Еще раз к вопросу о новой физике: послесловие ко второму изданию

Со времени первой публикации «Дао физики» в различных областях субатомной физики был достигнут существенный прогресс. Новые открытия не только не опровергли ни одной из выявленных параллелей с восточным мистицизмом, но и укрепили их. Хочу перечислить некоторые наиболее важные достижения в области атомной и субатомной физики до лета 1982 г.

Одна из самых очевидных параллелей с восточным мистицизмом — осознание взаимосвязанности составных частей материи с фундаментальными явлениями, в которых они участвуют, и необходимости рассматривать их не как отдельные сущности, а как неотъемлемые части единого целого. Важность понимания основополагающей «квантовой взаимосвязанности», о которой я подробно рассказывал в главе 10, неоднократно отмечалась Нильсом Бором и Вернером Гейзенбергом в квантовой теории. Но к концу 1970-х это понятие снова привлекло к себе повышенное внимание ученых, осознавших, что взаимосвязанность явлений Вселенной оказалась гораздо теснее, чем предполагалось ранее. Концепция взаимосвязанности не только усиливает сходство взглядов мистиков и физиков, но и позволяет провести интригующие параллели между субатомной физикой, психологией Юнга и даже, возможно, парапсихологией. Эта концепция по-новому оценивает фундаментальную роль вероятностей в квантовой физике.

В классической физике понятие вероятности используется, когда неизвестны детали процесса или реакции. Так, играя в кости, мы могли бы предсказать результат броска, если бы имели информацию обо всех механических условиях, в которых он совершается: материал, из которого изготовлена кость, характер поверхности, на которую она падает, и т. д. Все эти показатели называются локальными переменными: они принадлежат предметам, участвующим в процессе. В субатомной физике локальные переменные представляют собой связи между пространственно удаленными друг от друга событиями, реализующиеся посредством сигналов — частиц или их последовательностей, — которые подчиняются законам пространственного удаления. Например, ни один сигнал не может быть передан быстрее скорости света. Но в 1970-е было обнаружено, что за пределами локальных связей существуют другие, нелокальные, которые устанавливаются мгновенно и не могут быть предсказаны, во всяком случае с помощью точного языка математики.

Некоторые физики рассматривают нелокальные связи как суть квантовой действительности. В квантовой теории не всегда точно указывается причина того или иного явления. Например, переход электрона с одной атомной орбиты на другую или распад субатомной частицы могут происходить спонтанно, без определенной причины. Не всегда мы способны заранее предсказать, когда и как произойдет такое событие; мы способны только оценить его вероятность. Это не значит, что атомные явления протекают произвольно; это значит только то, что они не вызваны локальными причинами. Поведение любой части целого определяется ее нелокальными связями с последним, а поскольку о них мы не имеем точного представления, приходится заменять узкие классические понятия причины и следствия более широкой концепцией статистической причинности. Законы атомной физики имеют природу статистических закономерностей, согласно которым вероятность отдельных атомных явлений определяется общей динамикой системы. В классической физике свойства и поведение целого определяются свойствами и поведением его частей, в физике квантовой всё наоборот: поведение частей определяется целым.

Вероятности используются в классической и квантовой физике практически из одинаковых соображений. В обоих случаях мы имеем дело со «скрытыми» переменными, которые нам неизвестны, и неведение мешает нам делать четкие предсказания. Но между двумя этими областями физики есть и существенная разница. Если в классической физике скрытые параметры являются локальными механизмами, то в квантовой физике они нелокальны. Это мгновенные связи со Вселенной как единым целым. В повседневной, макроскопической действительности нелокальные связи играют незначительную роль. Мы можем говорить о самостоятельных объектах и формулировать законы, описывающие их поведение в понятиях определенностей. Но при переходе в мир более малых измерений нелокальные связи становятся сильнее, определенности уступают место вероятностям, и отделить часть Вселенной от целого становится всё труднее.

