Ли Смолин. Возрожденное время: От кризиса в физике к будущему вселенной - Юрий Артамонов

    Но изредка в нашей истории человеческая изобретательность приводит к творению новых видов запутанных состояний. Мы только учимся делать это, и если эти новые гипотезы верны, результаты экспериментов с квантовыми компьютерами могут быть неожиданными. Наконец, это, вероятно, уязвимо для фальсификации в экспериментах с квантовыми приборами, которые производят новые запутанные состояния. Это противоречит фундаментальному принципу редукционизма, согласно которому будущее составной системы, не имеет значение, какой сложности, может быть предсказано путем задания только знания о силах, существующих между парами элементарных частиц. Но сопутствующие нарушения редукционизма редкие и мягкие, так что я буду твердить, что разумно позволить эксперименту рассудить.

    Это новое понимание квантовой физики осуществляет два критерия для космологической теории. Оно удовлетворяет требованию объяснительной замкнутости (хотя и в ограниченной форме, которая допускает подлинную свободу в новых случаях). Принцип прецедента говорит, что результаты будущих измерений определяет именно коллекция прошлых случаев. Эти случаи были реальны, так что мы имеем только влияние вещей, которые были реальны в прошлом, на вещи, которые будут реальны в будущем. Ясно, что это также удовлетворяет критерию эволюции законов, и делается это тоже вызывающе,

к оглавлению

предполагая, что беспрецедентные измерения не управляются предшествующим законом. Когда результаты накопятся, прецедент будет установлен; только когда установлен достаточный прецедент, будущие исходы экспериментов станут подобны законам.

    Когда в природе возникает новое состояние, развиваются новые законы, чтобы управлять им - что предполагает, что фундаментальные взаимодействия, которые мы наблюдаем и описываем Стандартной Моделью Физики Частиц, возникают из 'фиксации' новых законов, когда состояния, соответствующие электронам, кваркам и их родственникам, впервые появляются, когда вселенная охлаждалась вскоре после Большого Взрыва.

    Кое-что в этом новом предложении не удовлетворяет принципу достаточного обоснования. В той степени, в которой квантовые системы на самом деле свободны - в смысле, что индивидуальные результаты недетерминированы - принцип достаточного обоснования разрушен, тогда нет рационального обоснования для исхода индивидуального эксперимента. Тут просто нет оснований для определения, когда распадаются радиоактивные ядра, или для точных результатов любого из других случаев, для которых квантовая механика дает только вероятностные предсказания.

    Какой бы ни была судьба этой идеи - а, как и для любой умозрительной новой идеи, мы должны ожидать, что она может провалиться, - мы можем видеть плодотворность гипотезы о реальности времени. Реальность времени это не только метафизическое рассуждение; это гипотеза, способная инспирировать новые идеи и привести в движение крепкую исследовательскую программу.

к оглавлению

13

Битва относительности и квантов

    Принцип достаточного основания является центральным для программы расширения физики до масштаба вселенной как целого, поскольку он устанавливает в качестве цели открытие рационального основания для любого выбора, который делает природа. Очевидно свободное, не обусловленное причиной поведение индивидуальной квантовой системы представляет грозный вызов для этого принципа.

    Может ли требование достаточного основания быть удовлетворено даже в квантовой физике? Это зависит от того, можно ли расширить квантовую механику на вселенную как целое и сделать возможным наиболее фундаментальное описание природы или она только приближение к сильно отличающейся космологической теории. Если мы можем расширить квантовую теорию до вселенной как целого, то теорема о свободе воли применима на космологическом масштабе. Поскольку мы предполагаем, что нет более фундаментальной теории, это подразумевает, что природа действительно свободна. Свобода квантовых систем на космологическом масштабе будет предполагать ограничение принципа достаточного основания, поскольку рациональное или достаточное основание не может быть дано для мириад свободных выборов, которые делают квантовые системы.

    Но, предлагая указанное расширение квантовой механики, мы совершаем

к оглавлению

космологическую ошибку, вырывая теорию из ограниченной области, внутри которой ее можно сравнить с экспериментом. Более осторожной реакцией будет исследование гипотезы, что квантовая физика суть только аппроксимация, применимая только для малых подсистем. Недостающая информация, необходимая, чтобы определить, что будет делать квантовая система, может все еще присутствовать где-то во вселенной, так что эта информация вступит в игру, когда мы внедрим квантовое описание малой подсистемы в теорию вселенной как целого.

    Могла бы существовать детерминистическая космологическая теория, которая давала бы начало квантовой физике всякий раз, когда мы изолируем подсистему и игнорируем остаток? Ответ - да, но, как мы собираемся убедиться, речь идет о высокой цене.

    В соответствии с такой теорией квантовые вероятности имеют место только вследствие нашего игнорирования целой вселенной, и вероятности дают путь для определения исходов экспериментов на уровне вселенной как целого. Квантовые неопределенности происходят, когда космологическая теория урезается для описания малой части вселенной.

    Такая теория названа теорией скрытых переменных, поскольку квантовые неопределенности разрешаются посредством информации о вселенной, которая скрыта от экспериментатора, работающего с изолированной квантовой системой. Теории такого вида предлагались и давали предсказания для квантовых явлений, которые согласуются с такими же предсказаниями квантовой физики. Так что мы знаем, что, по меньшей мере, в принципе, такой способ решения проблем квантовой механики возможен. Более того, если путем расширения квантовой теории до теории целой вселенной будет реставрирован детерминизм, то скрытые переменные должны работать не с более точным описанием индивидуальной квантовой системы, а с соотношением этой системы с остальной вселенной. Поэтому мы можем их назвать реляционными скрытыми переменными.

    Согласно принципу максимальной свободы, описанному в последней главе, квантовая теория есть вероятностная теория, в которой внутренние неопределенности велики настолько, насколько это возможно. Другой способ определить это заключается в том, что информация об атоме, которая будет нам необходима для реставрации детерминизма и которая закодирована в соотношениях между этим атомом и вселенной как целым, максимальна. Это означает, что свойства каждой частицы во вселенной максимально

к оглавлению

заморожены в скрытых отношениях со вселенной как целым. Поэтому проблема придания смысла квантовой теории является центральной в поиске новой космологической теории, на что указывают другие аргументы этой книги.

    Тут имеется цена за признание: Это означает отказ от относительности одновременности и возврат к картине мира, в котором абсолютное определение одновременности поддерживается по всей вселенной.

    Тут мы должны действовать осторожно - мы не хотим вступать в противоречие с успехами теории относительности. Среди них имеется удачный брак СТО и квантовой теории, называемый квантовой теорией поля. Она является базисом для Стандартной Модели Физики Частиц и делает великое множество точных предсказаний, которые были поддержаны результатами многих экспериментов.

    Квантовая теория поля, однако, не существует вне своих проблем. Среди них то, что еще до извлечения каких-либо предсказаний приходится играть в хитрые игры с бесконечными числами. Более того, квантовая теория поля наследует все концептуальные проблемы квантовой теории и ничего не предлагает в направлении их разрешения. Эти старые проблемы квантовой теории вместе с новыми проблемами бесконечностей подсказывают, что квантовая теория поля тоже является приближением к более глубокой, более унифицированной теории.

    Таким образом, несмотря на успехи квантовой теории поля многие физики, начиная с Эйнштейна, хотели бы выйти за ее пределы к более глубокой теории, которая даст полное описание каждого индивидуального эксперимента - что, как мы видели, не делает квантовая теория. Их поиски согласованно нашли непримиримый конфликт между квантовой физикой и СТО. Этот конфликт нам нужно понять, когда мы размышляем над возрождением времени в физике.