квантовой «размытости» в рамках соответствующего математического формализма. Нет ничего удивительного в том, что построенная ими теория давала гораздо более текучую и скользкую картину механики, чем та, которую предлагал ее привычный классический вариант. Например, квантовая механика потребовала забыть о старинной мечте научного детерминизма, об идее, что наука должна уметь давать точные и определенные предсказания будущего хода событий. Взамен появилось новое представление: мы можем предсказать лишь вероятности различных возможных исходов измерений. Квантовая механика утверждает, что, если мы снова и снова повторяем один и тот же эксперимент, результат его, вообще говоря, не будет каждый раз одним и тем же.