Сам Эйнштейн не мог признать существование нелокальных связей и вытекающее из этого факта фундаментальное значение вероятности. Именно этой проблеме был посвящен его вошедший в историю науки спор с Бором в 1920-е, когда Эйнштейн не согласился с тем, как Бор интерпретирует квантовую теорию, при помощи знаменитого афоризма: «Бог не играет в кости»[282]. В результате Эйнштейну пришлось признать, что квантовая теория в трактовке Бора и Гейзенберга последовательна и научна, но он остался убежден в том, что рано или поздно науке удастся найти детерминистское описание всех доселе необъяснимых явлений с помощью локальных скрытых параметров.

Суть различия во взглядах Бора и Эйнштейна состояла в непоколебимой вере последнего во внешнюю реальность, состоящую из независимых, пространственно удаленных друг от друга элементов. Пытаясь доказать непоследовательность интерпретации Бором квантовой теории, Эйнштейн поставил мысленный эксперимент, который получил известность под названием эксперимента Эйнштейна — Подольского — Розена (ЭПР)[283]. 30 лет спустя Джон Белл[284] построил теорему, опирающуюся на этот эксперимент, которая доказывает, что существование локальных скрытых параметров не согласуется с вероятностными предсказаниями квантовой теории[285]. Теорема Белла нанесла сокрушительное поражение Эйнштейну, доказав, что понимание реальности как структуры, которая состоит из отдельных частей, соединенных локальными связями, несовместимо с идеями квантовой теории.

Эксперимент ЭПР неоднократно становился предметом дискуссий и анализа в связи с проблемами интерпретации квантовой теории: это отличный пример, демонстрирующий различия между понятиями классической и квантовой физики[286]. Нам достаточно ограничиться упрощенной версией этого эксперимента, в которой участвуют два вращающихся электрона и которая основана на рассуждениях Дэвида Бома[287]. Чтобы уловить смысл ситуации, необходимо познакомиться с некоторыми свойствами электронного спина, или вращения электрона. Уподобление крутящемуся теннисному мячу не вполне подходит для описания субатомной частицы. Спин частицы представляет собой ее вращение вокруг своей оси, но, как всегда бывает в субатомной физике, это классическое понятие ограничено. В случае с электроном множество характеристик спина сводится к двум значениям: количество вращения остается постоянным, но относительно оси электрон может вращаться в двух направлениях — по часовой стрелке и против нее (или, как говорят физики, «вверх» и «вниз»).

Основное свойство электрона, которое нельзя объяснить при помощи классических понятий, — невозможность точно определить направление оси вращения. Электроны могут существовать в разных точках внутри атома, и они склонны вращаться вокруг той или иной оси. Но стоит нам провести измерения, как мы обнаружим, что электрон вращается вокруг оси в одном из двух направлений. Частица приобретает ось вращения в момент измерения, а до этого момента о ней ничего определенного сказать нельзя; электрон имеет только некоторую тенденцию, или вероятность, вращения вокруг этой оси.

Теперь мы можем по-новому рассмотреть эксперимент ЭПР и теорему Белла. В эксперименте участвуют два электрона, вращающиеся в противоположных направлениях, и их суммарный спин равен 0. Есть несколько экспериментальных методик, которые позволяют привести два электрона в состояние, где направления осей неизвестны, но общий спин двух частиц определенно равен 0. Предположим, какие-то процессы, не воздействующие на спин частиц, вызывают их удаление друг от друга. При их расхождении в противоположных направлениях суммарное значение спина остается равным 0, и, когда расстояние между ними достаточно велико, спин каждой из двух частиц измеряется. Помните, что расстояние между частицами может быть произвольно большим: одна может находиться в Нью-Йорке, другая в Париже; одна — на Земле, а другая — на Луне.

Предположим, после измерения спина частицы вокруг вертикальной оси мы обнаружили, что он имеет направление «вверх». Поскольку суммарный спин частиц равен 0, спин второй частицы должен быть направлен «вниз». В рамках измерения спина частицы 1 мы одновременно косвенно измеряем спин частицы 2, не оказывая на нее никакого воздействия. Парадоксальность эксперимента ЭПР в том, что исследователь волен выбирать направление оси для измерения. Квантовая теория утверждает, что спины частиц будут иметь противоположные значения при любой оси вращения, но до момента измерения эти спины существуют только как тенденции или возможности. Стоит наблюдателю выбрать ось и произвести измерения, как обе частицы получают общую ось вращения. Особенно важно то, что мы можем выбрать ось в последний момент, когда расстояние между электронами уже довольно велико. Когда мы измеряем характеристики частицы 1, частица 2, которая, возможно, находится на удалении в несколько тысяч километров, тоже приобретает значение спина по отношению к выбранной оси измерения. Как частица 2 «узнаёт» о том, какую ось мы выбрали? Это происходит так быстро, что она не может получить такую информацию при помощи обычного сигнала.

