Фейнмановские лекции по гравитации

Наилучшим объяснением флуктуации, которая наблюдается, является то только, что многое флуктуировало, и что остальное находится в случайном состоянии. Если все состояния равновероятны a priori, и если найден кусочек мира, который столь односторонен, то остальная часть мира должна была бы быть равномерно перемешана, поскольку тогда была бы меньше флуктуация. Можно было бы возразить, что события и структуры коррелированы; они все имели одно и тоже прошлое! Но это другая теория, чем та, которая лежит в основании описания вселенной в рамках статистической механики. Это та противоположная теория, которая утверждает, что в прошлом мир был более организован, чем сейчас, и что наиболее вероятное состояние не есть состояние равновесия, а некоторое особое состояние, которое динамически эволюционирует. В этом заключается общепризнанное предположение, которое принимается всеми историками, палеонтологами и другими.

Вероятностные аргументы могут быть использованы как тест для теории и могут быть применены следующим образом. Предположим, что на априорной основе мы хотим приписать очень, очень низкие шансы той гипотезе, что вселенная не должна описываться как тщательно подобранная флуктуация от полного хаоса, характеризующего термодинамическое равновесие; например, предположим, что априорная вероятность представления, что все состояния равновероятны, есть 1-10^1. Затем давайте опишем число упорядоченных состояний в соответствии с некоторой схемой; например, предположим, что мы перечислим все состояния, которые упорядочены менее, чем миллионом слов. Теперь мы определим оставшуюся априорную вероятность 10^1. для гипотезы, что вселенная эволюционирует от одного из этих специально упорядоченных состояний в прошлом. Другими словами, мы предполагаем, что все состояния равновероятны, но хотим допустить возможность того, что наблюдательные тесты могут опровергнуть гипотезу равновесия.

Теперь мы начинаем делать наблюдения мира вокруг нас и мы наблюдаем состояния с описываемым порядком. Каждый из нас этим утром видел, что земля была внизу, а воздух был вверху, но одного такого наблюдения достаточно, чтобы увеличить шансы для упорядоченных состояний в апостериорном суждении о вероятности начальной ситуации. И если мы делаем всё больше и больше наблюдений, это увеличение в конце концов достигнет даже 10^1 способом, который может вычисляться в соответствии с теоремой: если априорная вероятность ситуации A есть P_a и если априорная вероятность ситуации B есть P_b, и если сделано наблюдение, которое более вероятно, если A имеет место, и менее вероятно, если B имеет место, то апостериорная вероятность A увеличивается отношением, по которому результат измерения является более вероятным, если A имеет место.

Если делается наблюдение угла вселенной, причём наблюдение макроскопическое, то можно обнаружить, что это состояние весьма далеко от равновесия. Шансы на то, что это может быть флуктуация, экстремально малы; требуется только одиночное наблюдение макроскопического порядка, чтобы уменьшить вероятность до 10^2, для которой только 5000 молекул должны быть упорядочены. Таким образом, совершенно очевидно, что только специальные состояния могли бы порождать огромную степень упорядочения, которую мы видим в мире.

Как тогда работает термодинамика, если её постулаты вводят в заблуждение? Фокус состоит в том, что мы всегда упорядочиваем объекты таким образом, что мы не делаем эксперименты над объектами, когда мы их находим, а только после того, как мы выбрасываем все те ситуации, которые могли бы привести к нежелательным упорядочениям. Если мы должны проводить эксперименты над газами, которые первоначально помещены в металлический кан, мы должны заботиться о том, чтобы ”дождаться того момента, когда термодинамическое равновесие установится” (как часто мы слышали эту фразу!), и мы выбрасываем все те ситуации, в которых что-либо случается с аппаратурой, что электричество отключается вследствие того, что сгорел предохранитель, или что кто-либо ударил по кану молотком. Мы никогда не проводим экспериментов над вселенной, как таковой, но скорее мы контролируем обстоятельства, чтобы подготовить более тщательно системы, над которыми мы экспериментируем.

Более удовлетворительный способ представления постулатов статистической механики может быть следующим. Предположим, что мы действительно знаем все детали (классической) системы, такие как масса газа, с бесконечной точностью; это означает, что мы знаем положения и скорости всех частиц в некоторый момент времени t=0. Тогда мы можем (игнорируя действительные трудности в практике) вычислять точно, если мы знаем законы природы в точности, и узнать поведение и состояние всех других частиц в любой момент времени в будущем. Но сейчас предположим, что имеется некоторая небольшая неопределённость в наших измерениях или в нашем знании какого-либо одного фактора, который включён в вычисление, положение, скорости любой выделенной частицы или в небольшой неопределённости в точность, с которой мы знаем взаимодействие частиц. Не имеет значения (за исключением контрпримеров, построенных математиками), с чем связана эта неопределённость. Если такая неопределённость существует, мы должны будем описать финальное состояние усреднением этой неопределённости, и если прошло достаточно большое время, которое будет короче, чем наиболее длинное время неопределённости и наиболее длинное время системы, предсказания измерений будут очень близки к тем, которые даются канонической теорией термодинамического равновесия.

Если для примера мы нарисуем скорость молекулы номер 6 в момент времени t=30 мин. как функцию любой другой начальной переменной в системе, например, такой как начальное положение или скорость частицы номер 133, мы найдём экстремально сложную кривую с очень, очень тонкими деталями, которые должны усредняться к ” равновесным” результатам, как только мы усредняем по начальной конечной неопределённости выбранной переменной в данной задаче. Другими словами, распределение начальных значений в рассматриваемом диапазоне должно быть очень похоже на ”равновесное” распределение (рис. 2.2).

