Битва при черной дыре. Мое сражение со Стивеном Хокингом за мир, безопасный для квантовой механики

E=h•f

Стоящее в левой части уравнения E представляет энергию фотона, выраженную в единицах, называемых джоулями. В правой части f — это частота. Для голубого света она составляет 10¹⁵ Гц. Оставшееся h — это знаменитая постоянная Планка, константа, которую Макс Планк ввёл в 1900году. Постоянная Планка — очень маленькая величина, но это одна из самых важных фундаментальных констант, управляющая всеми квантовыми явлениями. Она стоит в одном ряду со скоростью света с и ньютоновской гравитационной постоянной G:

h=6,62•10^{– 34}

Поскольку постоянная Планка очень мала, энергия отдельного кванта тоже ничтожна. Для вычисления энергии кванта голубого света умножаем постоянную Планка на частоту 10¹⁵ Гц и получаем 6,62•10^{– 19} джоуля. Значит, потребуется 10³⁹ голубых фотонов для того, чтобы вскипятить чашку чая. А фотонов красного света понадобится вдвое больше. Для сравнения: самых энергичных когда-либо зарегистрированных гамма-квантов на кипячение той же чашки ушло бы всего 10¹⁸ штук.

Приводя все эти формулы и числа, я хочу, чтобы вы запомнили только одну вещь: чем короче длина волны, тем выше энергия отдельного фотона. Высокая энергия означает короткие волны, низкая энергия — длинные волны. Повторите это несколько раз и запишите. И ещё раз повторите: высокая энергия — короткие волны, низкая энергия — длинные волны.

Предсказание будущего?

Эйнштейн торжественно заявлял: «Бог не играет в кости» [42] . Нильс Бор остроумно съязвил: «Эйнштейн, не говори Богу, что ему делать». Оба физика были очень близки к атеизму; крайне сомнительно; чтобы кто-либо из них имел в виду божество, восседающее на облаке и пытающееся выбросить семёрку [43] . Но оба, и Бор и Эйнштейн, пробивались через нечто совершенно новое в физике — нечто такое, что Эйнштейн просто отказывался принять: непредсказуемость, которую подразумевали странные новые квантово-механические законы. Разум Эйнштейна восставал против идеи случайности, против элемента непредсказуемости в законах природы. Мысль о том, что приход фотона — это принципиально непредсказуемое событие, была ему глубоко не по душе. Бор, напротив, принимал эту идею, нравилась она ему или нет. Он также понимал, что будущие физики сумеют «настроиться» на квантовую механику и эта настройка будет охватывать непредсказуемость, которой так боялся Эйнштейн.

42

Письмо Максу Борну от 12 декабря 1926 года.

43

Когда бросаются две игральные кости (кубики с гранями, помеченными от 1 до 6), семёрка — самое вероятное значение суммы выпавших очков. В некоторых вариантах игры оно считается проигрышным. — Прим. перев.

Нельзя сказать, что Бор лучше представлял себе квантовые явления или чувствовал себя с ними комфортнее. «Всякий, кто не был шокирован квантовой теорий, просто её не понял», — сказал он однажды. Много лет спустя Ричард Фейнман заявил: «Я смело могу сказать, что квантовой механики никто не понимает» [44] . И добавил: «Чем больше вы наблюдаете странное поведение Природы, тем сложнее построить модель, объясняющую даже простейшие явления. И теоретическая физика отказалась от этого» [45] . Не думаю, что Фейнман действительно считал, что физики должны отказаться от попыток объяснить квантовые явления; в конце концов, он ведь сам их всё время объяснял. Он имел в виду, что никто не может объяснить квантовые явления в терминах, которые человеческий мозг способен визуализировать при стандартной его «настройке». Фейнман не меньше других обращался к абстрактной математике. Очевидно, что чтение одной главы из книги без уравнений не может вас «перенастроить», но я всё же надеюсь, что вы сумеете ухватить главные моменты.

44

Цит. по: Фейнман Р. Характер физических законов. / Пер. В. П. Голышева и Э. Л. Наппельбаума. — М.: Наука, 1987. — С. 117. — Прим. перев.

45

Цит. по: Фейнман Р. КЭД — странная теория света и вещества. / Пер. О.Л. Тиходеевой и С. Г. Тиходеева. — М.: Наука, 1988. — С. 74 — Прим. перев.

Первое, от чего физики освободились и за что изо всех сил держался Эйнштейн, было представление о том, что физические законы детерминистичны. Детерминизм означает, что будущее можно предсказать, если достаточно много известно о настоящем. Ньютоновская механика, как и вся последующая физика, касалась предсказания будущего. Пьер Симон де Лаплас — тот самый Лаплас, что придумал тёмные звёзды, — твёрдо верил в предсказуемость будущего. Вот что он писал:

Состояние Вселенной в данный момент можно рассматривать как следствие её прошлого и как причину её будущего. Мыслящее существо, которое в определённый момент знало бы все движущие силы природы и все положения всех объектов, из которых состоит мир, могло бы — если бы его разум был достаточно обширен для того, чтобы проанализировать все эти данные, — выразить одним уравнением движение и самых больших тел во Вселенной, и мельчайших атомов; для такого интеллекта не осталось бы никакой неопределённости, и будущее открылось бы перед его взором точно так же, как и прошлое.

