Алексей Семихатов : Что не так с научной картиной мира

Конспект

Скорость света одинакова для всех наблюдателей — независимо от того, бежите вы навстречу прожектору с половиной скорости света или мчитесь от него прочь. Электрон в атоме не находится ни в какой конкретной точке пространства — и это не потому, что мы чего-то не знаем, а потому, что у него буквально нет такого свойства. Вселенная расширяется, но не куда-то, а внутри себя, и у этого расширения нет центра. Каждое из этих утверждений бьёт по здравому смыслу — и каждое подтверждено экспериментами с точностью, которая не снилась никакой другой области человеческого знания. Как вышло, что самая успешная картина мира оказалась настолько чуждой нашей интуиции?

Почему здравый смысл — плохой советчик

Наш повседневный опыт — это опыт существ, живущих в мире малых скоростей, слабой гравитации и гигантских масштабов. Скорость Земли по орбите — тридцать километров в секунду — составляет лишь одну десятитысячную скорости света. Температура вокруг нас — около трёхсот кельвинов, тогда как в центре Солнца царят совершенно иные условия. Если уронить предмет с высоты метра на поверхности Земли, он достигнет пола со скоростью около четырёхсот метров в секунду. На нейтронной звезде тот же предмет, упав с той же высоты, разогнался бы до полутора тысяч километров в секунду. Стоит ли удивляться, что там всё происходит по другим правилам?

Из этого ограниченного опыта мы вывели набор «абсолютов»: время течёт одинаково для всех, расстояния не зависят от наблюдателя, параллельные прямые не пересекаются, пространство — неподвижная «коробка», в которой разворачиваются события. Ни одно из этих убеждений не выдержало проверки, когда наука вышла за пределы обыденного. Как сформулировал Ландау, величие человеческого духа в том, что мы способны понимать вещи, которые не можем себе представить. И главный лозунг здесь прост: не требуйте наглядности — требуйте предсказательной силы.

Невидимые нити Ньютона и рождение абстракций

Даже механика Ньютона, которая кажется нам образцом наглядности, насквозь пронизана абстракциями. Материальная точка — тело, размеры которого несущественны — не существует в природе. Сила у Ньютона никак не определяется: когда её объясняют в школе, долго мычат и показывают примеры, предлагая ученику самому понять, что это такое. Мы не знаем, что такое сила, но идея о том, как сила связана с движением — второй закон Ньютона, — работает блестяще. Для этого, правда, Ньютону пришлось попутно изобрести дифференциальное и интегральное исчисление: без бесконечно малых промежутков времени его физика просто не заработала бы.

Сам Ньютон называл свой закон тяготения абсурдом. Солнце «кричит» через пустоту, без посредничества чего бы то ни было, и заставляет планеты двигаться. С точки зрения здравого смысла «естественнее» было бы предположить невидимые нити, протянутые от Солнца к планетам, — причём хитрые нити, натяжение которых убывает с длиной, а толщина пропорциональна массе планеты. Каждый раз, когда критики предлагают «более наглядную» альтернативу какой-нибудь фундаментальной теории, результат выглядит ничуть не лучше этих воображаемых нитей.

И тем не менее абстрактный закон тяготения предсказал эллиптические орбиты, которые Кеплер установил как экспериментальный факт за два поколения до Ньютона. Те же уравнения предъявили ещё и гиперболические орбиты — траектории тел, прилетающих из бесконечности и уходящих обратно. Через триста лет после Ньютона мы наконец увидели такие объекты: межзвёздный Оумуамуа, комета Борисова и ещё один недавно обнаруженный гость. Когда во время полёта «Аполлона-8» к Луне маленький сын одного из операторов спросил «Who's driving?» — кто за рулём? — астронавт Билл Андерс мгновенно ответил: «Sir Isaac Newton is driving».

Максвелл, свет и удар здравого смысла

Кулон, Эрстед, Ампер и Фарадей за почти сто лет сформулировали эмпирические законы электричества и магнетизма — каждый про свою узкую ситуацию. Молодой Максвелл создал универсальный язык — векторное дифференциальное исчисление — и записал все эти законы единообразно. И тут обнаружилось нечто поразительное: записанные на новом языке, надёжные экспериментальные факты оказались математически противоречивыми. Полтора года Максвелл строил гидродинамические аналогии, пытаясь убедить себя, что ошибка не в его формализме. А потом принял радикальное решение — просто дописал в уравнения одно слагаемое, самое простое, при котором противоречие исчезало. Это слагаемое не следовало ни из какого опыта.