В этом суть эксперимента ЭПР, и именно здесь Эйнштейн был не согласен с Бором. По его мнению, поскольку никакой сигнал не способен двигаться в пространстве быстрее скорости света, измерение, произведенное по отношению к одному из электронов, не может в то же мгновение сообщить направление вращению второго, находящегося в тысячах километрах от первой частицы. По мнению Бора, система из двух электронов представляет собой неделимое целое, даже если частицы и разделены большим расстоянием. Мы не можем рассматривать ее в терминах самостоятельных ее частей. Хотя электроны далеко друг от друга в пространстве, они связаны мгновенными нелокальными связями. Это не сигналы в понимании Эйнштейна, они выходят за пределы привычных представлений о передаче информации. Теорема Белла подтверждает справедливость идей Бора и доказывает, что взгляды Эйнштейна на физическую реальность как на структуру, состоящую из самостоятельных элементов, разделенных пространством, не совместимы с закономерностями квантовой теории. Она демонстрирует, что Вселенная обладает фундаментальной взаимосвязанностью, взаимозависимостью и неразделимостью. Вот что говорил за много сотен лет до Белла индийский буддист Нагарджуна.

Вещи черпают свое существование и природу во взаимозависимости и не являются ничем сами по себе.

Современная физика стремится объединить две свои основные теории, квантовую и теорию относительности, в рамках единой всеобъемлющей теории субатомных частиц. Создать ее пока не удалось, но есть частные теории и модели, успешно описывающие определенные стороны субатомной реальности. В субатомной физике есть две разновидности квантово-релятивистских теорий, которые применяются в различных областях. Первая из них — группа квантовых теорий поля (см. главу 14), которые описывают электромагнитные и слабые взаимодействия; ко второй принадлежит теория S-матрицы (см. главу 17), успешно описывающая сильные взаимодействия. Главная проблема, которая до сих пор не решена, — задача объединения теории относительности и квантовой теории в рамках квантовой теории гравитации. Шагом к решению этой проблемы, возможно, станут существующие уже сейчас концепции «супергравитации»[288], но пока удовлетворительных вариантов такой теории предложено не было.

Квантовые теории поля, подробно описанные в главе 14, исходят из концепции квантового поля — фундаментальной сущности, которая может существовать в протяженной форме в виде поля, а в непротяженной — в виде частиц[289]. При этом разные типы частиц связаны с различными полями. Эти теории пришли на смену представлениям о частицах как о фундаментальных объектах и заменили его гораздо более тонкой концепцией квантовых полей. Несмотря на это, они используют понятие фундаментальных сущностей и являются поэтому полуклассическими теориями, которые не могут полностью продемонстрировать квантово-релятивистскую природу субатомной материи[290].

Квантовая электродинамика, первая из квантовых теорий поля, обязана своим успехом тому, что электромагнитные взаимодействия очень слабы и позволяют полнее поддерживать классические различия между веществом и силами взаимодействия[291]. То же можно сказать о теориях поля, описывающих слабые взаимодействия. По сути, сходство между электромагнитными и слабыми взаимодействиями только усиливается благодаря появлению новой разновидности квантовой теории поля, получившей название теорий калибровочной инвариантности. Они позволяют рассматривать оба типа взаимодействий в комплексе. В возникшей на их основе объединенной теории поля, получившей название теории Вайнберга — Салама в честь своих создателей, Стивена Вайнберга и Абдуса Салама, два типа взаимодействий остаются самостоятельными, но объединены математически с помощью калибровочной группы и получают общее наименование «электрослабых» взаимодействий.

