Наука Плоского мира. Книга 4. День Страшного Суда - Пратчетт Терри Дэвид Джон
Вспомните о суете, поднявшейся вокруг неправильного поведения «Пионера-10» и «Пионера-11», начавших необъяснимым образом тормозить? Это были первые космические зонды, отправленные к внешним планетам Солнечной системы, таким как Юпитер и Нептун. Из-за гравитационного притяжения Солнца их скорость постепенно замедлялась, однако она была достаточно высока и позволяла его преодолеть, позволив аппаратам покинуть со временем пределы Солнечной системы. Когда аппараты находились на том же расстоянии от Солнца, как и Уран, наблюдатели заметили, что скорость теряется несколько быстрее, чем объяснялось гравитацией: примерно на одну миллиардную долю метра в секунду за секунду. После долгих чесаний затылков в 2011 году был опубликован отчёт, объяснивший, что причина могла крыться в особенностях теплового излучения аппарата, создававшего небольшое давление.
Здесь декорацией служит один из основных физических законов, а именно закон гравитации, на фоне которого разворачивается история полёта космического корабля. Pan narrans считает, что космический корабль и есть самое интересное, поскольку не вписывается в существующий закон.
Видимо, наш разум эволюционировал в условиях, при которых исключениям придавался особый вес. Айзек Азимов, плодовитый писатель-фантаст и популяризатор науки, писал: «Самые волнующие слова, которые можно услышать от учёных, те самые, которые только и предвещают новые открытия, это вовсе не «Эврика!», а «Как забавно…» Законопослушные планеты и кометы банальны и не стоят нашего внимания. Точно так же мы находим скучной огромную массу покорных чужой воле людей, предпочитая им истории о злодеях и ведьмах. Поэтому среди персонажей Плоского мира мы сразу выделяем ведьму-матушку Ветровоск или исторического монаха, а по совместительству метельщика Лю-Цзе. Именно исключения придают для нас смысл законам.
Но являются ли законы, вроде того же закона всемирного тяготения, единственными, неповторимыми и универсальными истинами? Изобретёт ли какой-нибудь инопланетный разум такую же теорию всемирного тяготения или это исключительно человеческое свойство – видеть в падении яблока лунную орбиту и всю Солнечную систему? А вдруг существует принципиально иной способ описания Солнечной системы?
Аналогичным образом, когда Томсон возился с электронно-лучевыми трубками, он понятия не имел, что занимается разделением электронных пучков, излучаемых атомами. Если бы всё началось не с электрона, а с какой-нибудь другой частицы, развели бы мы тот же самый «зоопарк» элементарных частиц или нет? И если нет, описание «реальности» было бы таким же верным, как и существующее ныне?
Физики в большинстве своём так не считают. Они совершенно уверены, что все эти частицы существуют в действительности и в любом случае были бы найдены. В то же время, какие именно частицы считаются реальными, определяется теоретической моделью, которую вы используете в исследованиях. Десять лет назад набор частиц отличался от нынешнего, и кто может сказать, каким он будет через десять лет?
Рассмотрим этот вопрос более подробно на примере развития квантовой механики. Базовым законом здесь является уравнение Шрёдингера, описывающее состояние квантовой системы как распространяющейся волны. Однако, похоже, обнаружить эту волну экспериментальным путём нельзя. Наблюдения за квантовыми системами дают конкретные результаты, причём любое наблюдение оказывает влияние на эту гипотетическую волну. Так что вы никогда не можете быть уверены, что в следующий раз будете наблюдать то же самое. Видимо, эта неопределённость и привела к некоторым дополнительным интерпретациям теории: квантовая волна превратилась в волну вероятностей, говоря нам о том, насколько возможно каждое из состояний и какова вероятность того или иного исхода, но ничего не сообщая о текущем состоянии системы. Или что при измерении волновая функция «коллапсирует» до единственно возможного состояния, и так далее. К настоящему времени последняя интерпретация превратилась в непререкаемую догму, а попытки найти альтернативные объяснения отвергаются с порога. Существует даже соответствующее математическое обоснование, так называемая теорема Белла, которая якобы доказывает, что квантовая механика не может быть встроена в более развёрнутую детерминированную локальную модель, не допускающую мгновенного обмена информацией между источниками, разнесёнными на большие расстояния.
