Читать книгу "Уродливая Вселенная - Сабина Хоссенфельдер"

Вайнберг продолжает: «Очень часто меняются не сами физические теории, а наше восприятие того, что они значат, почему должны быть верны. Поэтому я и не думаю, что ниспровергается все, хотя могут ниспровергаться прежние эстетические критерии. А что выживает – так это теории, порожденные прежними эстетическими критериями. Если эти теории успешны, каковыми они могут и не быть».

Он встает и выходит из кабинета.

Квантовая механика – это магия

Странна не только квантовая механика сама по себе, но и вся эта область исследований. В физике элементарных частиц у нас есть теория, эксперимент и – посередке – феноменология. Феноменологи – это те, кто (как Горди Кейн) вытягивают из теорий предсказания, обычно упрощая математику и выясняя, что может быть измерено, с какой точностью и как (а нередко еще и кем).

В других областях физики исследователи не разделяются по этим трем категориям так четко, как в физике элементарных частиц. Но во всех областях есть феноменологи. Даже в квантовой гравитации, где нет экспериментов, феноменологи есть. Иное дело – квантовая механика. Тут на одной стороне эксперимент, куча экспериментов. А на другой – много суеты из-за интерпретации. Серединка же практически пуста.

Поизучав все эти интерпретации и попытавшись оценить степень безобразности каждой из них, я решаю поговорить с кем-то из «несуетливого» лагеря, для кого все эти квантовые дела – каждодневная рутина. Мой выбор пал на Чеда Орзела.

Чед – профессор физики в Юнион-колледже в Скенектади (штат Нью-Йорк). Он больше известен как тот, кто обучал свою собаку квантовой физике и написал об этом книгу 109. Еще Чед ведет научно-популярный блог «Неопределенные принципы» (Uncertain Principles), в котором раскрывает тайны квантовой механики. Я вызываю его на сеанс видеосвязи, чтобы спросить, что он думает обо всех интерпретациях квантовой механики.

«Чед, – начинаю я, – напомните, чем вы занимаетесь».

«Я специализируюсь на физике лазерного охлаждения и холодного атома», – отвечает Чед. После того как Чед получил ученую степень, он работал над конденсатом Бозе – Эйнштейна, облаком атомов, охлажденных до столь низких температур, что становятся сильны квантовые эффекты.

«Для своей диссертации я наблюдал за столкновениями ультрахолодных атомов ксенона, – говорит Чед. – Их относительные скорости лежат в диапазоне сантиметров или миллиметров в секунду, и при таких скоростях атомы двигаются настолько медленно, что вы начинаете видеть при столкновениях квантовые эффекты».

«У ксенона много изотопов[76], – объясняет Чед. – Некоторые являются составными бозонами, а некоторые – составными фермионами. И если вы их поляризуете, а они фермионы, то столкновения станут невозможны, поскольку получатся два симметричных состояния, что запрещено».

Эта блокировка – пример страшного индивидуализма фермионов, обсуждавшегося в первой главе. Вы просто не в силах заставить два фермиона делать одно и то же в одном и том же месте.

Чед продолжает: «Мы формируем облако из атомов ксенона, и если они сталкиваются, то обмениваются большим количеством энергии – и образуется ион. Мы просто считаем ионы в двух случаях – когда атомы поляризованы и когда не поляризованы, и это говорит нам, сколько атомов участвовало в столкновениях. Сигнал очень четкий. А по частоте столкновений мы видим разницу: бозоны охотно сталкиваются, а фермионы нет. Это чистый квантовый эффект».

«А что атомы делают, если не сталкиваются?» – спрашиваю я.

«Просто проходят друг мимо друга, – отвечает Чед и пожимает плечами. – На защите диссертации кто-то задал мне такой вопрос: “Что произойдет, если вы выстроите эти атомы в ряд, – как они смогут не сталкиваться?” Ну я и сказал в шутку: “Квантовая механика – это магия”. Более серьезный ответ: не стоит думать об атомах как о маленьких бильярдных шариках, которые можно идеально выстроить в линеечку, о них нужно думать как о больших размытых объектах, способных проходить друг сквозь друга. Я повернулся тогда к моему научному руководителю, только что получившему Нобелевскую премию[77], и спросил: “Вы согласны? Это так?” И он ответил: “Да, квантовая механика – это магия”».

* * *

Кажется разумным, что наша интуиция в квантовом мире буксует. Мы не испытываем квантовых эффектов в повседневной жизни – слишком уж они слабые и хрупкие. Вообще-то было бы удивительно, если бы квантовая физика была интуитивно понятной, ведь нам никогда не представлялась возможность к ней привыкнуть.

Значит, и не стоит эту труднопонятность вменять в вину теории. Но, как и отсутствие эстетической привлекательности, труднопонятность препятствует прогрессу. И не исключено, думается мне, что это не то препятствие, которое мы в силах преодолеть. Возможно, мы завязли в основаниях физики, поскольку достигли пределов того, что человек в принципе способен осмыслить. Возможно, пришло время передать эстафету.

* * *

Адам проводит эксперименты с культурами микроорганизмов. Он выдвигает гипотезы и разрабатывает планы исследований. Сидит в лаборатории и распоряжается инкубаторами и центрифугами. Только вот Адам не живое существо, а машина. Это робот, сконструированный командой Росса Кинга в Университете Аберистуита в Уэльсе. Адам успешно выявил гены дрожжей, кодирующие определенные ферменты 110.

Машины проникают и в физику тоже. Исследователи из лаборатории интеллектуальных систем Корнеллского университета в Итаке (штат Нью-Йорк) создали компьютерную программу, в которую загружают сырые данные, а она выдает уравнения, описывающие движение систем, таких как хаотический двойной маятник. У компьютера ушло тридцать часов на то, чтобы вывести заново законы природы, над которыми люди бились столетиями 111.

В своей недавней работе по квантовой механике группа Антона Цайлингера использовала компьютерную программу – по прозвищу Мелвин, – чтобы разработать план экспериментов, проводившихся тогда людьми 112. Марио Кренн, аспирант, которому пришла в голову идея автоматизировать процесс планирования эксперимента, результатами доволен, но говорит, что ему все еще «довольно трудно понять на уровне интуиции, что конкретно там происходит»113.

И это только начало. Поиск закономерностей и систематизация информации – важнейшие задачи науки, а ведь это ровно те задачи, в решении которых искусственные нейронные сети призваны превосходить нас. Такие компьютеры, предназначенные для того, чтобы имитировать работу настоящего мозга, сейчас анализируют массивы данных, которые ни один человек не в состоянии объять, и ищут взаимосвязи с помощью алгоритмов глубокого обучения. Сомнений нет: технологический прогресс уже меняет то, что мы подразумеваем под выражением «делать науку».