Подход, характерный для теорий калибровочной инвариантности, распространился и на сильные взаимодействия благодаря возникновению теории поля под названием квантовая хромодинамика (КХД). Многие физики пытаются добиться ее «великого объединения» с теорией Вайнберга — Салама. Но использование теорий калибровочной инвариантности для описания сильно взаимодействующих частиц рождает немало проблем. Взаимодействия между адронами настолько сильны, что различие между частицами и силами размываются. Поэтому КХД плохо подходит для описания процессов с участием сильно взаимодействующих частиц. Исключение — специфические «явления», так называемые глубокие неэластичные процессы рассеивания, в ходе которых частицы по непонятным причинам ведут себя почти так же, как самостоятельные объекты классической физики. Физикам не удалось распространить сферу применения КХД на явления вне этой узкой области. Надежды на то, что КХД станет теоретической основой для объяснения свойств сильно взаимодействующих частиц, до сих пор не оправдались[292].

КХД — современный математический аппарат кварковой модели (см. главу 16): поля ассоциируются в ней с кварками, а слово «хромо» относится к цветам кварковых полей. Как и все теории калибровочной инвариантности, КХД возникла позже квантовой электродинамики (КЭД). В КЭД электромагнитные взаимодействия рассматриваются как обмен фотонами между заряженными частицами, а в КХД сильные взаимодействия осуществляются путем обмена «глюонами» между разноцветными кварками. Глюоны — не реальные частицы, а одна из разновидностей квантов, которые «приклеивают» кварки друг к другу (английское слово glue, от которого образовано название глюонов, имеет значение «клей», «приклеивать»), что ведет к возникновению мезонов и барионов[293].

В результате открытия большого количества новых частиц в ходе экспериментов по рассеиванию с применением всё более высоких энергий кварковая модель была существенно расширена и уточнена. Каждый из первоначально постулированных кварков, получивших обозначения соответственно u (вверх), d (вниз) и s (странность), должен был существовать в трех разных цветах. Затем ученые постулировали существование и четвертого кварка, получившего аромат charm (прелесть). Впоследствии к модели добавились t и b, обозначающие top и bottom, соответственно «вершина» и «дно» (или более романтически — true и beautiful, т. е. «истинность» и «красота»). Общее число кварков стало равным 18 — шести ароматам, помноженным на три цвета. Неудивительно, что многим физикам такое многообразие фундаментальных «кирпичиков» мироздания не понравилось. Они начали говорить о необходимости подумать о «подлинно элементарных» частицах, из которых и должны состоять кварки…

Несмотря на все это теоретизирование и моделестроительство, экспериментаторы продолжали заниматься поисками свободных кварков, но не обнаружили их. И в этом основная проблема кварковой модели. В теории КХД это получило название «кваркового конфайнмента» (ограничения). Ученые предположили, что по каким-то неизвестным причинам кварки постоянно пребывают в «ограниченном» состоянии внутри адронов и не могут предстать перед нашими глазами. Было разработано несколько моделей, объясняющих явление конфайнмента, но это не привело к появлению более или менее последовательной теории.

Таково нынешнее состояние кварковой модели. Для объяснения всех явлений в мире адронов необходимы по крайней мере 18 кварков и 8 глюонов. Ни один из них не был обнаружен в несвязанном состоянии. Их существование в качестве физических составляющих адронов привело бы к возникновению серьезных теоретических сложностей. Для описания постоянного конфайнмента кварков выдвигалось несколько моделей, но ни одна из них не стала подходящей динамической теорией, в то время как и сама КХД, представляющая собой теоретический каркас кварковой модели, может использоваться только по отношению к очень узкому кругу явлений. Невзирая на все эти проблемы, большинство физиков до сих пор привержено идее «строительных кирпичиков» материи, которая так глубоко укоренилась в западной научной традиции.

