Фейнмановские лекции по гравитации

Представим себе закрытый ящик, в который помещён живой кот и подвешено ружьё; причём кот размещён таким образом, что если ружьё выстрелит, то кот умрёт. Ружьё выстреливает с помощью счётчика Гейгера, который считает частицы от радиоактивного распада; предположим, что источник такой, что мы ожидаем один отсчёт в час. Имеется следующий вопрос: Какова вероятность того, что кот остался жив спустя один час, если мы оставили его запертым в ящике?

Ответ, получаемый из квантовой механики чрезвычайно прост; имеется два возможных конечных состояния, которые мы рассматриваем; амплитуда равна

Амплитуда =

1

2

(кот жив)

+

1

2

(кот мёртв).

Когда мы думаем об этом ответе, то у нас появляется ощущение, что кот не видит эти вещи таким же образом; он не чувствует, что у него 1/2 жизни и 1/2 смерти, а чувствует или одно, или другое. Итак, то, что может соответствующим образом описываться амплитудой внешнего наблюдателя, не обязательно описывается аналогичной амплитудой, когда наблюдатель составляет часть этой амплитуды. Таким образом, внешний наблюдатель обычной квантовой механики находится в выделенном положении. Для того, чтобы убедиться в том, жив кот или мёртв, он делает маленькую дырочку в ящике и наблюдает; и только после этого он делает своё измерение, что система находится в хорошо определённом конечном состоянии; но ясно с точки зрения внутреннего наблюдателя, что результаты такого измерения внешнего наблюдателя определяются вероятностью, но не амплитудой. Таким образом, мы видим, что при традиционном описании квантовой механики мы имеем встроенное в теорию расхождение между описанием, включающим внешнего наблюдателя, и описанием без наблюдения.

Такого рода парадокс возникает всякий раз, когда мы рассматриваем усиление атомного события, так что мы узнаем, как это событие влияет на вселенную в целом. Традиционное описание общей квантовой механики всего мира чудовищно сложной волновой функцией (которая описывает всех наблюдателей), удовлетворяющей уравнению Шрёдингера

i

t

=

H

,

приводит к невероятно сложной бесконечности амплитуд. Если я играю в азартные игры в Лас Вегасе и собираюсь поставить некоторые деньги на номер 22 в рулетке, и ближайшая ко мне девушка выливает на меня свой напиток, потому что она увидела кого-то, кого она знает, и я останавливаюсь перед тем, как сделать ставку, и приходит число 22 на рулетке, я могу увидеть, что всё течение вселенной для меня зависело от того факта, что некоторый маленький фотон попадёт в нервное окончание сетчатки глаза девушки. Таким образом, вся вселенная бифурцирует на каждом атомном событии. В настоящее время некоторые учёные, которые настаивают на том, чтобы свести всю квантовую механику к букве, удовлетворены подобной картиной; так как нет внешнего наблюдателя для волновой функции, описывающей вселенную в целом, они утверждают, что правильное описание мира включает в себя все амплитуды, которые, таким образом, бифурцируют в каждом атомном событии. Но тем не менее, мы, которые являемся частью такой вселенной, знаем, какой путь вселенной бифурцировал для нас, так что можем следовать треку нашего прошлого. Теперь философский вопрос для нас состоит в том, что когда мы делаем наблюдение нашего трека в прошлом, становится ли результат нашего наблюдения реальным в том смысле, что конечное состояние было бы определено, если бы внешний наблюдатель сделал бы наблюдение? Всё это весьма смущает, особенно когда мы считаем, что даже хотя мы можем согласованно рассматривать себя всегда в качестве внешнего наблюдателя, когда мы смотрим на весь остальной мир, остальной мир в то же самое время наблюдает нас, и очень часто мы согласны с тем, что мы видим друг в друге. Означает ли это, что мои наблюдения становятся реальными только тогда, когда я наблюдаю наблюдателя, наблюдающего, как что-либо происходит? Это ужасная точка зрения. Серьёзно ли вы обдумываете мысль, что без наблюдателя нет реальности? Какого наблюдателя? Любого наблюдателя? Является ли наблюдателем муха? Является ли звезда наблюдателем? Отсутствует ли реальность во вселенной за 10 лет до н.э., т.е. до зарождения жизни? Или являетесь ли вы тем самым наблюдателем? Тогда нет реальности в мире после вашей смерти? Я знаю большое число респектабельных физиков, которые покупают страховку на случай смерти. Какой философией была бы понята вселенная без человека?