Цена оказалась ошеломляющей: у новых уравнений появились решения, о существовании которых никто не подозревал. Электрическое и магнитное поля поддерживают друг друга и распространяются далеко от источника с постоянной скоростью. Максвелл вычислил эту скорость — и она совпала со скоростью света. Столетиями шли дебаты о природе света, и вопрос был решён не экспериментально, а через решение уравнений, дописанных из головы. Герц потом напрямую послал и детектировал электромагнитные волны — но, к сожалению, уже после смерти Максвелла.

Однако здравый смысл подкрался из-за угла. Из уравнений следовала константа — скорость света, одинаковая для всех. Но как скорость может быть одной и той же для всех? Волны ведь распространяются в среде — значит, наверное, и свету нужна среда, «эфир», и уравнения Максвелла верны только для тех, кто покоится относительно этого эфира. Несколько десятилетий лучшие умы пытались примирить уравнения Максвелла с ньютоновскими правилами пересчёта между движущимися наблюдателями. Задним числом всё выглядит очевидно: надо было сразу согласовать механику с электродинамикой — как надо было купить акции Google, пока основатели сидели в гараже. Но здравый смысл мешал отказаться от абсолютного пространства и времени.

Эйнштейн: время, которое замедляется, и пространство, которое искривляется

В 1905 году Эйнштейн предложил два постулата: скорость света одинакова для всех, и все законы природы одинаковы для наблюдателей, движущихся друг относительно друга с постоянной скоростью. Из этого — буквально двумя строчками школьных формул с теоремой Пифагора — следует замедление времени в движущемся поезде. Пассажир пускает лазерный луч от пола к потолку и обратно. Для наблюдателя на перроне, пока луч шёл вверх, поезд сдвинулся, пока шёл вниз — сдвинулся ещё. Луч прошёл большее расстояние, скорость та же — значит, и время должно быть другим.

При скорости около 0,4 от скорости света разница уже заметна. При 0,9 — начинается «что-то ужасное». Для протонов в Большом адронном коллайдере время течёт в семь с половиной тысяч раз медленнее, чем для нас. Мюоны — частицы, рождающиеся в верхних слоях атмосферы, — живут всего 2,2 микросекунды и при околосветовых скоростях должны пролетать от силы шестьсот метров. Но мы фиксируем их на поверхности Земли. Почему? С нашей точки зрения — для них замедлено время. С точки зрения мюона — сжалось расстояние до Земли. Два языка, один физический вывод, и оба корректны.

Из тех же формул замедления времени следует самая знаменитая формула — E = mc². Во времена Эйнштейна она казалась математическим курьёзом: масса сама по себе является энергией, но как её извлечь? Когда мы узнали, что звёзды горят за счёт ядерных реакций, стало ясно, насколько Солнце «худеет» каждую секунду: продукты синтеза четырёх протонов имеют меньшую массу, чем исходные протоны, а разница уходит в энергию.

Дальше — общая теория относительности, теория гравитации. Здесь абстракции достигают головокружительного уровня: неевклидова геометрия, четырёхмерное пространство-время, которое искривляется материей. Материя говорит пространству-времени, как ему искривляться, а искривлённое пространство-время говорит материи, как ей двигаться. Из этих уравнений следуют отклонение света гравитацией, чёрные дыры, гравитационные волны и расширение Вселенной. Эйнштейн работал над уравнениями семь лет, несколько раз ошибаясь и заходя не туда. Но результат — одно из величайших интеллектуальных достижений человечества.

Вселенная, которая расширяется внутри себя

Фридман, работавший в Петрограде, нашёл решение уравнений Эйнштейна для однородной Вселенной и обнаружил: она не может быть стационарной. Все расстояния между объектами или увеличиваются, или уменьшаются. Вот игрушечная модель: галактики расставлены через равные промежутки, как буквы алфавита в тетрадке в клетку. Наутро каждый промежуток увеличился на одну десятую. Галактики А и Б удаляются друг от друга со скоростью один миллиметр в сутки, А и В — два миллиметра, А и далёкая буква — уже три сантиметра. Чем дальше друг от друга, тем быстрее удаляются. При этом каждая буква считает себя центром — и ни одна из них не является центром на самом деле.