Рис. 2.2.

Физически удовлетворительное обсуждение термодинамики и статистической физики может быть достигнуто, если признать, что проблема состоит в том, чтобы определить условия в системе, в которой различные события происходят при очень различных скоростях. Только если эти скорости существенно различны, термодинамика может быть использована. Таким образом, термодинамика должна различить медленные и быстрые процессы. Когда мы говорим о термодинамическом равновесии для нашей массы газа, мы не ждём бесконечное время, а ждём время достаточно продолжительное по сравнению с некоторым классом взаимодействий (например, молекулярных столкновений), который и производит тот тип равновесия, который мы рассматриваем. При изучении кислорода в металлическом кане, мы не ждём так долго, чтобы стенки кана могли бы окислиться или чтобы металл испарился бы в пространство, как в конце концов должно было бы произойти, так как он имеет конечное давление пара, также как мы не рассматриваем всех ядерных реакций, которые время от времени (в согласии с нашей теорией) имеют место для сталкивающихся молекул.

Мы должны быть внимательны при интерпретации этих результатов наших теорий, когда они исследуются с полной математической строгостью. У нас нет физической строгости, которая была бы достаточно хорошо определена. Если имеется что-либо слегка неправильное в нашем определении рассматриваемых теорий, тогда полная математическая строгость может трансформировать эти ошибки в нелепые выводы.

Вопрос заключается в том, как в квантовой механике описать ту идею, что состояние вселенной в прошлом было каким-то особенным. Очевидный путь состоит в том, чтобы сказать, что волновая функция мира (если таковая существует) была определённой при t=-(возраст вселенной). Но это означает, что волновая функция в настоящее время говорит нам не только о нашем мире, но в равной степени и обо всех других возможных вселенных, которые могли эволюционировать из того же самого начала. Это парадокс кота на большом масштабе. Эквивалентно представляется ”наш мир” плюс все другие мёртвые коты, чья смерть была квантовой контролируемой случайностью. Из этого ”наш мир” может быть получен ”редукцией волнового пакета”. Каков механизм этой редукции? Вы должны или предположить, что наблюдаемые создания делают что-либо, не описываемое квантовой механикой (т.е. уравнением Шрёдингера), или что все возможные миры, которые могли бы эволюционировать из прошлого, являются одинаково ”реальными”. Это не значит сказать, что тот или иной выбор является ”плохим”, но значит только отметить, что я верю, что теперешняя квантовая механика подсказывает тот или иной выбор.

2.2. Трудности гипотетических теорий

При построении новой теории мы должны побеспокоиться о том, чтобы добиться того, чтобы построенные теории были точными, дающими описание, из которого могут быть сделаны определённые заключения. Мы не хотим следовать моде, которая позволила бы нам менять детали теории в любом месте, в котором мы найдём, что теория противоречит экспериментам или нашим начальным постулатам. Любая неясная теория, которая не является полным абсурдом, может быть поправлена более неясным разговором в каждом случае, в котором возникают несогласованности - и если мы начинаем верить в такой разговор более, чем в (экспериментальное) доказательство, мы будем находиться в плачевном состоянии. Нечто подобного рода происходит с вариантами единой теории поля. Например, может быть, что одна такая теория говорила, что имеется тензор J, который ”ассоциируется” с электромагнитным тензором. Но что значит такое ”ассоциирование”? Если мы устанавливаем, что эти два объекта идентичны, то такая теория предсказывает неверные эффекты. Но если мы не уточнили, что значит ”ассоциировано”, мы не знаем, что сказано. И разговор о том, что такая ”ассоциация” означает ”предлагать” некоторое новое соотношение, приводит в никуда. Такие неверные предсказания приписываются неверным ”предложениям” скорее, чем неверной теории, и люди сохраняют намерение добавлять новую часть некоторого антисимметричного тензора, которое могло бы как-нибудь устранить недостатки теории. Такой умозрительный разговор заслуживает доверия не больше, чем разговор исследователей чисел, которые ищут случайные соотношения между определёнными величинами, которые должны были бы непрерывно модифицироваться в том случае, если бы значения этих величин измерялись всё с большей и большей точностью сначала первоначально выбранных величин, а затем всё более и более мелких долей этих величин для того, чтобы предлагаемые соотношения не отставали от всё более и более малых неопределённостей в измеряемых величинах.

В этой связи я хотел бы рассказать анекдот, который был частью беседы, произошедшей после коктейля в Париже несколько лет тому назад. Это случилось в то время, когда все дамы таинственным образом исчезли, и я столкнулся лицом к лицу со знаменитым профессором, который торжественно сидел в кресле, окружённый своими студентами. Он спросил: ”Скажите мне, профессор Фейнман, почему Вы уверены в том, что фотон не имеет массы покоя?” Я ответил: ”Конечно, это зависит от массы; очевидно, что если эта масса бесконечно мала, то этот эффект нигде не мог бы проявиться, и я не мог бы опровергнуть его существование, но я был бы рад обсудить, что эта масса не является равной определённой конечной величине. Но условие обсуждения состоит в том, что после того, как я дам аргументы о невозможности такого значения массы, должно быть против правил менять значение массы”. Тогда профессор выбрал значение 10 массы электрона.