Для того, чтобы придать некий смысл рассуждениям, мы должны относиться без предубеждений к вероятности того, что для достаточно сложных процессов амплитуды становятся вероятностями. Факт, что именно амплитуды добавляются, может быть обнаружен только процессами, которые детектируют разность фаз и интерференцию. Теперь фазовые соотношения для очень сложных объектов могли бы быть чудовищно сложны, так что наблюдать интерференцию можно было бы только в том случае, если фазы всех частей сложного объекта эволюционируют очень, очень точным образом. Если существует некоторый механизм, с помощью которого эволюция фазы слегка изменяется, так что не является абсолютно точной, тогда наши амплитуды становятся вероятностями для очень сложных объектов. Но можно быть уверенным, что если фазы действительно имели такое встроенное в теорию смещение, должны были бы быть некоторые следствия, связанные с этим смещением. Если одно такое следствие состояло бы в существовании гравитации самой по себе, не было бы квантовой теории гравитации, что было бы ужасающей идеей для остальных лекций.

Всё это представляет собой весьма смелые рассуждения, и бесполезно продолжать их дискутировать; однако мы всегда должны помнить о том, что существует некоторая вероятность того, что квантовая механика может не выполняться, так как у нас есть определённые трудности с философскими предрассудками относительно измерений и наблюдений.

1.5. Гравитация как следствие других полей

Вернёмся к построению теории гравитации, как это могли бы сделать наши друзья венериане. В общем случае, мы ожидаем, что должны быть две школы мысли о том, как работать с этим новым феноменом. Имеются следующие возможности:

Что гравитация - новое поле, номер 31.

Что гравитация - следствие чего-то, что мы уже знаем, но что мы ещё точно не вычислили.

Мы рассмотрим кратко вторую точку зрения для того, чтобы посмотреть, какие в этом случае имеются возможности. Факт универсального притяжения может напомнить нам ситуацию в молекулярной физике; мы знаем, что все молекулы притягиваются друг к другу с силой, которая на больших расстояниях ведёт себя как 1/r. Этот факт мы понимаем в терминах дипольных моментов, которые индуцируются флуктуациями в распределении заряда молекул. То, что это универсальный закон, хорошо известно из того факта, что все вещества могут конденсироваться при соответствующем охлаждении. Итак, одна возможность состоит в том, что гравитация может быть некоторым притяжением, обусловленным подобными флуктуациями в чем-либо, мы пока не знаем в чем, возможно обладающим зарядом.

Если мы беспокоимся о том факте, что квантовая механика не выполнима тогда, когда очень часто возникают бесконечности при суммировании по всем состояниям, мы могли бы поискать связь между гравитацией, размером вселенной и неприменимостью квантовой механики. Бесконечности всегда появляются, когда мы суммируем все дроби _n1/(E-E_n). Теперь мыслится так, что если мы должны рассмотреть всю вселенную, то мы не должны суммировать по всем виртуальным состояниям обычным образом, а мы должны суммировать только те виртуальные состояния, для которых мы можем взять достаточно энергии из остальной части вселенной. Теория, которая не могла бы разрешать виртуальные состояния, если энергия нарушения больше, чем общая энергия вселенной, была бы слегка отличной от той, которая предполагает, что общая энергия бесконечна. Здесь были бы отличия от обычной теории, но я подозреваю, что ничто другое, кроме как гравитация, не может быть следствием из такой теории.

Мы могли бы рассмотреть вопрос о том, могут ли гравитационные силы возникать вследствие виртуального обмена частицей, которую мы уже знаем, такой как нейтрино. Всё-таки при поверхностном взгляде взаимодействие имеет правильные свойства, так как нейтрино - незаряженная частица с нулевой массой, то это взаимодействие должно было бы зависеть от расстояния как 1/r, и это взаимодействие будет очень слабым.