Несмотря на всё вышесказанное, квантовая неопределённость представляет проблему для нашего pan narrans. Откуда природе известно, что ей надо делать? Именно это кроется за знаменитым высказыванием Эйнштейна о боге, который играет или, вернее, не играет с нами в кости. Поколения физиков уже свыклись с этой проблемой, тогда как математики уверены, что всё это просто так и не стоит волноваться об интерпретациях. Однако для выведения математических следствий требуются дополнительные предположения. В результате вопрос «На что это похоже?» может быть следствием этих допущений, а не исходных математических выкладок.
Забавно, что и мы, и Эйнштейн использовали в качестве образа случайности игральную кость. Игральная кость имеет кубическую форму, и её отскоки подчиняются вполне определённым законам механики. По идее, как только кость покидает вашу ладонь, вы могли бы предсказать результат. Конечно, с построением модели придётся-таки повозиться, однако в некотором идеальном случае всё, казалось бы, должно получиться. И, тем не менее, это не так. Причина в том, что углы кости создают огромное количество мелких погрешностей. Это та же ипостась хаоса, что и эффект бабочки, отличающаяся только формально.
Математическая вероятность падения кости на ту или иную грань в качестве инвариантной меры вытекает из динамических уравнений: она равна 1 к 6 для каждой грани. В каком-то смысле инвариантная мера похожа на квантовую волновую функцию. Вы можете рассчитать её с помощью динамических уравнений и использовать при прогнозировании статистического поведения, но не можете наблюдать её непосредственно. Зато её можно вывести из многократно повторенных экспериментов. И даже более того: можно сказать, что наблюдаемое значение (конечное состояние кости) является коллапсом волновой функции. Стол и сила трения понуждают кость принять равновесное состояние, то есть осуществить одно из шести вероятных. Наблюдаемую величину волновой функции определяет скрытая динамика катящейся и отскакивающей от стола кости. В волновой функции эта динамика вообще не описана. Таким образом, она затрагивает новые «скрытые параметры».
Вы наверняка задались вопросом, существует ли что-то подобное в квантовом мире. Что же, квантовая волновая функция может оказаться не более чем одной из глав этой истории.
Когда были сформулированы базовые положения квантовой механики, теории хаоса ещё не существовало. А если бы она уже имелась, развитие квантовой механики могло пойти иным путём, потому что теория хаоса полагает детерминированную динамику способной в точности имитировать случайность. Если игнорировать некоторые тонкости детерминированных систем, то действительно может показаться, что всё на свете определяется случайным броском монетки. Если же вы не понимаете, что детерминизм может имитировать случайность, у вас не останется никакой надежды связать кажущуюся хаотичность квантовых систем с каким-либо детерминирующим законом. Впрочем, теорема Белла в любом случае убивает всю эту идею на корню. Вот только на самом деле всё совсем не так. Существуют хаотичные системы, сильно напоминающие квантовые, которые детерминированно генерируют кажущуюся хаотичность и, что важнее всего, никоим образом не противоречат теореме Белла.
Над этими моделями придётся ещё много поработать, прежде чем они смогут конкурировать с общепринятой квантовой теорией, если это в принципе возможно. Те же самые проблемы, что и с «Роллс-Ройсом»: если испытывать лишь такие конструкции автомобиля, которые должны превзойти существующие практически идеальные «Роллеры», прогресс станет невозможным. Ни одному новичку не удастся сместить то, что давно и прочно устоялось. И всё же нам любопытно, как бы развернулись события, если бы теория хаоса появилась раньше квантовой механики. Если бы физики работали в среде, которая допускает существование детерминизма в кажущейся случайностью, то придумали бы они ту же самую теорию или нет?