Пожалуй, самые впечатляющие события в физике частиц произошли в теории S-матрицы и гипотезы бутстрапа (см. главу 17 и главу 18), которые не признают фундаментальных сущностей, а стремятся истолковывать природу мироздания исключительно через ее самосогласованность. Я считаю гипотезу бутстрапа кульминацией современной научной мысли, и именно в этом своем проявлении современная физика ближе всего к восточной философии — как в смысле понимания общей картины мира, так и во взглядах на строение материи. Но философия бутстрапа — очень сложное явление в физике, и ее поддерживают немногие ученые. Большинство физиков видят в бутстрапе нечто чуждое их традиционному мышлению. Та же ситуация и с теорией S-матрицы. Не только любопытным, но и очень значимым представляется то обстоятельство, что, хотя основные понятия теории S-матрицы используются в физике частиц всеми учеными при анализе результатов экспериментов по рассеиванию и сравнении результатов с предсказаниями их теорий, до сих пор ни одному из выдающихся физиков, которые внесли свой вклад в развитие теории S-матрицы, с 1960-х до начала 1980-х не была присуждена Нобелевская премия.

Основная задача теорий S-матрицы и бутстрапа заключалась в том, чтобы объяснить кварковую структуру субатомных частиц. Теперешнее понимание субатомного мира исключает возможность существования кварков в виде физических частиц, но адроны явно обладают кварковыми симметриями, которые должна объяснить теория сильных взаимодействий. Теории бутстрапа не удалось объяснить эти поразительные закономерности, но в рамках теории S-матрицы был сделан серьезный прорыв, и возникла теория бутстрапа частиц, которая способна объяснить кварковую структуру, не постулируя при этом существования физических кварков. Новая теория бутстрапа дает ответ на несколько вопросов, которые были ранее непонятны ученым[294].

Для понимания сущности нового прорыва необходимо установить значение кварковой структуры в контексте теории S-матрицы. Если в кварковой модели частицы выглядят почти как бильярдные шары, содержащие шары меньшего размера, то теория S-матрицы, использующая целостный и динамический подход, рассматривает частицы как энергетические структуры, возникающие в ходе происходящих во Вселенной процессов. Она рассматривает их как корреляции и взаимосвязи между разными участками неразрывной космической сети. В таком контексте термин «кварковая структура» используется для обозначения того, что перемещения энергии и информации в сети происходят вдоль некоторых четко определенных линий, что порождает двоичность, связанную с адронами, и троичность, связанную с барионами. Это динамический эквивалент утверждения, что адроны состоят из кварков. В теории S-матрицы нет самостоятельных фундаментальных сущностей и «строительных кирпичиков»; здесь мы имеем дело только с потоками энергии, обнаруживающими ряд четких закономерностей.

Вопрос таков: как возникают конкретные кварковые закономерности? Ключевой момент в новой теории бутстрапа — понятие порядка как нового важного аспекта физики частиц. В этом контексте понятие порядка используется так же, как и по отношению к взаимосвязанности субатомных процессов. Есть разные виды взаимосвязи между реакциями частиц, а значит, мы можем определить разные категории упорядоченности. Для их классификации используется язык топологии, хорошо известный математикам, но не применявшийся в физике частиц. Если объединить такое понимание порядка с математическим аппаратом теории S-матрицы, то остается всего несколько категорий упорядоченных соотношений, которые могут совмещаться с хорошо известными свойствами S-матрицы. Как раз эти категории порядка и являются кварковыми структурами, наблюдаемыми в природе. Кварковая структура представляется нам воплощением порядка и необходимым следствием самосогласованности. При этом нет необходимости постулировать существование кварков как физических компонентов адронов.

Появление понятия порядка как нового центрального понятия в физике частиц не только привело к существенному развитию идей теории S-матрицы, но и сильно повлияло на всю систему научных знаний. Сейчас порядок в субатомной физике остается таинственным и не до конца изученным. Но интересно, что, как и три принципа теории S-матрицы, понятие порядка играет очень важную роль в определении научного подхода к анализу явлений и природы и занимает центральное место в определении методов наблюдения. Способность распознать порядок, по-видимому, является существеннейшим аспектом рационального ума. Каждое восприятие паттерна есть в некотором смысле восприятие порядка. Прояснение понятия порядка в науке, где паттерны материи и разума всё чаще считаются взаимными отражениями, обещает открыть потрясающие горизонты познания.

По мнению Джеффри Чу, автора идеи бутстрапа, выполнявшего роль связующей и организующей силы, и философского гуру в теории S-матрицы, применение методики бутстрапа для анализа других явлений, помимо описания адронов, может вызвать необходимость включить человеческое сознание в будущие теории материи. «Такой шаг в будущем, — писал Чу, — окажет на развитие науки гораздо более сильное воздействие, чем все концепции, входящие в адронный бутстрап… Наши нынешние трудности с адронным бутстрапом могут быть предвестником совершенно новой формы человеческой умственной деятельности».

