Читаем без скачивания Наука плоского мира IV: Судный день - Терри Пратчетт

Те же характерные особенности можно увидеть и в более знакомом примере. Наше представление о Солнечной системе со всеми ее планетами, астероидами и кометами, ведущими себя должным образом, было бы подорвано, если бы мы заметили несущийся по небу космический корабль, но приняли его за обычное небесное тело. Он бы стал злоумышленником, нарушающим закон всемирного тяготения. Ведь закон определяет естественный порядок вещей, а значит, космический корабль это аномалия.

Задумайтесь о всей суматохе, поднявшейся вокруг аномалии Пионеров необъяснимом торможении, обнаруженном во время наблюдения за космическими станциями Пионер-10 и Пионер-11. Эти аппараты стали первыми автоматическими межпланетными станциями, достигшими внешних планет Солнечной системы от Юпитера до Нептуна. Их скорость постоянно уменьшалась под действием притяжения Солнца, но, несмотря на это, аппараты двигались достаточно быстро, чтобы со временем выйти за пределы Солнечной системы. Однако, когда они находились примерно на том же расстоянии от Солнца, что и Уран, наблюдения показали, что скорость Пионеров снижается немного быстрее, чем можно было бы предположить, исходя из одной только гравитации примерно на одну миллиардную долю метра в секунду за секунду. В отчете, опубликованном после долгих размышлений в 2011 году, было сказано, что причиной торможения могли стать особенности теплового излучения станций, под действием которого возникло незначительное давление.

В данном случае основной физический закон, то есть гравитация, задает общую картину фон, поверх которого разворачивается повествование о космической станции. Pan narrans не может отделаться от мысли, что космическая станция это самое интересное, потому что она не вписывается в сюжет истории она как будто бы нарушает закон.

Наш разум, по-видимому, эволюционировал таким образом, чтобы уделять исключениям особое внимание. Преуспевающий автор научно-фантастических и научно-популярных книг Айзек Азимов писал: «Самые захватывающие слова, которые можно услышать в науке, те самые слова, которые возвещают о новых открытиях, это вовсе не «Эврика», а «Забавно»». Планеты и кометы, подчиняющиеся законам природы, это банальность, которая не в силах привлечь наше внимание. Точно так же и законопослушные массы людей по большому счету вызывают у нас скуку именно поэтому наши истории повествуют о злодеях и ведьмах. Персонажи Плоского Мира, которые обращают на себя наше внимание это ведьма Матушка Ветровоск и уборщик, а по совместительству монах истории, Лю-Цзы. Закон становится полезным, благодаря исключениям.

Действительно ли законы наподобие гравитации можно считать особыми, уникальными утверждениями, которые в определенном смысле отражает универсальные истины. Придет ли в голову инопланетянам теория вроде всемирного тяготения, или же в падении яблок есть некая исключительно человеческая черта, которая наводит наш разум на мысль о лунных орбитах и солнечных система? Что если солнечные системы можно описать совершенно иным способом?

Когда Томсон начал развлекаться с катодно-лучевыми трубками, он точно так же не имел ни малейшего понятия, что занимается разделением электронных пучков, раскалывая атомы на части. Если бы мы начали не с электрона, а с какой-нибудь другой частицы, и попытались обнаружить зоопарк всех остальных частиц, отличался бы он от того зоопарка, который мы имеем сейчас? Или мы бы придумали совершенно иной зоопарк, который, тем не менее, описывает «реальный мир» так же точно, как и имеющийся в нашем распоряжении?

Физики в общем и целом не разделяют эту точку зрения; они верят в том, что эти частицы существуют в действительности, и научные изыскания в любом случае привели бы нас к одному и тому же зоопарку. Но ведь открывая тот или иной зоопарк, мы руководствуемся конкретной теоретической моделью. Десять лет назад у них был один зоопарк, а еще через десять лет…

Чтобы осветить этот вопрос более подробно, обратимся к развитию квантовой механики. Роль основного закона здесь играет уравнение Шредингера, которое описывает состояние квантовой системы в виде распространяющейся волны. Однако обнаружить саму волну экспериментальным путем, по-видимому, нельзя. Наблюдая за квантовой системой, мы получаем конкретные результаты, но каждое из наших наблюдений вносит искажения в эту гипотетическую волну. Поэтому у нас нет уверенности в том, что следующее наблюдение относится к той же самой волне. Эта, по-видимому, неустранимая неопределенность привела к тому, что в интерпретации квантовой теории появились кое-какие дополнительные особенности: квантовая волна стала считаться волной вероятности, которая сообщает нам шансы любого конкретного исхода, но ничего не говорит о текущем состоянии; в результате измерения волновая функция «коллапсирует» до единственного состояния и так далее. В наше время эта интерпретация стала напоминать общепринятую догму, а попытки альтернативных объяснений игнорируются без всякого разбора. Существует даже математическое утверждение, теорема Белла, которое якобы доказывает, что квантовая механика не является вложением более общей детерминированной локальной модели, то есть модели, запрещающей мгновенный обмен информацией между объектами, разделенными большим расстоянием.