Это невозможно реализовать как обычное движение в пространстве. Если бы зрители в первом ряду одновременно оттолкнули соседей, края шеренги ещё долго топтались бы на месте. Здесь же всё «распухает» одновременно — просто так договорилась геометрия с материей. Галактики не имеют моторчиков, они ничего для этого не делают. И Вселенная расширяется не куда-то — вне Вселенной ничего нет. Большой взрыв — это не точка в пространстве, а момент времени, когда вся наблюдаемая сейчас Вселенная занимала объём величиной с яблоко, была чудовищно плотной и горячей, и расширение уже шло. Фридман, увы, не дожил до подтверждения: возвращаясь из свадебного путешествия по Крыму, он купил грушу на станции, съел — и умер от тифа.

Квантовый мир: без свойств, без траекторий, без причин

Внутри каждого из нас, прямо здесь и сейчас, реальность поддерживается правилами, которые не имеют ничего общего с нашим повседневным опытом. Квантовая механика — наша самая точная теория — производит все вычисления с чем-то ненаблюдаемым, а потом выдаёт наблюдаемые выводы. Дэвид Дойч, гуру квантовых вычислений, заметил: «Несмотря на беспрецедентный эмпирический успех квантовой теории, само предположение, что она может быть буквально верным описанием природы, до сих пор встречается с глубоким недоверием, непониманием и даже гневом».

Квант — минимальная порция. Фотон — самый слабый свет при заданной длине волны; попытка сделать свет ещё слабее обнаруживает, что света больше нет. Электрон — носитель элементарного электрического заряда; более мелких зарядов в природе не бегает. Квант ни из чего не состоит. У него не может быть поверхности, потому что поверхность должна быть из чего-то сделана. У него не может быть углов, потому что их можно было бы вдавить. Квант не имеет обычных характеристик тела или вещи. Его состояние описывается как список возможностей, которые могут реализоваться при измерении, — и каждое измерение есть вмешательство, показывающее не то, что было, а результат контакта.

Есть пары величин, которые не могут иметь точные значения одновременно: положение в пространстве и скорость. Отсюда — запрет на движение по траектории. Электрон в атоме не летает вокруг ядра. Пока атом никто не трогает, у электрона постоянная энергия, и он не имеет свойства находиться в какой-либо точке пространства — не «бегает туда-сюда», а просто лишён этого свойства. Состояние электрона описывается волновой функцией — суперпозицией всех точек пространства, каждая из которых сопровождается своим числом. Шрёдингер и Гейзенберг нашли те единственные наборы чисел, которые гарантируют определённые уровни энергии, — и отсюда математически следуют спектральные линии атома водорода, совпадающие с экспериментом.

Запутанность: существование без свойств

Когда две квантовые частицы взаимодействуют, возникает запутанность — состояние, в котором целое определено, а части по отдельности — нет. Два электрона разлетаются в разные стороны. Измерив спин одного «вверх», вы мгновенно узнаёте, что второй покажет «вниз» — хотя его никто не трогал, и он мог находиться на другом конце Вселенной. Эйнштейн считал это доказательством неполноты квантовой механики: наверняка свойства определены заранее, просто мы не знаем как. Джон Белл доказал удивительную вещь: если свойства хоть как-то определены заранее — любым самым хитрым, скрытым от нас образом, — то выполняются определённые математические неравенства, которые можно проверить экспериментально. Их проверили. Неравенства Белла нарушаются в природе. Нобелевская премия 2022 года подвела итог: до измерения запутанные частицы существуют без свойств. Не «мы не знаем, какие свойства» — свойств нет.

Гимн человеческому уму

Вся химия — это квантовая механика. Взаимодействие лекарств с белками — решение уравнения Шрёдингера. Атом существует благодаря квантовым законам. Все звёзды горят благодаря квантовому туннелированию — возможности оказаться по другую сторону стены с ненулевой вероятностью. Если бы не это, ядерный синтез в звёздах был бы невозможен и звёзды погасли бы. Таблица Менделеева, электроника, лазеры, магнетизм, сверхпроводимость — всё это продукт тех самых контринтуитивных квантовых правил, которые оперируют величинами, не определёнными в пространстве, и дают предсказания с точностью до двенадцати знаков после запятой.

Для построения успешных предсказаний требуется выход за рамки здравого смысла. Нужны новые абстракции, новые системы аксиом. Работа с ними требует интеллектуальных усилий и интеллектуальной дисциплины — основатели квантовой механики прямо и явно это сформулировали. Но именно в этом и состоит, пожалуй, лучший гимн человеческому уму: мы способны понимать вещи, которые не можем себе представить, и делать точнейшие предсказания на основе конструкций, которые не имеют ни формы, ни положения, ни траектории. Интеллектуальная дисциплина открывает возможности, недостижимые в рамках обычного мышления, — и это, если вдуматься, фантастическое упражнение для человеческого духа.