Невероятная неопределенность

Сатьяджит Дас

Финансовый эксперт, консультант по рискам; автор книги Extreme Money: The Master of the Universe and the Cult of Risk («Экстремальные деньги. Хозяева Вселенной и культ риска»)

Неопределенность – это конец, который часто выглядит как начало. Ее совершенная красота – составная часть математики, методологии, философии, лингвистики и судьбы.

В 1927 году Вернер Гейзенберг показал, что неопределенность – неотъемлемая составляющая квантовой механики. Невозможно одновременно измерить разные характеристики частицы – положение и импульс. В квантовом мире материя может существовать в форме либо частицы, либо волны. Основные элементы не являются ни частицами, ни волнами, но проявляют свойства и тех, и других, что служит просто различными способами теоретического описания квантового мира.

Неопределенность обозначает конец достоверности. Если мы пытаемся точно измерить одно качество, мы лишаемся возможности измерить другое. Процесс измерения сводит на нет наше понимание системы.

Неопределенность отвергает научный детерминизм, подразумевая, что знание человека о мире всегда неполно, неточно и очень условно.

Неопределенность оспаривает причинную связь. Гейзенберг замечал: «Закон причинности утверждает, что, точно зная настоящее, можно предсказать будущее. Но вдумайтесь: в этой формулировке ложен не вывод, а предпосылка. Мы в принципе не можем знать все элементы, определяющие настоящее».

Неопределенность ставит под вопрос методологию. Эксперименты могут доказать только то, что они предположительно должны были доказать. Неопределенность – теория, основанная на практической несостоятельности экспериментов.

Неопределенность и квантовая механика противостоят судьбе, равно как и истине, и упорядоченности. Они предполагают вероятностный мир, в котором мы ничего не можем знать с определенностью, но только в качестве вероятности. Это устраняет представления Ньютона о времени и пространстве из существующей реальности. В квантовом мире механика понимается как возможность вне всякой причинной связи.

Альберт Эйнштейн отказался принять то, что положения в пространстве-времени никогда не могут быть точно определены, а квантовые вероятности не связаны с какими-либо причинами. Он отвергал не теорию в целом, а отсутствие причинно-следственной связи. В знаменитом письме к Максу Борну он утверждал: «Во всяком случае, я убежден, что Он [Бог] не играет в кости». Но, как позднее отметил Стивен Хокинг (что оценил бы Гейзенберг), «Бог не только играет в кости… иногда он бросает их туда, где никто не сможет их увидеть».

Скрытная и неуловимая сила неопределенности оказывает свое метафорическое воздействие, проникая в различные области, такие как теория искусства, экономика и даже массовая культура. С одной стороны, принцип неопределенности Гейзенберга подразумевает, что измерение может иногда изменить то, что мы наблюдаем. С другой, намеренно или нет, Гейзенберг говорит о сущности системы в целом – отсутствии конечных истин и пределов нашего познания. Неопределенность связана с различными философскими концепциями. Сёрен Кьеркегор ввел различие между объективными и субъективными истинами. Объективные истины отбираются и изменяются посредством наших субъективных истин, напоминая взаимодействие между наблюдателем и событием, что составляет основу теории Гейзенберга.

Неопределенность существует и в лингвистике. В «Логико-философском трактате» Людвиг Витгенштейн использует неопределенность, утверждая, что структура языка устанавливает границы мышления и того, что можно выразить словами.

Противоречивость неопределенности проявляет себя и другим образом, к примеру, полемикой относительно истории жизни самого Гейзенберга. В 1941 году Гейзенберг и его бывший учитель Нильс Бор встретились в оккупированной Дании. В пьесе Майкла Фрейна «Копенгаген» (1998) Маргарет, жена Бора, задает важный вопрос, который обсуждается по ходу действия: «Зачем он [Гейзенберг] приехал в Копенгаген?». Герои пьесы встречаются трижды, каждый раз с различным результатом. Гейзенберг говорит: «Никто не понимает причины моей поездки в Копенгаген. Раз за разом я ее объясняю. Самому Бору и Маргарет. Следователям и офицерам разведки, журналистам и историкам. Чем подробнее я объясняю, тем больше неопределенность».

В статье «Принципы квантовой механики», написанной в 1930 году, Поль Дирак противопоставляет ньютоновский и квантовый мир: «Становится все более очевидно… что природа работает по другому плану. Фундаментальные законы не управляют миром напрямую, как это выглядит в нашем представлении, вместо этого они контролируют основу, которую мы не можем себе вообразить, не создавая бессмыслицу».

Мир существовал до Гейзенберга и его принципа неопределенности. Мир существует и после. Они, эти миры, составляют один и тот же мир, но при этом различаются.

Новый уровень фундаментальной материи?

