Квантовый лабиринт. Как Ричард Фейнман и Джон Уилер изменили время и реальность

Интернет, обладающий лабиринтоподобной структурой, может служить эмблемой того, что наука двигается в сторону параллелизма, оставив позади цикличность и линейность. Ключевая идея в том, что нет определенности для любого объекта – перемещаться ему по кольцевой, прямой или изогнутой траектории, но каждый компонент системы должен взаимодействовать с другими всяким возможным путем.

Столько вариантов…

Только законы сохранения и другие физические ограничения, например постоянство электрического заряда, сдерживают подобные взаимодействия. Иногда, правда, их пересматривают в соответствии с экспериментальными данными, и это требует размышления о том, как налагать новые ограничения.

В конечном итоге появляется нить Ариадны, с помощью которой можно пройти через лабиринт возможностей: организующий принцип. Такой механизм отбора открывает оптимальный маршрут через реальность вероятностей, и иногда, например, в классической физике, он один, определенный конкретным образом, но в других случаях, как в квантовой физике, это набор пиков на диаграмме распределения вероятностей.

Если взять чтение, книга – с введением, основной частью, и да, с заключением – может служить организующим принципом для темы, на которую она написана. Выборы, сделанные автором (-ами), редактором (-ами) и др. создают линейное повествование, которое служит путеводителем через громадный лабиринт информации.

Как Ричард Фейнман понял еще в молодые годы, прототипом для всего этого является оптика. Простыми словами, мы представляем, что свет путешествует по прямой, отражается от зеркал и изгибается в линзах, поскольку он всегда сфокусирован в виде тонкого луча. Но если мы не имеем дело со специально настроенным лазерным лучом, то реальная картина выглядит иначе. Фейнмановское прочтение принципа наименьшего времени Ферма помогло ему догадаться, что каждый луч – не более чем хребет на вершине невидимой горной цепи интерферирующих волновых паттернов. Наименьшее время как организующий принцип приносит порядок в мешанину световых волн в пространстве, и результатом становятся световые лучи.

Фейнман блестяще приложил тот же концепт лабиринта взаимодействующих компонентов – в рамках законов сохранения и организующего принципа – к области элементарных частиц. Как он описал свою общую методологию, выступая в Эсалене: «Моя игра очень интересна. Это воображение в жестких рамках. Позволяется лишь то, что согласуется с известными законами физики»¹⁵².

Джон Уилер восхищался, что интеграл по траекториям Фейнмана заключает в себе сущность диапазона квантовых вероятностей, сводимых к определенному результату, связывая квантовое и классическое непредсказуемым образом. В то время как частицы и поля взаимодействуют любым способом, который физически возможен, взвешенные суммы серий их контактов производят то, что мы реально видим.

Поддержка Уилера вдохновила других великих физиков, таких как Брайс Девитт и Чарльз Мизнер, изучить возможные модели квантовой гравитации. Вопросы, поднятые Уилером по поводу квантовых измерений, сподвигли Хью Эверетта на разработку его многомировой интерпретации, где наблюдатели раскалываются вместе с системой, за которой они наблюдают.

Диаграммы Фейнмана, описывающие возможности интеграла по траекториям, стали полезным инструментом для современных теоретиков. Расширенные на слабое и сильное взаимодействие точно так же как на электромагнетизм, они оказались полезными в развитии Стандартной модели в физике частиц. Стандартная модель, с ее исчерпывающим описанием взаимодействия между силами (исключая гравитацию) и известными материальными компонентами природы, является одной из наиболее успешных схем всех времен.

На протяжении всей жизни Уилер хотел понять наиболее фундаментальные компоненты космоса. Он менял свой подход несколько раз за карьеру, начав с частиц, затем перейдя к полям и геометрии, и, в конце концов, погрузившись в теорию информации. Он хотел понять и организационные принципы, движущие эти компоненты по определенным шаблонам. Интеграл по траекториям, основанный на принципе наименьшего действия, приложенном к квантовой физике, оказался подходящей идеей, но он рассматривал и другие. В конечном итоге он остановился на том, что ответ может дать «контур самовозбуждения»: симбиоз между разумными наблюдателями и тем, что они наблюдают, а именно, прошлым космоса. Неким образом, глядя на то, что происходило когда-то, мы организовали вселенную, извлекли из квантовой пены и сделали такой, какая она есть. Следовательно, с точки зрения Уилера, вопросы «Как возникает бытие?» и «Как возникает квант?» оказались сложным образом связаны.

Сегодня, когда мы превозносим Стандартную модель, мы признаем ее ограничения и хотим за них выйти. Одно из ее упущений просто зияет: она не включает темную материю и темную энергию, невидимые компоненты вселенной, теоретически найденные в последние годы жизни Уилера, но так и не идентифицированные. Темная материя – скрытый «клей», сохраняющий галактики нетронутыми и собирающий их в кластеры.