Новые открытия в области теории S-матрицы подвели Чу к мысли о необходимости прямого включения в его концепцию человеческого сознания. Он не единственный из физиков, кто пошел в этом направлении. Среди исследований конца 1970-х — начала 1980-х одним из самых неожиданных стала новая теория Дэвида Бома, который, видимо, пошел дальше всех в изучении соотношения между сознанием и материей в науке. Подход Бома существенно отличается от теории S-матрицы гораздо более общим характером и наступательностью в лучшем смысле. Его можно рассматривать как попытку «пришнуровать» друг к другу пространство-время и фундаментальные понятия квантовой теории для создания последовательной квантово-релятивистской теории материи[295].

Отправной точкой для Бома, как я уже говорил в главе 10, было понятие «неразрывной целостности». Он рассматривает нелокальные связи, проявляющиеся в том числе в эксперименте ЭПР, как важную часть целостности. В данном случае нелокальные связи представляются источником вероятностного характера законов квантовой физики, но Бом решил пойти дальше и исследовать порядок, который, по его мнению, внутренне присущ космической сети взаимодействий на более глубоком уровне — уровне «непроявленности». Он называет такой порядок «импликативным», или «вложенным», и утверждает, что в его рамках взаимоотношения внутри целого не имеют ничего общего с локальностью во времени и пространстве, обнаруживая совершенно новое качество — качество вложенности.

Бом развивает свою концепцию импликативного порядка по аналогии с голограммой, опираясь на способность каждой точки последней содержать в себе всё изображение[296]. Осветив любой участок голограммы, мы увидим изображение целиком, хотя оно будет не таким детальным, как если бы была освещена вся голограмма. По мнению Бома, реальный мир построен аналогично, на тех же общих принципах, так, что каждое целое «вкладывается» в каждую из своих составных частей.

Бом понимает, что сравнение с голограммой не может передать всю суть его концепции и использоваться в качестве научной модели порядка на субатомном уровне. Поэтому для обозначения динамической природы реальности на этом уровне он ввел термин «голодвижение», который используется для обозначения основы всех проявленных сущностей. В понимании Бона, «голодвижение» — динамическое явление, на основе которого образуются все формы материальной Вселенной. Он стремится к рассмотрению порядка, вложенного в «голодвижение», путем описания не структуры объектов, а структуры движения, что позволяет объяснить как принципиальное единство Вселенной, так и ее меняющуюся природу.

По Бому, пространство и время — тоже формы, обусловленные «голодвижением»; они тоже вложены в его порядок. Бом считает, что понимание импликативного порядка не только будет способствовать более глубокому осознанию сущности вероятностей в квантовой физике, но и позволит объяснить базовые свойства релятивистского пространства-времени. Теория импликативного порядка обеспечивает единую основу для теории относительности и квантовой теории.

Бом счел нужным рассматривать сознание как неотъемлемый компонент «голодвижения» и включить его в свою теорию. Он считает, что сознание и материя взаимосвязанны и взаимозависимы, но между ними нет причинной связи. Это вложенные друг в друга проекции более высокой реальности, которая не является ни материей, ни сознанием в чистом виде.

Большинство суждений Бома носит скорее концептуальный характер, хотя он занимается и разработкой математического аппарата, которая должна использовать такие понятия, как матрица, и такие разделы, как топология. И все же между его теорией импликативного порядка и теорией бутстрапа есть занятное сходство. Обе концепции исходят из понимания мира как динамической сети взаимодействий и выдвигают на центральное место понятие порядка, обе используют матрицы как средство описания перемен и преобразований, а топологию — более точного определения категорий порядка. Наконец, оба подхода признают, что сознание может представлять собой неотъемлемый компонент Вселенной, который в будущем, возможно, войдет в теорию, объясняющую все физические явления. Последняя может возникнуть в результате синтеза теорий Бома и Чу, которые представляют собой два самых изобретательных и глубоких в философском отношении подхода к описанию физической действительности.