Лаплас попросту выводил следствия из ньютоновских законов движения. Фактически мировоззрение Ньютона — Лапласа — это чистейшая форма детерминизма. Всё, что вам нужно для предсказания будущего, — это знать положения и скорости всех частиц во Вселенной в некоторый начальный момент времени. Да, и, конечно, вам надо знать силы, действующие на каждую частицу. Знание положения частицы ничего не говорит о том, куда она направляется. Но если вы знаете её скорость [46] (как по величине, так и по направлению), вы можете сказать, где она окажется в следующий момент. Физики называют начальными условиями всё то, что вам нужно одномоментно знать для предсказания будущего движения системы.

46

Термин «скорость» означает не только то, насколько быстро движется объект, но также и направление его движения. Так, 60 км/ч — это неполная информация о скорости; а вот 60 км/ч на север-северо-запад — полная.

Чтобы понять, что означает детерминизм, давайте вообразим простейший возможный мир — столь простой, что у него есть всего два состояния бытия. Монетка — неплохая его модель, у неё есть два состояния — орёл и решка. Нам также нужно задать закон, предписывающий, как состояния меняются от одного мгновения к следующему. Вот пара возможных таких законов.

Первый пример очень скучный. Закон: ничего не происходит. Если в один момент монета лежит решкой вверх, то она будет лежать так же и в следующий момент (скажем, через наносекунду). Аналогично, если она лежит орлом, то будет так лежать и в следующий момент Этот закон сжато записывается парой простых «формул»:

Р -> Р О -> О

История мира будет бесконечным повторением: либо P P P Р Р…, либо О О О О О…

Если первый закон совсем скучен, то второй лишь ненамного менее: каково бы ни было состояние в один момент, спустя наносекунду оно меняется на противоположное. Символически это можно выразить так:

P -> O O -> P

История примет тогда вид: PОPОPОРО… или ОPОPОРОР…

Оба этих правила детерминистичны, то есть будущее полностью определяется стартовой точкой. В любом случае, если знать начальные условия, можно с уверенностью предсказать, что случится спустя определённый отрезок времени.

Детерминистские законы — не единственно возможные. Могут быть и случайные законы. Простейшим случайным законом был бы такой, по которому независимо от начального состояния в следующий момент произвольно выпадает орёл или решка. История, начинающаяся с орла, могла бы выглядеть так: ОООРРРООРР О… Но история ООРОРРОРРРО О… тоже вполне возможна. Фактически допустима любая последовательность. Можно считать это миром без законов или миром, закон которого предписывает случайное изменение начального состояния.

Но закон не обязан быть чисто детерминистичным или чисто случайным. Это крайности. Возможен закон, который в основном детерминистичен и содержит лишь малую долю случайности. Закон может, например, говорить, что с вероятностью девять десятых состояние сохраняется, а с вероятностью одна десятая — меняется на противоположное. Типичная история будет выглядеть так:

РРРРРРРООООООООООООРРРРРРРРРРРРРООООО…

В этом случае игрок с высокой вероятностью может предсказать, близкое будущее: следующее состояние, скорее всего, будет таким же, как и текущее. Шансы угадать будут высокими, если только не заглядывать слишком далеко вперёд. Если попытаться предсказывать слишком далёкое будущее, вероятности угадать и ошибиться оказываются почти равными. Эта непредсказуемость — как раз то, против чего выступал Эйнштейн, когда говорил, что Бог не играет в кости.

Один момент может вас несколько озадачить: последовательность бросков реальной монеты гораздо ближе к совершенно случайному закону, чем к любому из детерминистических. Случайность кажется очень распространённым свойством нашего мира. Почему понадобилась квантовая механика — чтобы внести в мир непредсказуемость? Но суждение о том, что падение монеты непредсказуемо, — даже без всякой квантовой механики — это чистой воды недоразумение. Проследить за всеми важными деталями обычно очень трудно. Монета — это всё же не изолированный мир. Тонкости движения мышц, которые двигают руку и подбрасывают монету; потоки воздуха в комнате; тепловые колебания молекул, как в самой монете, так и в воздухе, — всё это факторы, влияющие на исход, и в большинстве случаев этой информации слишком много, чтобы с ней можно было работать. Помните, Лаплас говорил о существе, которое знает «все движущие силы природы и все положения всех объектов, из которых состоит мир»? Малейшей ошибки в положении единственной молекулы достаточно для того, чтобы разрушить способность предсказания будущего. Но не этот обыденный вид случайности беспокоил Эйнштейна. Под Богом, играющим в кости, Эйнштейн подразумевал то, что глубочайшие законы природы содержат неустранимый элемент случайности, который никак нельзя обойти, даже если нам известно всё, что в принципе можно узнать.