Но вне зависимости от вышесказанного Pan narrans испытывает трудности с квантовой неопределенностью. Откуда природа знает, как ей поступить? Именно эта идея лежит в основе знаменитого высказывания Эйнштейна о боге, который (не) играет в кости. Поколения физиков свыклись с этой проблемой математики утверждают, что «все так и есть», и нет нужды беспокоиться об интерпретациях. Но это вовсе не так просто, потому что вывод следствий из математических выкладок требует некоторых вспомогательных допущений. Вопрос «На что это похоже?» вполне может быть следствием этих допущений, а не математической составляющей как таковой.

Интересно, что и мы, и Эйнштейн, используем игральную кость в качестве символа случайности. Игральная кость имеет форму куба, а ее броски и отскакивания подчиняются детерминистским законам механики. В принципе у вас должна быть возможность предсказывать исход броска сразу после того, как игральная кость вылетает из руки. Конечно, моделирование вызывает определенные затруднения, однако это утверждение должно быть истинным, если речь идет, по крайней мере, об идеальной модели. Тем не менее, это не так, и причиной тому служит увеличение крошечных погрешностей описания в уголках кости. Это разновидность хаоса, которая имеет отношение к эффекту бабочки, хотя и, строго говоря, от него отличается.

С математической точки зрения вероятности падения кости на одну из своих граней выводятся из динамических уравнений, где они играют роль так называемой инвариантной меры. Каждая грань имеет один шанс из шести. В некотором смысле инвариантная мера аналогична квантовой волновой функции. Ее можно рассчитать, исходя из динамических уравнений, и использовать для предсказания статистического поведения, однако ее прямое наблюдение невозможно. Она выводится на основе многократного повторения экспериментов. Кроме того, в определенном смысле эта волновая функция «коллапсирует» в результате наблюдения (конечного состояния кости). Стол и сила трения заставляют игральную кость перейти в одно из шести состояний равновесия. Наблюдаемое значение волновой функции зависит от скрытой динамики кости, которая катится и отскакивает от стола. В волновой функции она никоим образом не зашифрована. Она связана с дополнительными «скрытыми переменными».

Сам собой напрашивается вопрос: может быть, нечто подобное происходит и в квантовой мире? Возможно, квантовая волновая функция это лишь часть всей истории.

На момент создания квантовой механики теории хаоса еще не существовало. В противном случае ее развитие вполне могло пойти по другому пути, так как теория хаоса утверждает, что случайность можно идеально имитировать в рамках детерминированной динамики. Если не обращать внимания на тончайшие детали детерминированной системы, то внешне она будет выглядеть, как случайные броски монеты. Так вот, если вы не понимаете, что детерминизм способен имитировать случайность, то вам никогда не удастся связать видимость случайного поведения квантовых систем с какими-либо детерминистскими законами. Впрочем, с теоремой Белла эта идея все равно становится бесперспективной. Вот только… на самом деле это не так. Существуют хаотические системы, которые весьма похожи на квантовые, порождают видимую случайность детерминированным образом и, что особенно важно, совершенно не противоречат теореме Белла.

Но даже если это возможно, потребуется затратить гораздо больше усилий, прежде чем эти модели смогут составить настоящую конкуренцию традиционной квантовой теории. Здесь дает о себе знать проблема Роллс-Ройса: если мы станет отбирать только те конструкции автомобиля, которые способны превзойти Роллер, то инновации станут невозможны. Ни один новичок не сможет сместить то, что уже заняло прочную позицию. И все же мы не можем удержаться от вопроса: что если бы теория хаоса появилась до первых работ в области квантовой механики? Создали бы ученые ту же самую теорию, если бы их работа происходила в совершенно ином контексте, допускающем непротиворечивое сочетание детерминированных моделей с видимой случайностью?