Мир физики и физика мира. Простые законы мироздания - Джим Аль-Халили

никакой сложности, она неожиданно возникает во всей своей красе, при этом совершенно не нарушая второй закон термодинамики. Область науки, занимающаяся такого рода непредсказуемым поведением, известна как область комплексных систем, и она начинает играть основную скрипку во многих сферах, таких как биология, экономика и искусственный интеллект.

Таким образом, вполне может быть, что наша Вселенная является совершенно детерминированной системой, а всякая непредсказуемость относительно ее будущего связана только с нашей собственной неспособностью точно узнать, что же будет дальше.

Это, в свою очередь, может объясняться либо тем, что на квантовом уровне мы не способны наблюдать за состоянием системы, не вторгаясь в нее и не воздействуя тем самым на результат, либо тем, что на практике нам недоступны абсолютные знания о системе, а накопление неточностей означает, что мы не можем с уверенностью предсказать будущее.

Что такое время

Теперь, когда мы бегло познакомились с детерминизмом и произвольностью в физике, давайте снова вернемся к основной теме этой главы, а именно – к направленности времени с точки зрения законов термодинамики. Обратите внимание, ранее я уже знакомил вас с тремя различными взглядами на то, что есть время, причем каждый из них основан на одном из столпов физики.

Во-первых, согласно специальной теории относительности время не абсолютно; оно не бежит вперед независимо от событий, происходящих в трехмерном пространстве, – напротив, его следует свести с пространством в единый четырехмерный пространственно-временной комплекс. И это не просто математический фокус. Такой подход логически следует из свойств реального мира, он вновь и вновь подвергается экспериментальной проверке и каждый раз не противоречит устройству Вселенной. Теория всемирного тяготения Эйнштейна (общая теория относительности) декларирует, что пространство-время и есть гравитационное поле – чем сильнее поле, тем большему искривлению подвергается пространство-время. Таким образом, из теории относительности следует: время является составной частью физической ткани Вселенной, измерением, которое может быть растянуто или сжато силой тяготения.

Этот подход совершенно отличен от несколько заурядной роли, которая отводится времени в квантовой механике, где оно не более чем один из параметров – число, которое подставляется в уравнение. Если мы знаем, каково было состояние системы в некий момент времени t1, то можем рассчитать ее состояние в любой другой момент времени t2 и так далее. Можно двигаться и в обратном направлении; зная состояние системы в более поздний момент времени t2, мы можем вычислить ее состояние в более ранний момент времени t1. Стрела времени в квантовой механике имеет обратимый характер.

В термодинамике у времени появляется еще один смысл. Здесь оно не является ни параметром, ни измерением – оно становится необратимой стрелой, направленной из прошлого в будущее, в сторону увеличения энтропии.

Многие физики считают, что в один прекрасный день нам удастся свести воедино все три понимания времени. Ведь мы еще не услышали последнего слова в области квантовой механики, поскольку до сих пор полностью не понимаем, каким образом детерминированные уравнения, которые описывают динамику квантового состояния (притом что время может течь в обоих направлениях), соотносятся с необратимым, однонаправленным процессом измерения. Стремительно развивающаяся квантовая информационная теория подсказывает нам, что то, каким образом развивается и взаимодействует с окружением квантовая система, очень похоже на то, как нагретый предмет передает свое тепло в более прохладную окружающую среду. Это, возможно, сблизит квантовую механику и термодинамику.

Один эксперимент, проведенный в 2018 году в Австралии, в Университете Квинсленда, ярко продемонстрировал, насколько загадочно все это выглядит на квантовом уровне, – ведь события там происходят не в причинно-следственном порядке. По сути, в физике причинно-следственные отношения означают, что если событие А происходит до события В (в определенных временных рамках), то А, возможно, повлияло или даже вызвало событие В. Однако событие В никак не могло повлиять или вызвать событие А. На квантовом же уровне, как было показано, эта логическая цепочка оказывается нарушенной. Это привело некоторых физиков к выводу, что на квантовом уровне стрела времени на самом деле не существует; она представляет собой подвижную характеристику, которая проявляется, только когда мы уменьшаем масштаб до макроуровня.

Однако именно поиск решения, как же согласовать два первых основных закона физики, целый век занимал умы многих ученых. Некоторые посвящали всю жизнь тому, чтобы попытаться свести квантовую механику и общую теорию относительности к одной всеобъемлющей теории квантового притяжения. Этому единению двух важнейших идей в физике ХХ века и посвящена следующая глава.

Глава 7. Унификация

Неуемное желание физиков-теоретиков достичь теоретической унификации, то есть объединить законы природы и свести их в единую стройную математическую теорию всего, часто кажется не более чем навязчивым стремлением к простоте и компактности, попыткой «упаковать» всю сложность природных явлений, используя минимальный набор основных принципов. На самом деле все не так просто. Чем больше мы узнавали о природных процессах, чем больше связей мы обнаруживали между на первый взгляд не связанными силами и частицами, тем меньше правил и принципов нам требовалось для объяснения все более широкого круга явлений. Унификация – это не какая-то цель, которую мы сознательно перед собой поставили; она сформировалась независимо от нас в результате все более глубокого понимания физического мира. Однако успех в этом деле, безусловно, связан с определенной эстетической привлекательностью, которая заставляет нас двигаться дальше в этом направлении. И тут мы добились очень многого.

С математической точки зрения стремление унифицировать законы физики было часто связано с поиском абстрактной симметрии, неких моделей, за которыми скрываются фундаментальные истины, связанные с природными процессами. В главе 2 вы уже видели доказательства принципа центральной симметрии, который связан с законами сохранения энергии и импульса. Боюсь, однако, что для истинного понимания значения и роли, которую сыграли за последний век различные виды симметрии в теоретической физике, нам не хватит объема этой небольшой книги.

Погоня за унифицированной теорией иногда трактуется как попытка собрать все силы природы под одним зонтиком и предположить, что существует всего одна «суперсила» и что различные виды взаимодействия в природе (электромагнетизм, гравитация, а также две силы ближнего действия внутри атомного ядра) – это различные аспекты действия этой единой силы. Пока что физикам неплохо удается развивать