Хаим Харари

Физик-теоретик, бывший президент Института Вейцмана; автор книги The View from the Eye of the Storm («Вид из эпицентра бури»)

Научная идея может быть элегантной. Она также может быть верной. Если вам приходится выбирать, выбирайте верную. Но лучше, если идея сочетает оба качества.

Элегантность идеи определяется взглядом исследователя. Верность – окончательным судом науки, матери-природы, обсуждением результатов экспериментов. В отличие от телевизионного конкурса талантов ни элегантность, ни верность не могут быть установлены путем голосования публики или скептически настроенного жюри. Но впечатление элегантности идеи часто зависит от того, решение какого вопроса она предлагает.

Вся материя состоит из 6 типов кварков и 6 типов лептонов, видимо, со случайными необъяснимыми значениями масс, различающимися на десять порядков. Никто не знает, почему в этих 12 строительных блоках трижды повторяется одна и та же структура. При определенных обстоятельствах эти объекты могут превращаться друг в друга в необъяснимых соотношениях, называемых «углами смешивания». Создается впечатление, что двадцать с лишним значений этих масс и соотношений выбраны кем-то (природой или Богом) произвольным образом. Все это сообщает нам Стандартная модель физики частиц. Это элегантно? Не очень.

Но то, что горы и змеи, океаны и помойки, люди и компьютеры, гамбургеры и звезды, алмазы и слоны, а также все остальное во Вселенной создано из дюжины типов фундаментальных объектов, действительно поражает воображение. Именно это сообщает нам та же Стандартная модель. Так это элегантно? Очень даже.

Я надеюсь, что природа на самом деле еще более элегантна. Двенадцать фундаментальных кварков и лептонов и их античастицы имеют электрические заряды 0, 1 3, 2 3 и 1 или такие же негативные значения. Каждое значение повторяется в точности три раза.

На многие вопросы нет удовлетворительных ответов. Почему все заряды кратны 1 3 заряда электрона? Почему представлены все значения от 0 до 1, причем несколько раз? Почему не встречается более трех повторов одного значения? Почему одна и та же структура повторяется три раза? Почему лептоны имеют целые значения зарядов, а кварки – дробные? Почему заряды кварков и лептонов связаны друг с другом простыми соотношениями?

Причиной, по которой москиты, стулья и томатный сок электрически нейтральны, служит необъяснимое равенство величины электрических зарядов протонов и электронов, в результате чего атомы нейтральны. Это следствие простого и точного соотношения зарядов кварков и лептонов. Но почему заряд электрона не составляет, скажем, 0,8342 от заряда протона? Почему значение заряда у них в точности одинаковое? Элегантное объяснение этих головоломок может появиться, если все кварки и лептоны (следовательно, и вся материя во Вселенной) состоят только из двух строительных блоков, один из которых имеет электрический заряд, составляющий 1 3 от заряда электрона, а второй не заряжен. Тогда комбинации из этих объектов будут в точности соответствовать известному набору кварков и лептонов и четко отвечать на поставленные выше вопросы. Странный комплект масс и соотношений кварков и лептонов так и останется необъяснимым, но будет переведен в рамки обсуждения динамических сил, связывающих два фундаментальных объекта в множество целостных образований, вместо попытки разобраться в данном природой или Богом списке более двадцати фундаментальных параметров.

Элегантное объяснение? Безусловно. Верное? Не обязательно, как мы теперь понимаем. Но вы никогда не докажете, что частицы не состоят из более простых первичных объектов. Это может быть обнаружено в будущем и не вызвать противоречий с имеющимися данными, особенно если новые структуры окажутся на меньшем расстоянии и с более высокими энергиями, чем все, что нам до сих пор известны, или подчиняются странному набору новых физических законов. Не стоит и говорить, что такая простая гипотеза нуждается в решении множество дополнительных проблем, с одними из которых она легко справляется, а с другими оказывается несостоятельной. Возможно, это отчасти оправдывает общее негативное отношение большинства физиков частиц к такому простому объяснению.

На мой взгляд, идея, что вся Вселенная создана из двух типов строительных блоков (которые я назвал ризонами, или первичными), – элегантное и привлекательное объяснение известных фактов. В начале «Книги Бытия» сказано, что Вселенная «бесформенна и пуста», или в оригинале на иврите «Tohu Vavohu». Почему бы не дать двум фундаментальным объектам обозначения T (Tohu, «бесформенность») и V (Vohu, «пустота»)? Тогда каждый кварк и лептон будут состоять из различных комбинаций трех таких ризонов, например TTV или TTT.

Все это может навсегда остаться элегантной, но неверной идеей, или однажды оказаться новым уровнем структуры материи, следующим за атомом, ядром, протоном и кварком. Спросите мать-природу. Она знает, что такое элегантность и что такое правильность, но пока молчит.