В следующей лекции мы будем заниматься этой нейтринной теорией гравитации и обнаружим, что такая теория неприменима. Тогда мы начнём строить теорию гравитации как 31-ое поле, которое должно быть обнаружено.

Лекция 2

2.1. Постулаты статистической механики

При построении возможных вариантов нашей теории гравитации мы должны остерегаться от слишком поспешного принятии (без достаточных на то оснований) многих из предрассудков нынешнего научного мировоззрения. В предыдущей лекции мы увидели, что имеется что-то не вполне удовлетворительное в том, что вероятности появляются при нашей интерпретации вселенной. Если мы действительно думаем, что вселенная описывается великой волновой функцией без внешнего наблюдателя, то ничто не может быть когда-либо вероятностью, так как никакого измерения даже не может быть сделано! Это обстоятельство физики имеют ввиду, несмотря на экспериментальное свидетельство оправданности подобного описания для подобластей вселенной, которые могут для наших целей довольно детально описываться волновыми функциями, амплитуды которых представляют вероятности результатов измерений.

Подобным образом, существуют трудности с описанием статистической механики в простом учебнике; хотя этот пример не слишком близко связан с теорией гравитации, но он связан с космологическими вопросами, которые мы будем обсуждать ниже. Довольно часто постулируют a priori, что все состояния равновероятны. Этот постулат не является истиной в нашем мире, как мы видим его. Этот мир не описывается правильно физикой, в которой предполагается выполнение этого постулата. В мире живут люди - не физики - такие как геологи, астрономы, историки, биологи, которые готовы поставить высокую ставку на то, что когда мы наблюдаем ещё ненаблюдаемую область вселенной, мы найдём определённую организацию, которая не предсказывается физикой, которой мы призываем верить. В соответствии с нашим опытом как наблюдателей, мы обнаруживаем, что если мы заглянем в книгу с заглавием на обложке ”Наполеон”, то действительно, шансы на то, что внутри книги будет что-либо о Наполеоне, очень велики. Мы определённо не ожидаем найти систему в термодинамическом равновесии, когда мы открываем эти страницы. Но физики не нашли способа, как учесть подобные шансы для ненаблюдаемых областей вселенной. Современные физики никогда не могли бы предсказать так же хорошо, как геолог, шансы на то, что когда мы взглянем внутрь определённых камней, мы найдём ископаемое топливо.

Подобным образом, историки астрономии и астрономы находят, что всюду во вселенной, которую мы наблюдаем, мы видим звёзды, которые горячее внутри и холоднее снаружи, т. е. системы, которые, на самом деле, весьма далеки от термодинамического равновесия.

Рис. 2.1.

Мы можем понять насколько невероятна такая ситуация с точки зрения обычных предсказаний термодинамики, путём рассмотрения простых упорядочений. Рассмотрим ящик в качестве вселенной, в которой имеется два типа частиц, белые и чёрные. Предположим, что в определённой области вселенной, подобной маленькому углу ящика, мы видим, что все белые частицы отделены от чёрных частиц диагональю (точнее плоскостью, проходящей через диагонали на противоположных сторонах, см. рис. 2.1). Априорная вероятность того, что такая картина имеет место, должна быть очень, очень мала, и мы должны, исходя из наших нынешних предубеждений, приписать этому состоянию статистическую флуктуацию, которая довольно невероятна. Что мы предсказываем для остальной части вселенной? Это предсказание состоит в том, что если мы взглянем на другую область, то мы должны были бы наиболее вероятно найти, что эта другая область имеет значительно менее упорядоченное распределение белых и чёрных частиц. Но фактически, мы такого не обнаруживаем, и в каждой новой области мы наблюдаем то же самое упорядочение, как и в предыдущем случае. Так, если я сяду в свою машину и поеду в горы, которые я до этого никогда не видел, я найду деревья, которые выглядят в точности также, как те деревья, которые я знаю. Если рассматриваются системы с экстремально большим количеством частиц, то вероятности таких наблюдений в терминах обычной статистической механики фантастически малы.