Что такое квантовая космология?

Отрывок из книги Генриха Пэса "Единое: как древняя идея открывает будущее физики" (The One: How an Ancient Idea Holds the Future of Physics). Перепечатано с издательства Basic Books, Copyright © 2023.

С момента открытия атома физики придерживались философии редукционизма. Согласно этой идее, природу можно постичь в едином понимании, разложив окружающее на части, состоящие из одних и тех же мельчайших составных.

Согласно этому распространенному представлению, такие повседневные предметы, как стулья, столы и книги, состоят из атомов, атомы - из атомных ядер и электронов, атомные ядра содержат протоны и нейтроны, а протоны и нейтроны - кварки.

Элементарные частицы, такие, как кварки или электроны, воспринимаются как фундаментальные строительные блоки Вселенной.

За последние пятьдесят лет, чтобы разработать и конкретизировать эту точку зрения, сотни тысяч страниц были заполнены сложными уравнениями, полными странных символов. Чтобы проверить эти идеи, были построены гигантские установки для уничтожения частиц, трубы длиной в много миль и стоимостью в миллиарды долларов. Они разгоняли субатомную материю до скорости, близкой к скорости света, позволяя ей исчезать, но при этом искать еще более мелкие или пока не обнаруженные частицы.

С помощью НАСА и Европейского космического агентства чудеса инженерной мысли были запущены в космос. Они слушали наиболее ранние события во Вселенной, чтобы понять, как выглядел мир, когда он был всего лишь супом из горячих частиц.

Эта философия была чрезвычайно успешной, но есть и слепое пятно. Атомы, протоны и нейтроны, электроны и кварки описываются квантовой механикой.

А согласно квантовой механике, в общем случае невозможно разложить объект без потери некоторой существенной информации.

Физики элементарных частиц стремятся к фундаментальному описанию Вселенной, которое не содержит никакой информации. Но если мы серьезно относимся к квантовой механике, это означает, что на самом фундаментальном уровне природа не может состоять из составных частей.

Самое фундаментальное описание Вселенной должно начинаться с самой Вселенной.

Как и любой другой профессиональный физик, я ежедневно работаю с квантовой механикой. Мы используем квантовую механику для расчета и предсказания результатов интересующих нас экспериментов, наблюдений и проблем, будь то столкновения частиц в гигантских ускорителях, процессы рассеяния в первозданной плазме ранней Вселенной или поведение электрических или магнитных полей в лабораторном эксперименте на твердом теле.

Но хотя мы почти всегда принимаем квантовую механику для описания конкретных наблюдений и экспериментов, мы обычно не применяем ее ко всей Вселенной. Это имеет умопомрачительные последствия.

Как я буду утверждать в этой книге, если применить квантовую механику ко всему космосу, то откроется идея трехтысячелетней давности: в основе всего, что мы наблюдаем, лежит только одна единственная, всеобъемлющая вещь, а все остальное, что мы видим вокруг себя, является своего рода иллюзией.

Конечно, утверждение о том, что "все есть Одно", не похоже на гениальную научную концепцию. На первый взгляд, это звучит абсурдно. Просто посмотрите в окно. Чаще всего на улице стоит не одна машина, а несколько. Для любовной связи нужны два человека (как минимум!), для проведения мессы требуется "два или три" верующих, а для футбольного матча необходимо двадцать два игрока.

Много веков назад астрономы убедили нас, что Земля - не единственная планета во Вселенной, а сегодня современной космологии известно практически бесчисленное множество звезд.

Но квантовая механика меняет все. В квантовых системах объекты настолько полностью и всецело сливаются, что уже невозможно ничего сказать о свойствах их составных частей. Такое явление известно как "запутанность". И хотя Альберт Эйнштейн и его коллеги заговорили о ней восемьдесят лет назад, только сейчас оно получило полную оценку. Примените запутанность ко всей Вселенной, и вы получите догму Гераклита "Из всего сущего - одно".

"Подождите, - возразить вы. - Квантовая механика применима только к крошечным вещам: атомам, элементарным частицам, может быть, молекулам. Применять ее ко всей Вселенной не имеет смысла".

Вы будете удивлены, узнав, что появляется все больше хороших намеков на то, что это убеждение ошибочно. Только за период с 1996 по 2016 год шесть Нобелевских премий были присуждены за так называемые макроскопические квантовые явления.

Вы можете вскинуть руки и заявить, что такое обсуждение бессмысленно. Физика, кажется, прекрасно работает без всяких метафизических размышлений.

Факт в том, что это не так. В настоящее время физика переживает кризис, который заставляет нас пересмотреть то, что мы понимаем под "фундаментальностью" .

В настоящее время самые блестящие физики и космологи отчуждены экспериментальными данными от крайне маловероятных совпадений, которые пока не поддаются никакому объяснению.

В то же время, поиски теории всего сущего лишают физику ее основополагающих понятий, таких, как материя, пространство и время. Если они исчезнут, что останется?

Квантовая космология предполагает, что фундаментальный слой реальности состоит не из частиц и не из крошечных, вибрирующих, одномерных объектов, известных как "струны", а из самой Вселенной - понимаемой не как сумма составляющих ее вещей, а как всеобъемлющее единство.

Как я буду утверждать, представление о том, что "все есть Одно" способно спасти душу науки: убеждение в существовании уникальной, понятной и фундаментальной реальности.

Когда этот аргумент укрепится, он перевернет наши поиски теории всего с ног на голову - мы будем строить ее на квантовой космологии, а не на физике частиц или теории струн (в настоящее время это самый популярный кандидат на квантовую теорию гравитации).

Такая концепция подразумевает ответ на простой вопрос: как возможно, что мы воспринимаем мир как множество вещей, если, в конце концов, все есть "Одно"?

Это достигается процессом, известным как "декогеренция", и он необходим практически для любой отрасли современной физики.

Декогеренция - это агент, защищающий наш повседневный опыт от слишком большого количества квантовых странностей. И она реализует остальную часть постулата Гераклита: "Из одного все".

Как следствие, нам предстоит выяснить, как такое понятие меняет наш взгляд на самые глубокие вопросы философии - "Что есть материя? " "Что такое пространство? "Что такое время? "Как возникла Вселенная?" - и даже на то, что религиозные люди называют "Богом" (поскольку на протяжении веков понятие всеобъемлющего единства отождествлялось с Богом).

Нам также придется столкнуться с вопросом, почему монизм не стал популярным, хотя он прямолинейно следует из квантовой механики. Почему он кажется нам таким странным? Откуда берется наш интуитивный, обесценивающий рефлекс?

Чтобы по-настоящему понять это предубеждение, мы должны заглянуть в историю монизма.

Книга "Единое" - это история как серьезного кризиса в физике, так и полузабытой концепции, способной его разрешить.

В книге исследуется идея о том, что "все едино", что материя, пространство, время и разум - все это лишь артефакты нашей грубозернистой перспективы Вселенной.

Попутно рассказывается, как эта концепция развивалась и формировала ход истории, начиная с древних времен и заканчивая современной физикой.

Монизм не только вдохновлял искусство Боттичелли, Моцарта и Гете, но и лег в основу науки Ньютона, Фарадея и Эйнштейна.

Даже сейчас монизм становится негласным допущением, лежащим в основе наших самых передовых теорий о пространстве и времени. Это история, полная любви и преданности, страха и насилия, а также передовой науки. В немалой степени это история о том, как человечество стало тем, что оно есть.