Нереальная реальность. Путешествие по квантовой петле

Античный атомизм предвидел и этот аспект современной физики – проявление на глубинном уровне законов вероятности. Демокрит (как и Ньютон) предполагает, что движение атомов строго детерминировано столкновениями. Но его последователь Эпикур исправляет этот детерминизм учителя и вводит в атомизм представление о неопределенности таким же способом, каким Гейзенберг ввел неопределенность в ньютоновский детерминизм. По Эпикуру, атомы могут иногда случайно отклоняться от своего курса. Лукреций поэтично описывает эти отклонения как происходящие «incerto tempore… incertisque loci» – в неопределенное время, в неопределенном месте[79]. Такая же случайность, такое же проявление вероятности на фундаментальном уровне представляют собой второе ключевое открытие, касающееся свойств нашего мира, которое выражает квантовая механика.

Итак, как вычислить вероятность того, что электрон, находившийся в определенной начальной позиции A, спустя заданное время вновь возникнет в той или иной финальной позиции B?

В 1950-х годах Ричард Фейнман, о котором я уже упоминал, нашел весьма интересный метод выполнения таких вычислений: рассмотрим все возможные траектории от A до B, то есть все мыслимые траектории, которым может следовать электрон, – прямые, искривленные, зигзагообразные… Каждая траектория определяет некоторое число. Вероятность получается путем суммирования всех этих чисел. Подробности вычислений несущественны, зато важен тот факт, что все траектории от A до B дают свой вклад, как будто электрон, чтобы попасть из A в B, проходит по всем возможным путям, или, иными словами, превращается в облако, чтобы затем загадочным образом собраться в точке B, где он вновь с чем-то сталкивается (рис. 4.7).

Рис. 4.7. При перемещении из точки A в точку B электрон ведет себя так, как будто проходит по всем возможным траекториям

Этот прием вычисления вероятности квантового события называется фейнмановским суммированием по путям[80], и мы увидим, что он играет важную роль в квантовой гравитации.

Кванты 3: реальность реляционна

Третье открытие, касающееся нашего мира, выражаемое квантовой механикой, – самое глубокое и сложное, и его не предвидели античные атомисты.

Теория не описывает вещи такими, какие они есть, она описывает, как вещи проявляются и как они взаимодействуют друг с другом. Она описывает не то, где находится частица, но то, как частица проявляет себя по отношению к другим. Мир существующих вещей сокращается до мира возможных взаимодействий. Реальность редуцируется до взаимодействия[81].

В некотором смысле это лишь расширение относительности, хотя и весьма радикальное. Аристотель первым отметил, что мы воспринимаем лишь относительную скорость. На корабле, например, мы говорим о нашей скорости относительно корабля; на суше – относительно Земли. Галилей понял, что этим объясняется, почему мы не чувствуем движения Земли относительно Солнца. Скорость – это не свойство объекта самого по себе, это свойство движения объекта по отношению к другому объекту. Эйнштейн перенес понятие относительности на время: мы можем сказать, что два события одновременны, только относительно определенного состояния движения. Квантовая механика радикальным образом расширяет эту относительность: все переменные аспекты объекта существуют только в отношении к другим объектам. Природа рисует мир только с помощью взаимодействий.

В мире, описываемом квантовой механикой, не существует ничего реального, за исключением отношений между физическими системами. Не объекты входят в отношения, но отношения служат основанием для выделения объектов. Мир квантовой механики – это не мир объектов, это мир событий. Вещи построены из случающихся элементарных событий. В 1950-х годах философ Нельсон Гудман замечательно выразил эту идею словами: «Объект – это монотонный процесс». Камень – это вибрация квантов, сохраняющая во времени свою структуру, точно так же как морская волна сохраняет самотождественность, пока не рассеется в море.

Что есть волна, которая движется по воде, не перенося с собой ни единой капли? Волна не объект в том смысле, что она не состоит из материи, которая движется вместе с ней. Атомы нашего тела тоже входят в нас и покидают нас. Мы, как волны и как все объекты, – потоки событий; мы – процессы, монотонные в течение короткого времени…

Квантовая механика описывает не объекты: она описывает процессы, а также события, который служат точками соединения процессов.

Подводя итоги, скажем, что квантовая механика открыла три аспекта нашего мира.

• Зернистость. Информация, содержащаяся в состоянии системы, конечна и ограничена постоянной Планка.

• Неопределенность. Будущее не предопределено однозначно прошлым. Даже наиболее твердо установленные нами закономерности в основе своей статистические.